DE19903579A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader - Google Patents

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),

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (13, 14, 15, 16, 18) zum Einblasen von Druckluft aus der wenigstens einen Druckluftquelle in die Luftverdichtereinheit (7) des wenigstens einen Abgasturboladers oder in einen in diese mündenden, stromaufwärtigen Ansaugluftkanal (6a) vorgesehen sind.

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.