DE19833134C1 - Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

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Abstract

Eine aufgeladene Brennkraftmaschine weist einen Verdichter im Ansaugtrakt zur Verdichtung der Ansaugluft und einen Gasspeicher zur Aufnahme komprimierten Gases auf. DOLLAR A Um hohe Motorbremsleistungen und einen guten Wirkungsgrad im befeuerten Betrieb zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß der Verdichter Teil eines Abgasturboladers ist und von einer Turbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine antreibbar ist, wobei der Gasspeicher mit dem Abgasstrang stromauf der Turbine kommuniziert und über ein regelbares Sperrventil absperrbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aufgela­ denen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 196 00 910 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem im Ansaugtrakt angeordneten Luftverdichter bekannt, der mecha­ nisch mit dem Motor gekoppelt ist und von diesem angetrieben wird. Im Normalbetrieb wird die Verbrennungsluft im Verdichter komprimiert und mit erhöhtem Ladedruck dem Ansaugrohr des Mo­ tors zugeführt. Im Bremsbetrieb kann durch Umschalten eines Ventils im Ansaugtrakt die vom Verdichter komprimierte Luft al­ ternativ einem Luftspeicher zugeführt werden, in dem die kom­ primierte Luft zunächst gespeichert wird und in einem sich spä­ ter anschließenden Beschleunigungsvorgang zur Leistungssteige­ rung wieder in den Ansaugtrakt eingespeist wird. Die Speiche­ rung und Rückgewinnung der Bremsenergie erhöht den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
Weitere Einsatzmöglichkeiten, insbesondere zur Steigerung der Motorbremsleistung, sind mit der aus der DE 196 00 910 A1 be­ kannten Brennkraftmaschine nicht möglich.
Aus der gattungsbildenden Druckschrift JP 53-31 015 A ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Gasspeicher zur Auf­ nahme komprimierten Gases bekannt, welches im Beschleunigungs­ betrieb der Brennkraftmaschine in den Abgasstrang stromauf der Turbine zur Steigerung der Turbinenleistung eingespeist wird. Der Gasspeicher wird von dem Verdichter des Turboladers ge­ speist.
Der Gasspeicher ist sowohl mit der Ansaugleitung als auch mit dem Abgasstrang verbunden. Dadurch entsteht der Nachteil, daß für die Koordinierung des Befüllens und des Entladens des Gas­ speichers zusätzlich zum Leitungs- und Ventilaufwand eine Steuerung erforderlich ist, für die eine relativ aufwendige Sensorik benötigt wird. Über die Sensorik müssen die Drücke in der Ansaugleitung, im Gasspeicher und im Abgasstrang ermittelt werden, damit in allen Phasen des befeuerten Motorbetriebs die erforderlichen Druckdifferenzen für Befüllen und Entladen des Gasspeichers nutzbar sind.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein einfaches Verfah­ ren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Gasspeicher anzugeben, das hohe Motorbremsleistungen ermög­ licht. Es soll auch die Möglichkeit gegeben sein, die Antriebs­ leistung im befeuerten Betrieb zu steigern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.
Durch die Kombination des Abgasturboladers mit dem Gasspeicher wird sowohl im befeuerten Betrieb als auch im Motorbremsbetrieb eine Leistungssteigerung erzielt, mithin eine Steigerung des Wirkungsgrades erreicht. Der Gasspeicher wird vom Abgas strom­ auf der Turbine gespeist; der in diesem Abschnitt anliegende Abgasgegendruck übersteigt insbesondere im Motorbremsbetrieb den Ladedruck, so daß ein erhebliches Energiepotential zur Ver­ fügung steht, das im Gasspeicher gespeichert wird und in späte­ ren Fahrsituationen abgerufen werden kann.
Der Abgasmassenstrom zwischen dem Leitungsabschnitt des Ab­ gasstrangs stromauf der Turbine und dem Gasspeicher ist über ein Sperrventil in der Verbindungsleitung zwischen dem Ab­ gasstrang und dem Gasspeicher regelbar. Die Regelung erlaubt ein Auffüllen des Gasspeichers während Fahrsituationen und Mo­ tor-Betriebszuständen, in denen eine Verringerung des Abgasge­ gendrucks durch die Beladung des Gasspeichers keine unerwünsch­ ten Auswirkungen zur Folge hat. Die Beladung kann sowohl im be­ feuerten Betrieb als auch im Motorbremsbetrieb erfolgen, und zwar bevorzugt in Phasen, in denen das Abtriebsmoment geringer ist als das erzeugte Motormoment bzw. Motorbremsmoment und in denen außerdem der Abgasgegendruck höher ist als der Druck im Gasspeicher. Die überschüssige, im Motor erzeugte Energie - ein Teil der Exergie des Abgases - wird zur Aufladung des Gasspei­ chers genutzt. Die überschüssige Energie entsteht im befeuerten Betrieb beispielsweise im Übergang von Berg- zu Talfahrt und im Motorbremsbetrieb im Übergang von Tal- zu Bergfahrt. Durch die Rückgewinnung der Abgasexergie wird der Wirkungsgrad der Brenn­ kraftmaschine erhöht.
Der Gasspeicher kann aber auch in allen anderen Phasen beladen werden, solange gewährleistet ist, daß der Abgasgegendruck hö­ her ist als der Druck im Gasspeicher. In diesen Phasen wird ein Teil der Motorleistung bzw. der Motorbremsleistung zur Beschic­ kung des Gasspeichers verwendet.
Das Abgas im Gasspeicher kann in Phasen, in denen der Abgasge­ gendruck geringer ist als der Druck im Gasspeicher und in denen darüberhinaus eine höhere Motorleistung bzw. eine höhere Motor­ bremsleistung gewünscht wird, aus dem Gasspeicher in das Lei­ tungssystem zurückgeführt werden, wobei der aus dem Gasspeicher abgeleitete Massenstrom über das regelbare Sperrventil kontrol­ lierbar ist.
Eine Rückführung des Abgases in den Leitungsabschnitt stromauf der Turbine kommt zweckmäßig in den Motorbremsphasen, insbeson­ dere zu Beginn einer Motorbremsphase, zur Erhöhung der Brems­ leistung und/oder zum schnelleren Aufbau eines Motorbremsmo­ ments in Betracht. Die zusätzliche Einspeisung des unter erhöh­ ten Drucks stehenden Abgases liefert einen zusätzlichen Drall zum Antrieb der Rotormasse der Turbine, wodurch die Trägheit des Turbinenläufers schneller überwunden wird und in kürzerer Zeit eine höhere Turbinenleistung erzielt werden kann, die auf den Verdichter übertragen wird und zu einem schnelleren Lade­ druckaufbau führt. Insbesondere im unteren Drehzahlbereich zu Beginn einer Motorbremsphase wird durch das zusätzliche Abgas schneller Motorbremsleistung aufgebaut.
Durch die zusätzliche Einspeisung des Abgases in den Ab­ gasstrang können Abgasturbolader mit höheren Rotormassen ver­ wendet werden, die einen besseren Wirkungsgrad mit günstigem Verbrauch erlauben. Die größere Trägheit der Rotormassen wird durch das zusätzliche Abgas kompensiert, wobei neben dem Druck auch die hohe Abgastemperatur für die Steigerung der Turbinen­ leistung verantwortlich ist.
In vorteilhafter Weiterbildung kommuniziert der Gasspeicher zu­ sätzlich zum Leitungsabschnitt stromauf der Turbine auch mit dem Ansaugtrakt. In dieser Ausführung, die einer Abgasrückfüh­ rung entspricht, ist der Gasspeicher über eine Verbindungslei­ tung mit der Ansaugleitung stromauf des Verdichters verbunden, wobei die Verbindungsleitung regelbar abgesperrt bzw. geöffnet werden kann. Die Verbindung zum Ansaugtrakt eröffnet die Mög­ lichkeit, die Speichergasmenge im Motorbremsbetrieb praktisch ohne Zeitverlust den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzufüh­ ren und dadurch den Ladedruck zu erhöhen, wodurch die Zylinder mit zusätzlicher Luftmasse beschickt werden und die Bremslei­ stung erhöht wird. Um eine thermische Überlastung eines dem Verdichter nachgeschalteten Ladeluftkühlers zu vermeiden, wird das Speichergas vorteilhaft vor der Einspeisung in den Ansaug­ trakt gekühlt.
Der Gasspeicher kann zeitgleich zur Einspeisung in den Ansaug­ trakt über die Verbindungsleitung mit dem Leitungsstrang strom­ auf der Turbine wieder mit Abgas aus dem Motor befüllt werden.
Gegebenenfalls kann bei der Einspeisung des Speicherinhalts in den Ansaugtrakt der Verdichter kurzzeitig als Antrieb für die Turbine genutzt werden, um das Hochfahren der Turbine aus nie­ deren Drehzahlen heraus zu beschleunigen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann der Gasspeiche­ rinhalt auch zur Erhöhung der Motorleistung und/oder zur Abgas­ reduzierung im befeuerten Betrieb herangezogen werden, indem im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere in Beschleu­ nigungsphasen bzw. im Teillastbereich, der Speicherinhalt in den Ansaugtrakt eingeleitet wird. Neben einer Steigerung des Ladedrucks wird auch eine Nachverbrennung unverbrannter Abgas­ partikel erreicht.
Besonders vorteilhaft läßt sich der Gasspeicher und der Betrieb des Gasspeichers mit einem Abgasturbolader kombinieren, dessen Turbine mit einer variabel einstellbaren Turbinengeometrie aus­ gestattet ist. Der Einsatz einer Turbine mit variabel einstell­ barer Geometrie ermöglicht hohe Bremsleistungen im Motorbrems­ betrieb. Im Motorbremsbetrieb wird die Turbine in eine den Dü­ senquerschnitt der Turbine reduzierende Staustellung überführt, wodurch ein erhöhter Abgasgegendruck erzielt wird. Das Abgas strömt mit hoher Geschwindigkeit durch Kanäle zwischen Leit­ schaufeln der Turbinengeometrie und beaufschlagt das Turbinen­ rad, das den Verdichter antreibt, woraufhin im Ansaugtrakt ein Überdruck aufgebaut wird. Dadurch wird der Zylinder eingangs­ seitig mit erhöhtem Ladedruck beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein Überdruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Dekompressionsventile in den Abgasstrang hinein ent­ gegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb muß der Kolben im Verdich­ tungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Brems­ wirkung erreicht wird. Der erhöhte Abgasgegendruck kann zur Speisung des Gasspeichers genutzt werden.
Zur Regelung des Gasspeichers, insbesondere zur Befüllung und Entladung des Gasspeichers in den unterschiedlichen Betriebszu­ ständen im Zusammenspiel mit der Einstellung der variablen Tur­ binengeometrie, ist bevorzugt ein Regler vorgesehen, der Stell­ signale zur Einstellung der Sperrventile in den vom Gasspeicher abzweigenden Verbindungsleitungen erzeugt. Die Phasen, in denen eine Befüllung oder Entleerung des Gasspeichers erfolgt, können in Kennfeldern des Reglers in Abhängigkeit von Motor- Betriebsparametern wie Ladedruck, Abgasgegendruck, Motordreh­ zahl und Motormoment abgelegt werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Gasspeicher schematisch dargestellt ist.
Die Brennkraftmaschine 1, insbesondere die Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, weist einen Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 im Abgasstrang 6 und einen Verdichter 4 im Ansaug­ trakt 7 auf. Die Turbine 3 ist als Axialschieberturbine mit va­ riabel einstellbarer Turbinengeometrie in Form eines axial ver­ schieblichen Leitgitters 5 ausgestattet. Die Turbine 3 wird von den unter dem Abgasgegendruck p3 stehenden Abgasen im Ab­ gasstrang 6 zwischen dem Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine und dem Turbineneinlaß angetrieben und treibt ihrerseits über eine Welle den Verdichter 4 an, der die mit Atmosphärendruck p1 angesaugte Frischluft auf einen erhöhten Druck p2 verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einem Ladeluftkühler 8 stromab des Verdichters 4 gekühlt und anschließend mit dem Ladedruck p2S dem Saugrohr der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Der erhöhte Ladedruck führt zu einer Steigerung der Motorantriebsleistung.
Der Abgasturbolader 2 kann auch im Motorbremsbetrieb zur Erzeu­ gung von Motorbremsleistung genutzt werden. Das axial ver­ schiebliche Leitgitter 5 der Turbine 3 wird hierfür in eine Staustellung überführt, in der der wirksame Turbineneintritts­ querschnitt reduziert ist. Daraufhin baut sich ein erhöhter Ab­ gasgegendruck auf, das Abgas strömt mit erhöhter Geschwindig­ keit durch Kanäle zwischen den Leitschaufeln des Leitgitters 5 und trifft auf das den Verdichter 4 antreibende Turbinenrad, wodurch im Ansaugtrakt 4 ein Überdruck aufgebaut wird. Zugleich werden Bremsventile am Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine 1 geöffnet, so daß die im Zylinder verdichtete Luft in den Ab­ gasstrang 6 abgeblasen werden kann.
Die Bremsleistung kann durch die Position des Leitgitters 5 und der daraus resultierenden Einstellung des Turbineneintritts­ querschnitts beeinflußt werden.
Anstelle eines axial verschieblichen Leitgitters kann die va­ riable Turbinengeometrie auch durch drehbare Schaufeln reali­ siert sein. Die Querschnittseinstellung wird in diesem Fall durch Drehung der Schaufeln bewerkstelligt.
Alternativ hierzu kann die Turbine mit einer Klappe im Eintritt und stromauf des Eintritts abgehenden Beschleunigungskanälen, die unmittelbar hinter dem offenen Turbinenrücken enden, ausge­ stattet sein. Auch in dieser Ausführung ist der das Turbinenrad beaufschlagende Abgasstrom einstellbar.
Weiterhin ist eine Abblasevorrichtung 9 mit einem Abblaseventil 10 in einer Umgehungsleitung 11 zur Überbrückung der Turbine 3 vorgesehen. Bei geöffnetem Abblaseventil 10 wird zumindest ein Teil des Abgases stromauf der Turbine 3 über die Umgehungslei­ tung 11 in den Leitungsabschnitt des Abgasstrangs stromab der Turbine geleitet. Insbesondere im Motorbremsbetrieb wird ober­ halb einer Motor-Grenzdrehzahl das Abblaseventil 10 geöffnet, um zur Begrenzung der Motorbremsleistung einen Teilmassenstrom des Abgases vor der Turbine 3 auszuleiten und über die Umge­ hungsleitung 11 stromab der Turbine wieder in den Abgasstrang 6 einzuführen. Das Abblaseventil 10 ist zweckmäßig als ladedruck­ gesteuerter Drehschieber ausgebildet, dem über eine Übertra­ gungsleitung 12 der Ladedruck p2 stromab des Verdichters 4 als Steuerdruck zuführbar ist.
Über eine Verbindungsleitung 13, in der ein Sperrventil 14 ab­ geordnet ist, kommuniziert ein Gasspeicher 15 mit dem Leitungs­ abschnitt des Abgasstrangs 6 zwischen dem Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine und der Turbine 3. Der Gasspeicher 15 kann aus dem Abgasstrang 6 Abgas aufnehmen bzw. in diesen abgeben.
Über eine weitere Verbindungsleitung 16 mit einem Sperrventil 17 ist der Gasspeicher 15 mit einem Leitungsabschnitt des An­ saugtrakts 7 stromauf des Verdichters 4, jedoch stromab eines Rückschlagventils 18 verbunden. Bei geöffnetem Sperrventil 17 strömt unter Überdruck stehendes Abgas aus dem Gasspeicher 15 in den Ansaugtrakt 7 und wird weiter durch den Verdichter 4 ge­ leitet. Um eine thermische Überlastung des Verdichters 4 zu verhindern, wird das Abgas vor der Einleitung in den Ansaug­ trakt zunächst im Gasspeicher 15 gekühlt, der hierfür einen Wärmetauscher zur Ableitung eines Wärmestroms dQ aufweist. Das Rückschlagventil 18 verhindert, daß das unter Überdruck stehen­ de Abgas entgegen der Ansaugrichtung im Ansaugtrakt in die At­ mosphäre abgeleitet wird.
Über eine dritte Verbindungsleitung 19, in der ein Sperrventil 20 angeordnet ist, ist der Gasspeicher 15 mit einem Bordspei­ cher 21 verbunden, über den ein Druckluftnetz versorgt wird und der von einem motorbetriebenen Bordkompressor 22 gespeist wird. Der Gasspeicher 15 kann zur Unterstützung des Bordspeichers 21 herangezogen werden, der dementsprechend kleiner dimensioniert werden kann. Gegebenenfalls kann der Gasspeicher 15 vollständig die Funktion des Bordspeichers übernehmen, so daß auf den Bordspeicher verzichtet werden kann.
Über einen Regler 23 können die verschiedenen Funktionen der Bauteile, insbesondere das Zusammenspiel des Gasspeichers 15 und des Abgasturboladers 2, geregelt werden. Der Regler 23 weist diverse Signalleitungen 24 bis 29 auf, über die dem Reg­ ler Eingangssignale zugeführt bzw. über die Stellsignale vom Regler übertragen werden. Über die Signalleitung 24 erhält der Regler 23 als Eingangssignal den aktuellen Druck im Gasspeicher 15. Über die Signalleitung 28 werden dem Regler 23 als Ein­ gangssignale Zustandsgrößen und Parameter des Brennkraftmaschi­ ne 1 übermittelt, beispielsweise die Motordrehzahl und das Mo­ tormoment. Über die Signalleitung 25 wird ein im Regler erzeug­ tes Stellsignal zum Sperrventil 14 zur Einstellung des Quer­ schnitts der Verbindungsleitung 13 zwischen dem Abgasstrang 6 und dem Gasspeicher 15 übertragen; entsprechende Signalleitun­ gen 26 und 29 übertragen Stellsignale zu den Sperrventilen 20 bzw. 17. Schließlich ist eine Signalleitung 27 mit dem Bordkom­ pressor 22 verbunden, um die Leistung des Bordkompressors in Abhängigkeit des Drucks im Gasspeicher 15 und des Drucks im Bordspeicher 21 zu koordinieren.
Auch das Leitgitter 5 der Turbine 3 und das Abblaseventil 10 der Abblasevorrichtung 9 werden zweckmäßig mittels Stellsigna­ len des Reglers 23 eingestellt.
Wenn der Abgasgegendruck p3 den Druck im Gasspeicher 15 über­ steigt, kann das Sperrventil 14 geöffnet und der Gasspeicher befüllt werden. Die Befüllung des Gasspeichers kann sowohl im befeuerten Betrieb als auch im Motorbremsbetrieb vorgenommen werden, wobei im Motorbremsbetrieb wegen des über die variable Turbinengeometrie verjüngten Turbineneintrittsquerschnitts der Abgasgegendruck erhöht ist und daher höhere Drücke im Gasspei­ cher 15 erzielt werden können. Das Sperrventil 14 wird läng­ stens solange offen gehalten, bis ein Druckausgleich zwischen dem Abgasstrang stromauf der Turbine und dem Gasspeicher er­ reicht worden ist.
Auch die Rückführung des Abgases aus dem Gasspeicher 15 kann sowohl im befeuerten Betrieb als auch im Motorbremsbetrieb er­ folgen, wobei sowohl in den Ansaugtrakt 7 als auch in den Ab­ gasstrang 6 rückgeführt werden kann. Es werden in jedem Fall Motor- bzw. Motorbrems-Leistungssteigerungen durch die Drucker­ höhung und daraus resultierender Leistungssteigerung des Ver­ dichters bzw. der Turbine, die sich in einem erhöhten Ladedruck bzw. Abgasgegendruck niederschlagen, erzielt.
Es kann zweckmäßig sein, als Sperrventil (14) ein Flatterventil vorzusehen, das hohe Druckpulsationsspitzen des Abgasgegen­ drucks in den Speicher (15) durchläßt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, die einen Abgasturbolader (2) mit einem Verdichter (4) in einem Ansaugtrakt (7) und einer Turbine (3) in einem Abgasstrang (6) sowie einen Gasspeicher (15) zur Aufnahme komprimierten Gases aufweist, wobei der Gasspeicher (15) in Abhängigkeit des Be­ triebszustandes der Brennkraftmaschine aufgeladen oder entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspeicher (15) durch den Abgasgegendruck (p3) stromauf der Turbine (3) mit Abgas gefüllt wird, welches beim Entladen des Gasspeichers (15) zusätzlich den Abgasturbolader (2) an­ treibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Entladen des Gasspeichers (15) dessen Speicherinhalt dem Abgasstrang (6) stromauf der Turbine (3) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Entladen des Gasspeichers (15) dessen Speicherinhalt dem Verdichter (4) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspeicher (15) im Motorbremsbetrieb entladen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspeicher (15) im befeuerten Betrieb entladen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas bei Erreichen eines Abgasgegendruck-Grenzwerts in den Gasspeicher (15) geleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorbremsbetrieb der wirksame Turbineneintrittsquer­ schnitt zur Erhöhung des Abgasgegendrucks (p3) verringert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen eines Abgasgegendruck-Grenzwerts das Abgas im Abgasstrang (6) stromauf der Turbine (3) abgeblasen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas bei Erreichen des Abgasgegendruck-Grenzwerts in einen Leitungsabschnitt des Abgasstrangs (6) stromab der Turbi­ ne (3) abgeblasen wird.
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