DE19805149A1 - Nach dem Dieselprinzip arbeitender Verbrennungsmotor mit Abgasturboaufladung und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, wobei dem Motor mindestens zwei Abgasturbolader vorgeschaltet sind und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Beide Abgasturbolader weisen einen verstellbaren Turbinenleitapparat auf, der über einen Stellantrieb in Richtung Schließstellung oder in Richtung Öffnungsstellung bewegbar ist.

Um bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment, das heißt hohen Ladedruck zu erreichen, werden Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern ausgestattet. Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der aufgeladenen Verbrennungsmotoren sind verschiedene Maßnahmen bekannt, so zum Beispiel die Registeraufladung oder Regeleingriffe am Abgasturbolader.

Verbrennungsmotoren mit Registeraufladung sind beispielsweise aus der DE 25 37 863 C2, DE 40 24 572 A1 oder DE 195 11 232 A1 bekannt.

Zur Registeraufladung werden zumindest zwei parallel zueinander angeordnete Abgasturbolader verwendet, die als Festturbolader und/oder Verstellturbolader ausgelegt sind.

Im unteren Lastbereich ist nur ein Abgasturbolader wirksam mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Weitere Abgasturbolader können je nach Last parallel hinzugeschaltet werden. Die zugeschalteten Abgasturbolader können bei Veränderung des Teil­ last- und Beschleunigungsverhaltens oder der Drehmomentencharakteristik auch wieder abgeschaltet werden und zwar über in der Ladeluft- und der Abgasleitung angeordnete Absperrorgane.

Die Ab- bzw. Zuschaltung verursacht sprunghafte Änderungen im Ladedruck und führt damit zu einem unsteten Betriebsverhalten des Gesamtsystems Verbrennungsmotor - Turbolader.

Zur Optimierung des Betriebszustandes bzw. des Ladedruckes werden bei Verbrennungsmotoren Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie verwendet. Bei solchen Abgasturboladern - Verstellturbolader - wird der erforderliche Querschnitt der Abgasturbine durch Verstellen der Leitschaufeln ihres Leitgitters erreicht.

Bekannt sind diese beispielsweise aus der DE 43 09 637 A1, DE 40 25 901 C1 und der DE 195 31 871 C1.

Weiterhin ist aus der DE 41 20 057 A1 eine Brennkraftmaschine mit einem Dual-Turboladersystem bekannt. Die Brennkraftmaschine umfaßt einen ersten Turbolader, der bei allen Ansaugluftmengen betrieben wird, und einem weiteren Turbolader, der lediglich bei großen Luftansaugmengen betrieben wird. Der Maschinenbetrieb kann zwischen einem "Ein-Lader­ betrieb", in welchem lediglich der erste Turbolader arbeitet, und einem "Dual-Laderbetrieb", in welchem sowohl der erste als auch der zweite Turbolader arbeiten, umgestellt werden.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Registeraufladung einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 195 11 232 A1 bekannt. Bei kleineren Laständerungen der Brennkraftmaschine wird zunächst der Turbinenquerschnitt zumindest des ersten Turboladers entsprechend vergrößert bzw. verringert. Erst bei Erreichen eines bestimmten Schaltpunktes, ab dem die Laständerung nicht mehr durch Anpassung der oder des Turbinenquerschnittes kompensiert werden können, erfolgt das Zuschalten bzw. Abschalten eines Abgasturboladers. Gleichzeitig wird zumindest der Turbinenquerschnitt des ersten Abgasturboladers entsprechend verringert bzw. beim Abschalten entsprechend vergrößert.

Nachfolgende Laständerungen werden durch eine Anpassung des Turbinenquerschnittes zumindest des ersten Abgasturboladers ausgeglichen. Dazu ist der erste Abgasturbolader als Verstellturbolader und der bzw. die weiteren Abgasturbolader sind als Verstell- oder als Festturbolader ausgebildet.

Zur Verbesserung der Abgaswerte, insbesondere zur Reduzierung der NOx-Werte im Teillastbereich wird ein Teil des Abgases in den Brennraum zurückgeführt.

Aus der DE 44 46 730 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Aufladung und Abgasrückführung bekannt. Das rückzuführende Abgas wird zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine entnommen und über eine Bypassleitung dem Eintritt des zur Niederdruckturbine gehörenden Niederdruckverdichters zugeführt.

Bei aufgeladenen Motoren führt eine direkte Abgasrückführung zu einer spürbaren Leistungseinbuße bei der Abgasturbine. Bei einer zweistufigen Aufladung ist die Leistungseinbuße verbunden mit einer Erhöhung des Brennstoffverbrauches noch größer.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit Turboaufladung und Abgasrückführung so weiterzuentwickeln, daß sowohl ein stetiges Betriebsverhalten als auch ein optimaler Betriebszustand des Gesamtsystems Brennkraftmaschine - Turbolader gewährleistet wird.

Außerdem soll durch eine entsprechend ausgebildete Abgasrückführung die Stickoxidemission abgesenkt werden, wobei gleichzeitig eine verringerte thermische und mechanische Belastung der Turbolader bei möglichst unverändertem Gesamtwirkungsgrad gewährleistet wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abgasstränge der gasdynamisch in zwei Gruppen zusammengefaßten Zylinder des Verbrennungsmotors mit den Turbinen der Abgasturbolader verbunden sind und die Verdichter der Abgasturbolader mit ihren Ansaugleitungen an den Luftfilter angeschlossen sind und die Austritte der jeweiligen Verdichter separat mit dem Eingang des Ladeluftkühlers verbunden ist, dessen Ausgang über ein Drucksteuerorgan mit dem Saugrohr des Verbrennungsmotors verbunden sind.

Die Ansaugluft tritt über den Einlaufdiffusor in das Luftfiltergehäuse ein. Der anschließend angeordnete Luftmassenmesser erfaßt den Gesamtluftmassenstrom in Richtung Motor. Erst danach erfolgt eine Trennung der Ansaugleitungen zu den beiden Turboladern.

Im Lader wird die Ansaugluft verdichtet und, anders als sonst üblich, über getrennte Rohrleitungen zum Ladeluftkühler geführt. Die Trennung der Ladeluftführung hat den Vorteil, daß die Beeinflussung der Lader durch Druckpulsationen erheblich vermindert wird und Druckverluste im Rohrleitungssystem verringert werden. Die Trennung der Ladeluftführung wird auf den Ladeluftkühler ausgedehnt, weil der Ladeluftkühler mit seinen Rohren, die ihrerseits wieder innenliegende Lamellen aufweisen, weiter zur Beruhigung der Luftströmung beitragen kann. Die gemeinsame Luftströmung hat ihren Anfang am Ladeluftkühleraustritt.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Unterschiede im Druckverlust zwischen der großen Leitungslänge nach dem ersten Lader und der kurzen Leitungslänge nach dem zweiten Lader auszugleichen, indem die zur Luftkühlung zur Verfügung stehenden Rohre des Ladeluftkühlers zu ungleichen Teilen den beiden Leitungssträngen zugeordnet werden. Auf dem Weg zum Motor passiert die Luft dann die Drucksteuerklappe und danach den Rohrkörper des Abgasrückführventils, um anschließend in das Saugrohr und weiter in den Motor zu gelangen.

Um die Vorteile der Stoßaufladung nutzen zu können, wird der Sechszylindermotor gasdynamisch in zwei Dreizylindermotore aufgeteilt, indem die Abgasleitungen der Zylinder 1 bis 3 und 4 bis 6 jeweils in einen Abgaskrümmer zusammengeführt werden, an dessen Enden sich dann die Turbolader befinden.

Die Zündfolge 1-5-3-6-2-4 bewirkt eine wechselseitige, periodische Beaufschlagung der beiden Abgasleitungsstränge. Dadurch ist es möglich, daß die beim Öffnen des Auslaßventils auftretende Druckwelle ohne Störung in Richtung Turbolader laufen kann und dort einen Impuls der Größe m.v an das Turbinenrad weitergibt (Stoßaufladung).

Die Ladedruckregelung und Synchronisation der beiden Lader erfolgt so, daß das Ladedrucksignal aus dem gemeinsamen Saugrohr in zwei äquivalente elektrische Stellgrößen gewandelt wird, die ihrerseits eine gleiche mechanische Verstellung der Leitschaufelapparate in den Turboladern bewirken.

Damit ist die mechanische Synchronisation gewährleistet.

Zur Verringerung der Schadstoffemissionen werden beim Dieselmotor in bestimmten Kennfeldbereichen bis zu 50% des Abgases dem Motor wieder zugeführt. Um diese Mengen überhaupt rückführen zu können, muß beiden Abgassträngen Abgas entnommen werden, wobei der Leitungsquerschnitt möglichst klein gehalten wird, um die für die Stoßaufladung notwendigen Druckverläufe nicht über die Abgasverbindungsleitung zwischen den beiden Abgaskrümmern auszugleichen.

Die Abgasentnahme kann zum einen durch eine die beiden Abgasstränge verbindende Abgasverbindungsleitung und der zum Abgasrückführventil führenden Abgasleitung erfolgen, zum anderen über zwei getrennte Abgasleitungen, die jeweils von den Abgassträngen ausgehend zu den am Ende der Abgasleitungen angeordneten Abgasrückführventile führen.

Für eine erfolgreiche Abgasrückführung ist weiterhin notwendig, daß von der Abgas- zur Saugseite ein positives Druckgefälle herrscht. Nur dann kommt es zu einem Abgasstrom in Richtung Saugrohr. Diese Bedingung ist im Normalfall gegeben, wenn aber trotz vollgeöffnetem Abgasrückführventil nicht ausreichend viel Abgas zurückgeführt werden kann, beginnt die Drucksteuerklappe zu schließen, wodurch ein ein größeres Druckgefälle erzeugt wird und sich ein größeres Abgasvolumen einstellt.

Ausgehend von einer Regelgröße zur Beeinflussung der Abgasrückführrate (PBM-Signal) wird zunächst das Abgasrückführventil immer weiter geöffnet bis zu einem frei wählbaren Hub, danach beginnt die Drucksteuerklappe zu schließen.

Es ist aber auch möglich, daß das Abgasrückführventil sofort vollständig öffnet und die Abgasrückführrate über die Drucksteuerklappe geregelt wird, wobei in diesem Fall die Leitungsquerschnitte von vorn herein kleiner gewählt werden können.

Die thermodynamische Synchronisation kann erreicht werden, indem jeder der beiden Turbolader seine Luft über eine eigenen Luftmassenmesser bezieht. Die Luftführung zu den Ladern wäre demzufolge getrennt ausgeführt.

Die Ladedruckregelstrategie wird auf diese Weise erweitert, indem kontrolliert werden kann, inwieweit die gleiche mechanische Verstellung der Lader auch dazu geführt hat, daß gleiche Luftmassen gefördert werden. Sollte dies nicht der Fall sein, wird die Luftmasse des "Slave"Laders der Luftmasse des "Master"Laders angepaßt. Die Notwendigkeit der Anpassung könnte von einer kurzzeitig wirkenden Störgröße ausgehen oder aus Veränderungen im System über der Betriebszeit erwachsen.

In der Startphase erreicht der Abgaskatalysator erst nach einem gewissen Zeitablauf seine Arbeitstemperatur. Um die Ansprechzeit des Abgaskatalysators zu verkürzen, wird über das Drucksteuerorgan die Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor gedrosselt. Dadurch erfolgt eine Temperaturerhöhung auf der Abgasseite und somit eine Verkürzung der Ansprechzeit des Abgaskatalysators. Besondere Bedeutung hat dies bei der Verwendung von elektrisch beheizbaren Abgaskatalysatoren. Durch die Temperaturerhöhung auf der Abgasseite durch die Einlaßluftdrosselung wird der Abgasturbolader nicht mehr durch ansonsten relativ kühles Abgas heruntergekühlt, so daß die Ansprechtemperatur bereits während der Startphase erreicht wird.

Der letztere Fall ist einfacher beherrschbar, weil ein permanenter Korrekturfaktor für die Verstellung der Lader gefunden werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In den Zeichnung zeigen

Fig. 1 Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit Abgasturboaufladung

Fig. 2 Regelsystem zur Abgasrückführung.

Die Figuren zeigen nur die wesentlichen Elemente, die für das Verständnis notwendig sind.

Ein als Dieselmotor mit sechs in Reihe angeordneten Zylindern ausgebildeter Verbrennungsmotor 1 ist gasdynamisch in zwei Dreizylindermotore aufgeteilt, wobei jedem dieser Dreizylindermotoren ein Abgasturbolader zugeordnet ist. Die Abgasturbolader können als Fest- und/oder Verstellturbolader ausgeführt sein.

Beide Abgasturbolader bestehen aus jeweils einem Verdichter 4 und einer Abgasturbine 3. Die Abgasturbinen 3 der beiden Abgasturbolader sind jeweils über die Abgasstränge 2 mit den Auslässen der gasdynamisch aufgeteilten Dreizylindermotoren verbunden. Die Ausgänge der Abgasturbinen sind über die Abgaskatalysatoren 17 mit Abgasanlage/­ Auspuffanlage verbunden.

Die Verdichter 4 sind über die Ansaugleitungen 5 mit dem Luftfilter 6 und dem dazugehörigem Einlaufdiffusor 15 verbunden. Am Ausgang des Luftfilters 6 ist der Luftmassenmesser 12 angebracht. Die Ausgänge der beiden Verdichter 4 sind über die Leitungsstränge 16 mit dem Ladeluftkühler 8 verbunden.

Der Ladeluftkühler 8 besitzt an seinem Eingang 7 einen vorgesetzten Raum, in dem die vom jeweiligen Verdichter 4 kommenden Stränge 16 enden. Dadurch ist es möglich, die zur Verfügung stehenden Kühlrohre des Ladeluftkühlers 8 zu ungleichen Teilen den Leitungssträngen 16 zuzuordnen, wobei Unterschiede im Druckverlust zwischen den beiden Leitungssträngen 16 ausgeglichen werden. Erst mit dem Ausgang des Ladeluftkühlers 8 wird die Trennung der Ladeluftkühlung aufgehoben.

Die Ladeluftzuführung erfolgt dann über das Drucksteuerorgan 9, dem Abgasrückführventil 11 zum gemeinsamen Saugrohr 10 des Verbrennungsmotors 1. Die Ladeluft wird vom gemeinsamen Saugrohr 10 zu den jeweiligen Einlässen der Zylinder geführt.

In bestimmten Kennfeldbereichen wird zur Senkung der Stickoxidemission Abgas rückgeführt. Dazu wird über Bohrungen den Abgassträngen 2 Abgas entnommen und über die Abgasrückführleitung 14 dem Abgasrückführventil 11 zugeführt. Die Bohrungen sind über die Verbindungsleitung 13 verbunden. (Fig. 1)
Das Regelsystem zur Abgasrückführung ist in Fig. 2 dargestellt.

Ausgehend von einer Regelgröße zur Beeinflussung der Abgasrückführrate, die in der Abgasrück­ führ-Regeleinheit (AGR) verarbeitet werden, wird ein PBM-Signal gebildet. Dies wird der differenzierten Abgasrückführ-Regeleinheit (DAGR) zugeführt. Aufgrund des PBM-Signals wird zunächst das Abgasrückführventil immer weiter geöffnet, bis zu einem frei wählbaren Hub, danach beginnt das als Klappe ausgebildete Drucksteuerorgan 9 zu schließen.

Neben dieser Regelstrategie besteht auch die Möglichkeit, das Abgasrückführventil 11 sofort voll zu öffnen und die Abgasrückführrate über das Drucksteuerorgan 9 zu regeln. Bei dieser Regelstrategie sind die Leitungsquerschnitte von vornherein kleiner ausgeführt.

Claims (15)

1. Nach dem Dieselprinzip arbeitender Verbrennungsmotor mit Abgasturboaufladung mit Ladeluftkühlung und Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasstränge (2) der gasdynamisch in zwei Gruppen zusammengefaßten Zylinder des Verbrennungsmotors (1) mit den Turbinen (3) der Abgasturbolader verbunden sind und die Verdichter (4) der Abgasturbolader mit ihren Ansaugleitungen (5) an den Luftfilter, (6) angeschlossen sind und der Austritt der jeweiligen Verdichter (4) separat mit dem Eingang (7) des Ladeluftkühlers (8) verbunden ist, dessen Ausgang über ein Drucksteuerorgan (9) mit dem Saugrohr (10) des Verbrennungsmotors (1) verbunden ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung nach dem Drucksteuerorgan (9) das Abgasrückführventil (11) angeordnet ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugleitungen (5) zu den Verdichtern (4) der Abgasturbolader nach dem Luftmassenmesser (12) getrennt ausgebildet sind.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugleitungen (5) zu den Verdichtern (4) der Abgasturbolader separat an den Luftfilter (6) angeschlossen sind und jeweils einen Luftmassenmesser (12) aufweisen.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsbereich (7) des Ladeluftkühlers (8) als Luftberuhigungszone ausgelegt ist, deren Eingänge mit den Ausgängen der Verdichter (4) der Abgasturbolader verbunden sind.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Luftkühlung zur Verfügung stehenden Kanäle des Ladeluftkühlers (8) zu ungleichen Teilen den beiden von den Verdichtern (4) kommenden Leitungssträngen (16) zugeordnet sind.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksteuerorgan (9) als Drosselklappe, Schieber oder Blende ausgebildet ist.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß um die für die Stoßaufladung notwendigen Druckverläufe nicht über die Abgasverbindungsleitung (13) zwischen beiden Abgassträngen (2) auszugleichen, ist die Abgasrückführleitung (14) als Leitung mit geringem Querschnitt ausgebildet.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Abgasstränge (2) eine Abgasrückführleitung (14) zugeordnet ist, an deren Enden sich jeweils ein Abgasrückführventil (11) befindet.

10. Verfahren zum Betrieb eines nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungsmotors, bei dem zwei parallel geschaltete, eine Verstelleinrichtung der Leitschaufelapparate aufweisende Abgasturbolader mit einem Verbrennungsmotor über Ladeluft- sowie Abgasleitungen zusammenwirken, mit Ladeluftkühlung und Abgasrückführung dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) gasdynamisch in zwei gleiche Mehrzylindermotore aufgeteilt wird, indem die Abgasleitungen der Zylinder der jeweiligen Mehrzylindermotore in einem Abgasstrang (2) zusammengeführt werden, an dessen Enden sich jeweils eine Turbine (3) der Abgasturbolader befindet, wobei durch die Zündfolge eine wechselseitige, periodische Beaufschlagung der beiden Abgasstränge (2) erfolgt und die Ladeluft ausgehend vom Luftfilter (6) bis zum Ladeluftkühler (8) getrennt über die beiden Abgasturbolader geführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Synchronisation der beiden Abgasturbolader derart erfolgt, daß das Ladedrucksignal aus dem im gemeinsamen Ansaugrohr angeordneten Luftmassenmesser in zwei äquivalente elektrische Stellgrößen gewandelt wird, mittels derer eine gleiche mechanische Verstellung der Leitschaufelapparate in den Turboladern ausgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedruckregelung und die thermodynamische Synchronisation der beiden Abgasturbolader derart erfolgt, daß jeder der beiden Turbolader seine Ansaugluft über ein separates Ansaugrohr bezieht und das Ladedrucksignal aus dem im jeweiligen im Ansaugrohr angeordneten Luftmassenmesser in eine elektrische Stellgröße gewandelt wird, mittels der die mechanische Verstellung der Leitschaufelapparate in den beiden Turboladern ausgeführt wird und die geförderten Luftmassen miteinander verglichen werden, wobei bei abweichenden Luftmassen die Luftmasse des "Slave"Laders der Luftmasse des "Master"Laders durch eine entsprechende Verstellung des Leitschaufelapparates angepaßt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in bestimmten Kennfeldbereichen die Rückführung des Abgases derart erfolgt, daß ausgehend von einer Regelgröße zur Beeinflussung der Abgasrückführrate das Abgasrückführventil (11) stetig bis zu einem frei wählbaren Hub geöffnet wird und daran anschließend das in Strömungsrichtung vor dem Abgasrückführventil (11) angeordnete Drucksteuerorgan (9) stetig in Richtung Schließstellung bewegt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in bestimmten Kennfeldbereichen die Rückführung des Abgases derart erfolgt, daß das Abgasrückführventil (11) schlagartig geöffnet wird und die Abgasrückführrate über den Schließvorgang des Drucksteuerorgans (9) geregelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkürzung der Ansprechzeit der Abgaskatalysatoren (17) in der Startphase das Drucksteuerorgan (9) in Richtung Schließstellung bewegt wird.