DE19903579A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader - Google Patents
Brennkraftmaschine mit AbgasturboladerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbineneinheit und eine Luftverdichtereinheit umfaßt, und wenigstens einer Druckluftquelle. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind Mittel zum Einblasen von Druckluft aus der wenigstens einen Druckluftquelle in die Luftverdichtereinheit des wenigstens einen Abgasturboladers oder in einen in diese mündenden, stromaufwärtigen Ansaugluftkanal vorgesehen. DOLLAR A Verwendung z. B. in Kraftfahrzeugen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens
einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbineneinheit und eine
Luftverdichtereinheit umfaßt, und wenigstens einer Druckluft
quelle, insbesondere in Form eines Ottomotors mit Direktein
spritzung für ein Kraftfahrzeug.
Luftverdichtereinheiten für Brennkraftmaschinen erhöhen durch
Verdichtung der zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigten Luft
den Luftdurchsatz eines Motors bei gleichbleibendem Hubraum und
gleichbleibender Motordrehzahl und ermöglichen somit eine höhere
Leistungsdichte. Als Luftverdichtereinheiten sind mechanisch an
getriebene Lader und Abgasturbolader bekannt. Abgasturbolader
vermögen die Strömungsenergie der Verbrennungsabgase zur Luft
verdichtung zu nutzen. Im niedrigen Drehzahlbereich haben jedoch
Abgasturbolader den Nachteil eines schlechten Ansprechverhal
tens.
Druckluftquellen für Brennkraftmaschinen kommen insbesondere für
Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung zum Einsatz. Eine
solche Direkteinspritzvorrichtung ist beispielsweise aus der
WO 87/02419 bekannt, in der eine Kraftstoffförderpumpe zur Zufuhr
von Kraftstoff unter Druck vorgesehen ist. Diese Vorrichtung
enthält eine Luftverdichtereinheit, die Ladeluft für die Brenn
kraftmaschine bereitstellt. Über Mittel zum Einstellen eines be
stimmten Differenzdruckes zwischen dem Druck der Luftverdich
tereinheit und dem Druck der Kraftstoffförderpumpe wird das de
finierte Einspritzen einer für die Verbrennung günstigen, genau
bemessenen Kraftstoffmenge ermöglicht.
Die Publikation "Combustion and Emissions Characteristics of Or
bital's Combustion Process Applied to Multi-Cylinder Automotive
Direct Injected 4-Stroke Engines" von Rodney Houston, Geoffrey
Cathcart, Orbital Engine Company, Perth, Western Australia of
fenbart eine Vorrichtung zur elektronisch gesteuerten Direktein
spritzung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in eine Brennkraftma
schine, in der ein Kompressor zum Erzeugen von Druckluft vorge
sehen ist. Die Druckluft aus dem Kompressor ermöglicht zum einen
das Zumessen eines fein zerstäubten Kraftstoffstrahles in den
Brennkammerbereich eines Zylinders und zum anderen eine Vorver
dichtung der Ansauguft.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit Ab
gasturbolader zu schaffen, bei der auch im niedrigen Drehzahlbe
reich ein hoher Ladedruck bereitgestellt wird, insbesondere wäh
rend Motorbeschleunigungsphasen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1
gelöst, in der Mittel zum Einblasen von Druckluft aus der wenig
stens einen Druckluftquelle in die Luftverdichtereinheit des we
nigstens einen Abgasturboladers oder in einen in diesen münden
den stromaufwärtigen Ansaugluftkanal vorgesehen sind. Mit diesem
Einblasen von Druckluft wird die Luftverdichtereinheit in ihrer
Verdichtungswirkung unterstützt, so daß sie auch im niedrigen
Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in der Lage ist, einen
hohen Ladedruck aufzubauen. Auf diese Weise wird eine Brenn
kraftmaschine geschaffen, deren Antriebsleistung auch im niedri
gen Drehzahlbereich vergleichsweise hoch ist und die dabei gün
stige Abgasemissionswerte, insbesondere einen verringerten
Rauchstoß, aufweist.
In Weiterbildung der Erfindung blasen die Drucklufteinblasmittel
die Druckluft auf ein Verdichterrad der Luftverdichtereinheit
und wirken damit auf dieses direkt antreibend. Auf diese Weise
kann ohne Änderungen am Laufzeug des Turboladers die Leistung
der Brennkraftmaschine gesteigert werden.
In Weiterbildung der Erfindung beinhalten die Mittel zum Einbla
sen von Druckluft in der Luftverdichtereinheit vorgesehene Dü
sen, über welche sie die Druckluft auf das Verdichterrad blasen.
Auf diese Weise kann die in der Druckluft gespeicherte Energie
mit hohem Wirkungsgrad in eine Drehbewegung des Verdichterrades
umgesetzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung beinhalten die Mittel zum Einbla
sen von Druckluft ansteuerbare Ventilmittel zur zeitlich steuer
baren Drucklufteinblasung. Auf diese Weise kann zwischen einem
ausschließlichen Antrieb des Turboladers durch die Strömungs
energie aus dem Abgasstrom und einem unterstützenden Antrieb
desselben mittels Druckluft umgeschaltet werden. Damit läßt sich
die Leistung der Brennkraftmaschine steuern und das Abgas-
Emissionsverhalten optimieren. Bei Einsatz einer solchen Brenn
kraftmaschine in Kraftfahrzeugen kann insbesondere auch im nied
rigen Drehzahlbereich ein verbessertes Beschleunigungsverhalten
erzielt werden.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine mit Abgastur
bolader und Vorrichtung zur Direkteinspritzung und
Fig. 2 eine Seitenansicht der geöffneten Luftverdichtereinheit
des Abgasturboladers aus Fig. 1.
Die in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, bei der es
sich insbesondere um einen Ottomotor mit Direkteinspritzung han
deln kann, enthält mehrere Zylinder, von denen ein Zylinder 2
exemplarisch abgebildet ist. In einem Brennkammerbereich 3 des
Zylinders 2 sind ein Lufteinlaßventil 4 und ein Abgasausström
ventil 5 angeordnet. Dem Lufteinlaßventil 4 wird über eine Lade
luftleitung 6 als Ansaugluftkanal durch eine Luftverdichterein
heit 7 eines Abgasturboladers mit Abgasturbine 8 verdichtete An
saugluft zur Einspeisung in den Brennkammerbereich 3 zugeführt.
Dort wird die verdichtete Ansaugluft mit fein zerstäubtem Luft-
Kraftstoff-Gemisch versetzt, das über ein Gemisch-Einspritz
ventil 9 als Teil einer nicht weiter dargestellten Vorrichtung
zur Direkteinspritzung zugeführt wird. Zur Zündung des Luft-
Kraftstoff-Gemisches befindet sich im Brennkammerbereich 3 eine
Zündkerze 10. Das aus dem Brennkammerbereich 3 ausgestoßene Ab
gas strömt über das Abgasausströmventil 5 in eine Abgasleitung
11 und treibt mit seiner Strömungsenergie die Abgasturbine 8 an.
Das Gemisch-Einspritzventil 9 versetzt Kraftstoff aus einer
Kraftstoffleitung 12 definiert mit Druckluft aus einer Druck
luftleitung 13, die über eine Kompressoreinheit 14 und einen
Druckluftbehälter 15 mit Druckluft von etwa 10 bar Druck ge
speist wird. Um auch bei niedriger Drehzahl der Brennkraftma
schine 1 dem Brennkammerbereich 3 stark verdichtete Ansaugluft
zuführen zu können, sind Drucklufteinblasmittel vorgesehen, mit
denen die Luftverdichtereinheit 7 des Turboladers zeitlich steu
erbar mit Druckluft aus dem Druckluftbehälter 15 beaufschlagt
werden kann. Dazu enthalten diese Mittel eine vom Druckluftbe
hälter 15 in die Luftverdichtereinheit 7 führende Druckluftlei
tung 13a, in der sich ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil
16 befindet. In der Luftverdichtereinheit 7 wird die zugeführte
Druckluft seitlich auf ein Verdichterrad derselben geblasen, so
daß sich deren kinetische Energie auf das Verdichterrad über
trägt, um so das Laufzeug des Turboladers zusätzlich zu be
schleunigen.
Dies bewirkt eine erhöhte Förderung von Luft durch die Luftver
dichtereinheit 7 und damit eine Steigerung von deren Verdichter
leistung. Beides führt zu einem erhöhten Energieumsatz der
Brennkraftmaschine 1. Außerdem läßt sich hierzu das bei einer
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ohnehin vorhandene
Druckluftleitungssystem nutzen. Reicht jedoch bei höherer Dreh
zahl die Strömungsenergie des Abgases aus, mittels des Abgastur
boladers einen gewünschten Ladedruck bereitzustellen, wird das
Ventil 16 geschlossen. Ein Zuschalten des Druckluftleitungssy
stems mittels des Ventiles 16 wirkt also als Beschleunigungshil
fe. Um die Brennkraftmaschine fortlaufend mit optimalem Lade
druck zu betreiben, kann gegebenenfalls eine motorkennfeldabhän
gige Steuerung des Ventils 16 mittels einer geeigneten Motor
steuereinheit vorgesehen sein.
Fig. 2 zeigt eine offene Seitenansicht des spiraligen Verdich
terrades der Luftverdichtereinheit 7. Auf einer Welle 17 ist das
Verdichterrad der Luftverdichtereinheit 7 in einem Gehäuse 18
drehbar gelagert. Eine Gegenkontur 18a des Verdichterrades ist
mit düsenförmig ausgebildeten Öffnungen 19 versehen, welche Boh
rungen darstellen, die in Umfangsrichtung äquidistant um die
Welle 17 herum angeordnet sind. Über diese Öffnungen 19 wird die
über die Druckluftleitung 13a zugeführte Druckluft auf das Ver
dichterrad geblasen. Dabei gelangt die eingeblasene Druckluft
wie die mittels des Verdichterrades verdichtete Ansaugluft in
die Ladeluftleitung 6 und trägt so zur Steigerung der Ladeluft
menge bei.
Es ist nicht zwingend, daß die zur Luftverdichtereinheit 7 füh
rende Druckluftleitung 13a wie gezeigt an eine Druckluftquelle
einer Direkteinspritzvorrichtung angekoppelt ist, sondern sie
kann an jede andere geeignete Druckluftquelle angekoppelt sein,
z. B. an diejenige eines Druckluft-Bremssystems. Dessen Druck
luftquelle ist dann geeignet zu dimensionieren, damit der Min
destdruck des Bremssystems nicht unterschritten wird.
Statt Druckluft wie gezeigt ausschließlich direkt in die Luft
verdichtereinheit 7 einzublasen, kann bei einer modifizierten
Ausführungsform vorgesehen sein, Druckluft teilweise oder aus
schließlich in die Ansaugleitung stromaufwärts des Verdichterra
des 7 einzublasen. Ebenfalls ist es möglich, Druckluft in die
Ladeluftleitung 6 einzublasen.
Claims (4)
1. Brennkraftmaschine mit
- - wenigstens einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbinenein heit (8) und eine Lüftverdichtereinheit (7) umfaßt, und
- - wenigstens einer Druckluftquelle (14, 15),
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Drucklufteinblasmittel (13, 14, 15, 16, 18) die Druckluft
antreibend auf ein Verdichterrad der Luftverdichtereinheit (7)
blasen.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Drucklufteinblasmittel (13, 14, 15, 16, 18) in der Luftver
dichtereinheit (7) vorgesehene Düsen (18) beinhalten, über wel
che sie die Druckluft auf das Verdichterrad blasen.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Drucklufteinblasmittel (13, 14, 15, 16, 18) ansteuerbare
Ventilmittel (18) zur zeitlich steuerbaren Drucklufteinblasung
beinhalten.
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