DE19837978B4 - Turboaufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Turboaufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit
1.1 einer Hochdruckstufe (20) mit einer Hochdruckturbine (21) und einem Verdichter (22),
1.2 einer Niederdruckstufe (30) mit einer der Hochdruckturbine (21) nachgeschalteten Niederdruckturbine (31) und einem Verdichter (32),
1.3 Rohrleitungen (60...64), die die Einlassseite der Hochdruckturbine (21) mit der Abgasseite (12) der Brennkraftmaschine (10) und die Einlassseite der Niederdruckturbine (31) mit der Auslassseite der Hochdruckturbine (21) verbinden,
1.4 einem die Abgasseite (12) der Brennkraftmaschine (10) mit der Einlassseite der Niederdruckturbine (31) verbindenden Bypasskanal (24, 24a, 24b) mit einem Rohrschalter (70, 71),
1.5 Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern (a1...an) der Brennkraftmaschine (10), und
1.6 einem mit Signalen der Sensoren beaufschlagten Prozessor (80) zur Betätigung des Rohrschalters (70, 71) derart, dass variable Teilströme des gesamten Abgasmassenstroms auf die Hochdruckturbine (21) und die Niederdruckturbine (31) verteilt werden,
1.7 wobei die Hochdruckturbine (21) immer ein minimaler Abgasmassenstrom durchströmt, so dass sich diese...

Description

  • Bei einer in DE 195 14 572 A1 offenbarten Brennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung sind in einer Turboladergruppe eine Hochdruckstufe und eine Niederdruckstufe im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in Reihe geschaltet. Das Abgas durchströmt zunächst die Hochdruckturbine und anschließend die Niederdruckturbine, so dass die Ladeluft wird zunächst vom Niederdruckverdichter und anschließend vom Hochdruckverdichter verdichtet und nach Abkühlung in einem Wärmetauscher der Frischgasseite der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Bei steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine kann auf einstufige Verdichtung ausschließlich im Niederdruckverdichter umgeschaltet werden, indem mittels Rohrschaltern die Hochdruckturbine und der Hochdruckverdichter umgangen werden.
  • Auch bei der in DE 39 03 563 C1 offenbarten Brennkraftmaschine ist eine Umschaltung von zwei- auf einstufige Aufladung mittels eines zwischen der Austrittsseite und der Hochdruckturbine angeordneten Rohrschalters vorgesehen.
  • Bei einer derartigen umschaltbaren Aufladung muss bei häufig gewünschten schnellen Last- und Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine sehr oft zwischen ein- und zweistufiger Betriebsweise der Ladegruppe umgeschaltet werden, woraus sich Einbußen im Fahrkomfort, nämlich unstetiges Beschleunigungs- und Bremsleistungsverhalten, ergeben können.
  • Aus DE 41 20 055 C2 ist eine tuboaufgeladene Brennkraftmaschine mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 angegebenen Merkmalen bekannt. Die Steuerung der bekannten Maschine erfolgt derart, dass bei niedriger Last und niedriger Motordrehzahl, d.h. im Bereich I des Diagramms nach 5 dieser Druckschrift, die Hochdruckturbine, bei hoher Last und hoher Motordrehzahl, d.h. im Bereich III, dagegen die Niederdruckturbine arbeitet.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7 zu optimieren.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass die Hochdruckturbine in bekannter Weise ständig wenigstens in einem gewissen Maße durchströmt ist und somit umläuft, ist sichergestellt, dass im Beschleunigungsfall ein Mindest-Ladedruck vorhanden ist und die Drehzahl der Hochdruckturbine sich auf einem günstigen Ausgangsniveau befindet. Ferner lassen sich die einzelnen Abgas-Masseströme durch die erfindungsgemäßen Schaltungen mit Hilfe des Prozessars und der Rohrschalter im jeweils gewünschten Maße der Hochdruckturbine, der Niederdruckturbine und gegebenenfalls der Frischgasseite zuleiten, so dass eine Optimierung der Betriebsweise der Maschine im Hinblick auf minimalen Kraftstoffverbrauch und/oder auf minimale Schadstoffemission optimiert werden kann.
  • Bei entsprechender Last und zunehmender Drehzahl der Maschine ist somit ein schnelles Ansprechen der Hochdruckturbine gewährleistet, indem die Expansionsarbeit in Richtung der Hochdruckturbine verschoben wird, d.h. durch weitgehendes Schließen des Bypasskanals mittels Rohrschalter der größte Anteil des Abgasstromes der Hochdruckturbine zugeführt wird. Sind bei niedriger Last und kleinen Abgasmassenströmen ein in diesem Betriebsbereich verbrauchsgünstige geringe Lade- und vor allem Abgasgegendrücke erwünscht, so erfolgt unabhängig von der Drehzahl der Maschine durch Öffnen des Bypasskanals die Expansionsarbeit des Abgases größtenteils in der Niederdruckturbine und gegebenenfalls durch entsprechendes Stellen des Rohrschalter über die Abgasrückführung.
  • Verknüpft mit einer Motorelektronik, die die Betriebsparameter der Maschine, wie beispielsweise Drehzahl, Massenströme, Ladedrücke und Ladelufttemperaturen, erfasst, lassen sich in jedem Betriebspunkt der Maschine die Rohrschalter im Sinne einer verbrauchs- oder aber schadstoffminimalen Betriebsweise steuern. In der Regel wird ein Kompromiss zwischen verbrauchs- und schadstoffminimalem Betrieb erforderlich sein. Je nach Umgebungszustand, Lastzustand und Drehzahl erfolgt dabei eine zieloptimierte Aufteilung des Abgasmassenstroms auf die Frischgasseite, Hochdruckturbine und Niederdruckturbine.
  • Weitere Vorteile sind darin zu sehen, dass aufgrund der möglichen Verteilung des Abgasstromes die Betriebslinien in den Hochdruck- und Niederdruck-Verdichterkennfeldern so verlaufen, dass zum einen hohe Verdichterwirkungsgrade erreicht werden und zum anderen ein Pumpen auch unter extremen Bedingungen praktisch ausgeschlossen wird.
  • Die genannte Aufgabe wird auch durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
  • Danach ist mindestens eine der beiden Turbinen – vorzugsweise die Hochdruckturbine – mit variabler Turbinengeometrie, etwa mit verstellbaren Leitschaufeln, ausgeführt, so dass der die Abgasseite der Brennkraftmaschine mit der Eintrittsseite der Niederdruckturbine verbindende Bypasskanal entfallen kann. In diesem Fall durchsetzt zwar der gesamte Massenstrom die Hochdruckturbine, lässt sich jedoch in seiner Wirkung verstellen.
  • Zusätzlich kann eine die Hochdruckturbine umgehende Bypassleitung mit einem Rohrschalter vorgesehen werden. Auch hierbei wird der Leitapparat stets ein wenig offen sein, so dass zuverlässig wenigstens ein minimaler Abgasmassenstrom durch die Hochdruckturbine strömt, stets wenigstens ein minimaler Ladedruck vorhanden ist und die Drehzahl der Hochdruckturbine sich auf einem günstigem Ausgangsniveau befindet. Mittels des Rohrschalters hat man eine zusätzliche Einflussnahmemöglichkeit.
  • Jedenfalls wird der Vorteil erzielt, dass in sehr feinfühliger Weise auf unterschiedliche Betriebsparameter der Brennkraftmaschine eingegangen werden kann.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1a ein Schaltbild der Abgas- und Frischgasführung einer zweistufig aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit paarweiser Bypassführung,
  • 1b ein Schaltbild der Abgasführung einer zweistufig aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit gemeinsamer Bypassführung,
  • 2 ein Schaltbild der Abgasführung einer zweistufig aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit paarweiser Bypassführung für zweiflutige Niederdruckturbinen,
  • 3 ein Schaltbild der Abgas- und Frischgasführung nach 1a mit Niederdruck-Bypasseinrichtung,
  • 4 ein Schaltbild der Abgas- und Frischgasführung einer zweistufig aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine in V-Bauweise,
  • 5 und 6 weitere Schaltbilder, bei denen als Hochdruckturbinen Turbinen mit variabler Turbinengeometrie verwendet werden,
  • 7 ein Schaltbild ähnlich 3 mit einer Bypassleitung zum Umfahren des Hochdruckverdichters.
  • Die in 1a gezeigte, sechszylindrige Diesel-Brennkraftmaschine 10 in Reihenbauweise wird über eine Turboladergruppe zweistufig aufgeladen. Hierzu ist eine Hochdruckstufe 20 einer einflutigen Niederdruckstufe 30 vorgeschaltet. Über die von der Hochdruckturbine 21 und Niederdruckturbine 31 angetriebenen Verdichter 22 bzw. 32 wird Frischluft verdichtet, in den beiden Ladeluftkühlern 40 abgekühlt, zu einem bestimmten Anteil (≥ 0) mit Abgas aus einer Abgasrückführung (AGR) 50 vermischt und der Frischgasseite 11 der Maschine 10 zugeführt. Der Turbinenlaufraddurchmesser der Niederdruckturbine 31 ist größer als der der Hochdruckturbine 21, wobei das Laufraddurchmesserverhältnis dL,ND/dL,HD zwischen Niederdruck- und Hochdruckturbine 1,2 bis 1,8 beträgt. Die beiden Fluten 23a, 23b der zweiflutig ausgeführten Hochdruckturbine 21 sind eintrittsseitig jeweils über eine separate Rohrleitung 60, 61 mit der Abgasseite 12 der Maschine verbunden. Austrittsseitig sind die Fluten 23a, 23b mit einer gemeinsamen Rohrleitung 62 verbunden, die eintrittsseitig mit der einflutig ausgeführten Nieder druckturbine 31 verbunden ist. Es versteht sich, dass einer der beiden Ladeluftkühler 40 auch entfallen kann.
  • Zur optimalen Anpassung der Turboladergruppe an die Betriebszustände der Maschine 10 ist je Flut 23a, 23b der Hochdruckturbine 21 ein Bypasskanal 24a bzw. 24b in symmetrischer Schaltung vorgesehen. Diese zweigen jeweils von den als Abgaskrümmer ausgeführten, separaten Rohrleitungen 60 bzw. 61 ab umgehen die Hochdruckturbine 21 und münden zur gleichen Beaufschlagung der einflutigen Niederdruckturbine 31 in der gemeinsamen Rohrleitung 62. Jeder Bypasskanal 24a, 24b ist mit einem stromabwärts der Abzweigung angeordneten Rohrschalter 70 bzw. 71 versehen. Diese sind im Abgaskrümmer oder im Gehäuse der Hochdruckturbine integrierbar und können als Schieber, Ventil, Klappe oder dgl. ausgeführt sein und über einen Prozessor 80 sowohl einzeln oder auch gemeinsam angesteuert werden.
  • Die Abgasrückführung 50 führt Abgas hinter dem Verdichter 22 zurück. Die rückgeführte Abgasmenge kann aber auch an jedem anderen Punkt der Frischgasseite zugeführt werden. Es können bis zu 50% oder mehr Abgas der Frischgasseite zugeführt werden.
  • Mittels der Rohrschalter 70, 71 können zum einen die Bypasskanäle 24a, 24b geschlossen und zum anderen bei geöffneten Bypasskanälen 24a, 24b Teilströme in erforderlichem Verhältnis auf die Niederdruckturbine 31 und die Abgasrückführung 50 verteilt werden (AGR-Rate ≥ 0).
  • Weiterhin sind zur Steuerung in Abhängigkeit von Betriebsparametern a1...an die Rohrschalter 70, 71 und ein in der Abgasrückführung 50 vorgesehener (nicht gezeigter) Rohrschalter an den Prozessor 80 angeschlossen, der für eine optimale Aufteilung des Abgasmassenstroms sorgt. Durch die mögliche Einstellung unterschiedlicher Strömungsmengen durch die Bypasskanäle 24a, 24b erhält man einen weiteren Freiheitsgrad zur Aufteilung der gesamten Abgasmasse.
  • Eine alternative Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10 ist in 1b gezeigt; diese unterscheidet sich von der Variante nach 1a in der Ausführung der Turboladergruppe. Hier sind die beiden Fluten 23a, 23b der Hochdruckturbine 21 austrittsseitig über Rohrleitungen 63, 64 an die gemeinsame Rohrleitung 62 stromabwärts der Mündungsstelle 65 der beiden Bypasskanäle 24a, 24b angeschlossen.
  • Eine dritte Variante der Brennkraftmaschine 10 ist in 2 dargestellt. Dort ist auch die Niederdruckturbine 31 zweiflutig ausgeführt. Die beiden Fluten 33a, 33b der Niederdruckturbine 31 werden jeweils von einer separaten Rohrleitung 62a bzw. 62b beaufschlagt, so dass eine ungleiche Beaufschlagung der Niederdruckturbine 31 möglich ist. Auch die Bypasskanäle 24a, 24b sind jeweils einer Flut 33a bzw. 33b zugeordnet und wie die Fluten 23a, 23b der Hochdruckturbine 21 jeweils separat an die separaten Rohrleitungen 62a bzw. 62b angeschlossen.
  • Die in 3 zu sehende Brennkraftmaschine 10 weist eine mit einer Bypassleitung 34 versehene Niederdruckturbine 31 auf, die zur Optimierung der Vorverdichtung mittels eines Rohrschalters 72 in Abhängigkeit von den Betriebsparametern a1...an steuerbar ist. Dies ist insbesondere für Pkw-Anwendungen interessant, bei denen z. B. wegen Bauraumproblemen auf eine Kühlung der Verdichterluft zwischen Hochdruckverdichter 22 und Niederdruckverdichter 32 verzichtet werden muss. Hierdurch lässt sich im Bereich der Nennleistung der Maschine 10 die Vorverdichtung durch die Niederdruckstufe 30 auf ein gewünschtes Maß begrenzen.
  • Durch die Bypassleitung 34 mit Rohrschalter 72 ist es möglich, eine sehr kleine Niederdruckturbine 31 zu verwenden. Damit sind höhere Bremsleistungen im Motorschiebebetrieb möglich. Außerdem lässt sich das Beschleunigungsverhalten des Motors verbessern. Ferner lassen sich der Lade- und Abgasgegendruck in bestimmten Betriebsbereichen weiter verringern. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zusätzlich gesteigert.
  • 4 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10, die hier in V8-Bauweise ausgeführt ist. Jeder Zylinderbank 13a, 13b ist eine separate Hochdruckstufe 20 zugeordnet. Die einflutig ausgeführten Hochdruckturbinen 21 sind mit einem Bypasskanal 24 samt Rohrschalter 70 versehen. Abgasseitig sind die beiden Hochdruckturbinen 21 mit dem Eingang der gemeinsamen Niederdruckturbine 31 verbunden. Durch die mögliche Einstellung unterschiedlicher Bypassraten der beiden Hochdruckstufen 20 erhält man auch hier einen weiteren Freiheitsgrad zur Aufteilung der gesamten Abgasmasse. Mittels der Rohrschalter 70 ist, wie zuvor beschrieben, eine Aufteilung des Abgasstromes auf Hochdruckturbine 21, Niederdruckturbine 31 und Abgasrückführung 50 möglich.
  • Grundsätzlich kann jede Turbine einflutig, zweiflutig oder mit variabler Turbinengeometrie, insbesondere mit einem Leitapparat mit verstellbaren Leitschaufeln, ausgebildet sein. In den Schaltbildern nach 5 und 6 sind solche Turbinen mit variabler Geometrie mit "VTG" bezeichnet.
  • Das in 7 gezeigte Schaltbild ist ähnlich jenem gemäß 3. Es enthält jedoch eine Bypassleitung 86 zum Umfahren des Hochdruckverdichters 22. In der Bypassleitung 86 ist ein Rohrschalter 87 angeordnet. Diese Ausführungsform zeigte bei einem Pkw-Dieselmotor deutliche Verbesserungen bezüglich Motorleistung, Kraftstoffverbrauch und Emissionen im oberen Drehzahlbereich. Der technische Mehraufwand im Vergleich zum erzielbaren Nutzen ist relativ gering.

Claims (13)

  1. Turboaufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit 1.1 einer Hochdruckstufe (20) mit einer Hochdruckturbine (21) und einem Verdichter (22), 1.2 einer Niederdruckstufe (30) mit einer der Hochdruckturbine (21) nachgeschalteten Niederdruckturbine (31) und einem Verdichter (32), 1.3 Rohrleitungen (60...64), die die Einlassseite der Hochdruckturbine (21) mit der Abgasseite (12) der Brennkraftmaschine (10) und die Einlassseite der Niederdruckturbine (31) mit der Auslassseite der Hochdruckturbine (21) verbinden, 1.4 einem die Abgasseite (12) der Brennkraftmaschine (10) mit der Einlassseite der Niederdruckturbine (31) verbindenden Bypasskanal (24, 24a, 24b) mit einem Rohrschalter (70, 71), 1.5 Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern (a1...an) der Brennkraftmaschine (10), und 1.6 einem mit Signalen der Sensoren beaufschlagten Prozessor (80) zur Betätigung des Rohrschalters (70, 71) derart, dass variable Teilströme des gesamten Abgasmassenstroms auf die Hochdruckturbine (21) und die Niederdruckturbine (31) verteilt werden, 1.7 wobei die Hochdruckturbine (21) immer ein minimaler Abgasmassenstrom durchströmt, so dass sich diese ständig dreht, dadurch gekennzeichnet, dass 1.8 der Prozessor den Rohrschalter (70, 71) derart betätigt, dass bei geringer Last der Brennkraftmaschine (10) unabhängig von ihrer Drehzahl die Expansionsarbeit durch Öffnen des Bypasskanals (24, 24a, 24b) größtenteils auf die Niederdruckturbine (31) verlagert wird.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckturbine (21) zweiflutig ausgeführt ist und jede Flut (23a, 3b) eine separate Rohrleitung (60, 61) zur Verbindung mit der Abgasseite (12) der Brennkraftmaschine (10) aufweist, wobei von den Rohrleitungen (60, 61) jeweils ein Bypasskanal (24a, 24b) abzweigt.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass jedem Bypasskanal (24a, 24b) ein Rohrschalter (70, 71) zugeordnet ist und die Rohrschalter (70, 71) zur Verteilung der Teilströme auf die Niederdruckturbine (31) und die Hochdruckturbine (21) einzeln oder gemeinsam ansteuerbar sind.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypasskanäle (24, 24a, 24b) und die austrittsseitigen Rohrleitungen der Hochdruckturbine (21) in eine gemeinsame, zu der Niederdruckturbine (31) führende Rohrleitung (62) münden.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck- und die Niederdruckturbine (21, 31) zweiflutig ausgeführt sind und je hochdruckseitiger Flut ein Bypasskanal (24a, 24b) mit Rohrschalter (70, 71) und eine austrittsseitige Rohrleitung (63, 64) vorgesehen sind, wobei der Bypasskanal (24a, 24b) und die austrittsseitige Rohrleitung (63, 64) jeder Flut über eine separate Rohrleitung (62a, 62b) mit einer Flut (33a, 33b) der Niederdruckturbine (31) in Verbindung stehen.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrschalter (70, 71) stromabwärts der Verbindungsstelle zwischen der eintrittsseitigen Rohrleitung (60, 61) der Hochdruckturbine (21) und dem Bypasskanal (24, 24a, 24b) angeordnet ist.
  7. Turboaufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit 7.1 einer Hochdruckstufe (20) mit einer Hochdruckturbine (21) und einem Verdichter (22), 7.2 einer Niederdruckstufe (30) mit einerer der Hochdruckturbine (21) nachgeschalteten Niederdruckturbine (31) und einem Verdichter (32), 7.3 Rohrleitungen (60...64), die die Einlassseite der Hochdruckturbine (21) mit der Abgasseite (12) der Brennkraftmaschine (10) und die Einlassseite der Niederdruckturbine (31) mit der Auslassseite der Hochdruckturbine (21) verbinden, 7.4 Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern (a1...an) der Brennkraftmaschine (10), und 7.5 einem mit Signalen der Sensoren beaufschlagten Prozessor (80) zur Steuerung der Turbinen (21, 31), 7.6 wobei die Hochdruckturbine (21) immer ein minimaler Abgasmassenstrom durchströmt, so dass sich diese ständig dreht, dadurch gekennzeichnet, dass 7.7 mindestens eine der beiden Turbinen (21, 31) eine variable Geometrie aufweist, und 7.8 der Prozesor die Turbinengeometrie derart ändert, dass bei niedriger Last der Brennkraftmaschine (10) unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) die Expansionsarbeit größtenteils auf die Niederdruckturbine (31) verlagert wird.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (21, 31) variabler Geometrie verstellbare Schaufeln aufweist.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen die Hochdruckturbine (21) umgehenden Bypasskanal mit einem Rohrschalter (70, 71).
  10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen die Niederdruckturbine (31) umgehenden Bypasskanal mit einem Rohrschalter (72).
  11. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Bypasskanal (86) mit Rohrschalter (87) zur Umgehung des mit der Hochdruckturbine (21) gekoppelten Verdichters (22).
  12. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Abgasseite (12) der Brennkraftmaschine (10) mit deren Frischgasseite (11) verbindende Abgasrückführung (50).
  13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Frischgasseite (11) zurückgeführte Abgasteilstrom mittels eines Rohschalters steuerbar ist.
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