DE19905112A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Vorverdichtung der Verbrennungsluft und Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch einen Abgasturbolader, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die im Abgasturbolader verdichtete Luft in einer nachgeschalteten Verdichtungsstufe nachverdichtet wird, sowie eine Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens, die über eine Druckleitung (6) mit einem Abgasturbolader (4) zur Verdichtung der benötigten Verbrennungsluft verbunden ist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Druckleitung (6) ein antreibbarer Nachverdichter (9) angeordnet ist.

Description

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Vorverdichtung der Verbren­ nungsluft, die im instationären Betrieb, beispielsweise als Fahrzeugantriebe eingesetzt werden, besteht das Problem, das für den Motorbetrieb erforderliche Druckniveau der Verbren­ nungsluft oder auch Ladeluft über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich der Kolbenbrennkraftmaschine in der gewünschten Höhe zu halten, da die üblicherweise als Abgasturbolader aus­ gebildeten Luftverdichter die erforderliche Abdeckung des ge­ samten Betriebsbereiches in vertretbarem Aufwand nicht erlau­ ben. Insbesondere in Lastbereichen, in denen das für den Be­ trieb der Abgasturbine des Turboladers zur Verfügung stehende Energiegefälle des Abgases niedrig ist, oder auch bei Be­ schleunigungsvorgängen kann die geforderte Verdichtung der Verbrennungsluft nicht oder nicht schnell genug erreicht wer­ den.

Zur Abhilfe hat man vorgeschlagen, dem Turbolader auf der Saugseite einen zusätzlichen Luftverdichter vorzuschalten, der unmittelbar über die Kurbelwelle des Motors angetrieben wird. Hierdurch wird erreicht, daß dem Turbolader bereits verdichtete Luft zugeführt wird, so daß auf der Druckseite des Turboladers das gewünschte Druckniveau für die Verbren­ nungsluft für den gesamten Lastbereich eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine Minderleistung der Abgastur­ bine bei geringem Energiegefälle im Abgas durch die Verdich­ tungsleitung des vorgeschalteten Luftverdichters kompensiert werden. Reicht das Energiegefälle im Abgas zur Erzielung der gewünschten Druckhöhe aus, wird dem vorgeschalteten Luftver­ dichter die Luft "weggesaugt", so daß dieser praktisch im "Leerlauf" betrieben wird und daher weiterhin ohne Leistungs­ abnahme mit der Kolbenbrennkraftmaschine antriebsseitig in Verbindung bleiben kann. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, daß neben einem entsprechend groß dimensionier­ ten Turbolader auch der mechanische Lader im Hinblick auf die geforderte Verdichtungsleistung entsprechend groß dimensio­ niert werden muß und dementsprechend auch einen hohen Ver­ brauch an Antriebsenergie aufweist, der bei einer Kolben­ brennkraftmaschine für den instationären Betrieb durch die Kolbenbrennkraftmaschine zusätzlich zur Verfügung gestellt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend ge­ nannten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Vorverdichtung der Verbrennungs­ luft durch einen Abgasturbolader erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß die im Abgasturbolader verdichtete Verbrennungsluft in einer nachgeschalteten Verdichtungsstufe nachverdichtet wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß bei einer durch den Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine durch den Abgastur­ bolader bedingten Verminderung der Verdichtung der Verbren­ nungsluft dieses verminderte Druckniveau als Vorverdichtung für einen nachgeschalteten weiteren Verdichter zur Verfügung steht, so daß dieser hinsichtlich seines Bauvolumens deutlich kleiner ausgelegt werden kann und so die üblicherweise bei einem Kraftfahrzeug bestehenden Raum- und Gewichtsprobleme für derartige Zusatzaggregate sowie der Verbrauch an An­ triebsenergie vermindert werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nachverdichtung in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Druck­ niveau der durch den Abgasturbolader verdichteten Verbren­ nungsluft erfolgt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß entsprechend einem in einer Motorsteuerung den Lastanforde­ rungen zugeordneten Solldruck der in der Druckleitung des Ab­ gasturboladers in dem jeweiligen Lastzustand vorhandene Druck gemessen wird und in Abhängigkeit von diesem Ist-Druck unmit­ telbar nach dem Abgasturbolader die nachgeschaltete Verdich­ tungsstufe angesteuert wird, um so durch eine Nachverdichtung der Verbrennungsluft den vorgegebenen Soll-Druck einzustel­ len.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nachverdichtung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abgasturbine erfolgt. Da das drehzahlabhängige Kennfeld des Abgasturboladers bekannt ist, besteht mit dieser Verfahrens­ weise in Verbindung mit einer ohnehin vorhandenen Motorsteue­ rung, in der das Kennfeld des Abgasturboladers abgelegt ist, eine weitere Möglichkeit, den vorgegebenen Soll-Druck der Verbrennungsluft auf der Druckseite durch entsprechende Zu­ schaltung der nachgeschalteten Verdichtungsstufe einzustel­ len.

Zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung eine Kolbenbrennkraftmaschine vorgesehen, die über eine Drucklei­ tung mit einem Abgasturbolader zur Verdichtung der benötigten Verbrennungsluft verbunden ist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Druckleitung ein antreibbarer Nachverdichter angeordnet ist. Der Nachverdichter ist in einer Ausgestaltung der Erfindung als sogenannter mechanischer Lader ausgebildet, beispielsweise in Form eines Roots-Laders. Da dem nachge­ schalteten Nachverdichter bereits verdichtete Luft zugeführt wird, ergibt sich eine geringere Baugröße. Der Abgasturbola­ der kann für hohe Drehzahlen ausgelegt und optimiert werden, so daß im Betrieb bei niedrigeren Drehzahlen die Verdich­ tungsleistung stärker durch den Nachverdichter erbracht wird.

Um den Nachverdichter entsprechend den Betriebsanforderungen zu- und abschalten zu können, ist der Nachverdichter in einer Ausgestaltung der Erfindung mit der Kurbelwelle der Kolben­ brennkraftmaschine über eine schaltbare Kupplung antreibbar verbunden. Die schaltbare Kupplung ist wiederum über die vor­ handene Motorsteuerung ansteuerbar, so daß in den Lastberei­ chen, in denen die Leistung des Abgasturboladers nicht aus­ reicht, der Nachverdichter zugeschaltet werden kann. Der An­ trieb kann beispielsweise über einen Keilriementrieb erfol­ gen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Nachverdichter mit einem gesonderten, regel- und/oder steuerbaren Antrieb verbunden ist. Dieser Antrieb kann bei­ spielsweise durch einen elektrischen oder hydraulischen An­ trieb gebildet werden. Auch hier kann der gesonderte Antrieb entsprechend den Anforderungen zu- und abgeschaltet werden. Zweckmäßig ist es, wenn der gesonderte Antrieb regelbar aus­ gebildet ist, so daß etwaige Druckstöße beim Zu- und Abschal­ ten sowie Verzögerungen durch Beschleunigungsvorgänge beim Anschalten des Nachverdichters vermieden werden. Ein weiterer Vorteil des eigenen Antriebs für den Nachverdichter besteht darin, daß man in der räumlichen Zuordnung einen größeren Spielraum besitzt, als dies bei einem Antrieb über die Kur­ belwelle gegeben ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Nachverdichter in einer Bypaßleitung zur Druckleitung an­ geordnet ist und daß zunächst die Druckleitung im Bypaßbe­ reich mit einem Sperrventil versehen ist, das einen Stellan­ trieb aufweist. Wenn die Verdichtungsleistung des Nachver­ dichter benötigt wird, wird dieser zugeschaltet und das Sperrventil in der Druckleitung geschlossen, sobald der Nach­ verdichter seine Betriebsdrehzahl erreicht hat und dann die gesamte Fördermenge des Abgasturboladers zur weiteren Ver­ dichtung durch den Nachverdichter zur Verfügung steht. Sobald jedoch die Leistung des Abgasturboladers ausreicht, kann das Sperrventil entsprechend geöffnet und der Nachverdichter ab­ geschaltet werden, so daß der Förderstrom nicht mehr über die Bypaßleitung strömen kann. Bei der Verwendung eines Nachver­ dichters, der nach dem Verdrängerprinzip arbeitet, beispiels­ weise einen Roots-Verdichter, kann ein zusätzliches Sperrven­ til in der Bypaßleitung entfallen, da mit dem Abschalten des Verdichterantriebs der Nachverdichter selbst wie ein Sperr­ ventil wirkt. Dies ermöglicht es auch, das System feinfühlig anzusteuern, so daß beim Absinken der Verdichtungsleistung des Abgasturboladers bereits vor dem Umschaltpunkt der Nach­ verdichter angetrieben wird, ohne daß das Sperrventil betä­ tigt wird und erst beim Erreichen der kritischen Untergrenze für die Verdichtungsleistung des Abgasturboladers das Sperr­ ventil geschlossen wird und somit der gesamte Volumenstrom über den Nachverdichter geführt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Stellantrieb des Sperrventils und der Antrieb des Nachverdichters mit ei­ ner Steuereinrichtung verbunden sein, die mit einem Drucksen­ sor in der Druckleitung in Verbindung steht und/oder mit ei­ nem Drehzahlgeber am Abgasturbolader in Verbindung steht. Bei einer Anordnung jeweils eines stufenlos gegenläufig verstell­ baren Stellventils in der Druckleitung und in der Bypaßlei­ tung kann mit Hilfe der Steuereinrichtung bei eingeschaltetem Nachverdichter durch entsprechende Ansteuerung der Stell- bzw. Sperrventile auf jede Druckabweichung in der Lufteinlaß­ leitung reagiert werden, beispielsweise bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vielzylinder-Kolben­ brennkraftmaschine mit einem über die Kurbelwelle angetriebenen Nachverdichter,

Fig. 2 die Kolbenbrennkraftmaschine gem. Fig. 1 mit einem Nachverdichter mit Eigenantrieb.

In Fig. 1 ist eine Vierzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine 1 dargestellt, deren Abgasleitung 2 über eine Abgasturbolader- Einheit 4 mit Abgasturbine 3 und Turbolader 5 geführt ist. Der Turbolader 5 ist über eine Druckleitung 6 mit der Luft­ einlaßleitung 7 der Kolbenbrennkraftmaschine 1 verbunden. Der Druckleitung 6 ist eine Bypaßleitung 8 zugeordnet, in der ein Nachverdichter 9, beispielsweise in Roots-Verdichter, ange­ ordnet ist. Der Roots-Verdichter 9 steht über einen Riemen­ trieb 10 mit der Kurbelwelle 11 der Kolbenbrennkraftmaschine antreibbar in Verbindung. Über eine Schaltkupplung 12, die einen über eine Motorsteuerung 13 ansteuerbaren Stellantrieb 14 aufweist, kann der Nachverdichter 9 entsprechend den Be­ triebsanforderungen zu- und abgeschaltet werden.

Im Bereich der Bypaßleitung 8 ist in der Druckleitung 6 ein Sperrventil 15 angeordnet, dessen Stellantrieb 16 über die Motorsteuerung 13 ansteuerbar ist. Das Sperrventil 15 kann so eingestellt sein, daß es grundsätzlich geschlossen ist und somit bei niedrigen Motordrehzahlen und damit geringer Lei­ stung des Abgasturboladers 4 die erforderliche Nachverdich­ tung der Verbrennungsluft durch den Verdichter 9 erfolgt. Reicht die Leistung des Abgasturboladers 4 für den Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine aus, dann wird über die Motor­ steuerung 13 das Sperrventil 15 geöffnet, so daß die Druck­ leitung 6 unmittelbar mit der Lufteinlaßleitung 7 in Verbin­ dung steht. Da der Nachverdichter 9 bei einer Ausbildung als Verdrängermaschine, beispielsweise eines Roots-Verdichters, aufgrund seiner Bauform bei Stillstand wie ein Sperrventil für die Bypaßleitung 8 wirkt, genügt es durch Öffnen der Kupplung 12 den Nachverdichter 9 abzuschalten und die hier­ durch bedingten Verluste zu vermeiden.

Die Ausführungsform gem. Fig. 2 entspricht in ihrem Grundauf­ bau der anhand von Fig. 1 erläuterten Ausführungsform, so daß hier auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann. Für gleiche Bauteile sind gleiche Bezugszeichen eingesetzt.

Der Unterschied zur Ausführungsform gem. Fig. 1 besteht dar­ in, daß der Nachverdichter 9 mit einem eigenen steuer- und/oder regelbaren Antrieb 17 versehen ist, beispielsweise in Form eines elektrischen oder hydraulischen Antriebs, der über die Steuereinrichtung 13 entsprechend angesteuert werden kann. Die Betriebsweise entspricht im Prinzip der anhand von Fig. 1 beschriebenen Betriebsweise. Bei Verwendung eines re­ gelbaren Antriebs für den Nachverdichter 9 besteht hier noch die Möglichkeit, über die Drehzahl des Nachverdichters 9 eine stufenlose Anpassung der Gesamtförderleistung von Abgasturbo­ lader und Nachverdichter 9 zu bewirken.

Die Ansteuerung mit Hilfe der Motorsteuerung kann in beiden Fällen in der Weise erfolgen, daß in der Lufteinlaßleitung 7 ein Drucksensor 18 angeordnet ist, der auf die Motorsteuerung 13 aufgeschaltet ist. Sobald über den Drucksensor 18 ein vor­ gegebener Mindestdruck unterschritten wird, wird dann über die Motorsteuerung der Nachverdichter 9 zugeschaltet. Über diesen Drucksensor 18 hinter dem Bypaßbereich kann auch eine Druckobergrenze überwacht und eingehalten werden.

Über die Motorsteuerung 13, der der jeweilige Lastwunsch vom Fahrer über das Gaspedal 20 vorgegeben werden kann, besteht auch die Möglichkeit, bei einer entsprechenden Ansteuerung durch den Fahrer, die aus Abgasturbolader 4 und Nachverdich­ ter 9 gebildete Verdichtungseinrichtung für einen Bremsbe­ trieb durch den Motor zu verwenden. Dies ist besonders zweck­ mäßig, wenn der Nachverdichter 9 über einen eigenen Antrieb verfügt, so daß trotz sich vermindernder Drehzahlen eine hohe Verdichtungsleistung und damit eine hohe Aufladung der Zylin­ der erreicht und eine entsprechende Bremswirkung erzielt wird.

Die Anordnung kann kombiniert mit einem Drucksensor oder auch allein in der Weise angesteuert werden, daß über einen Dreh­ zahlsensor 19 die Drehzahl des Abgasturboladers abgegriffen wird und das Zu- und Abschalten des Nachverdichters 9 in Ab­ hängigkeit von einem entsprechenden, aus dem Kennfeld des Ab­ gasturboladers abgegriffenen Soll-Wertes erfolgt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch einen Abgasturbola­ der, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abgasturbolader ver­ dichtete Luft in einer nachgeschalteten Verdichtungsstufe nachverdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverdichtung in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Druck­ niveau der durch den Abgasturbolader verdichteten Verbren­ nungsluft erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverdichtung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Abgasturboladers erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bachverdichtung für einen Bremsbetrieb durch Aufladung genutzt wird.

5. Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, die über eine Druckleitung (6) mit einem Abgasturbolader (4) zur Verdichtung der benötigten Verbrennungsluft verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (6) ein antreibbarer Nachverdichter (9) angeordnet ist.

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Nachverdichter (9) als mechanischer Lader ausgebildet ist.

7. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverdichter (9) mit der Kurbelwel­ le (11) über eine schaltbare Kupplung (12) antreibbar verbun­ den ist.

8. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverdichter (9) mit einem gesonderten, regel- und/oder steuerbaren Antrieb (17) verbun­ den ist.

9. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverdichter (9) in einer Bypaßleitung (8) zur Druckleitung (6) angeordnet ist und daß zumindest die Druckleitung (6) im Bypaßbereich mit einem Sperrventil (15) versehen ist, das einen Stellantrieb (16) aufweist.

10. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (16) des Sperrventils (15) und der Antrieb des Nachverdichters (9) mit einer Steuereinrichtung (13) verbunden sind, die mit einem Drucksensor (18) in der Druckleitung (6) in Verbindung steht.

11. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (16) des Sperrventils (15) und der Antrieb (12; 17) des Nachverdich­ ters (9) mit einer Steuereinrichtung (13) verbunden sind, die mit einem Drehzahlgeber (19) am Abgasturbolader in Verbindung steht.