DE19961610A1 - Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern und Verfahren hierzu - Google Patents

Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern und Verfahren hierzu

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist zwei Abgasturbolader auf, von denen einer eine Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts und einer eine Abgasturbine mit Festgeometrie aufweist. DOLLAR A Um in einem weiten Drehzahlbereich eine hohe Leistung zu erzielen, sind die Abgasturbolader in Reihe geschaltet, ist die Abgasturbine mit variabler Turbinengeomtrie im Abgasstrang zwischen dem Zylinderauslass und der Abgasturbine mit Festgeometrie angeordnet und wird bei hoher Motordrehzahl der Turbinenquerschnitt der variablen Turbinengeometrie erhöht und bei geringer Motordrehzahl verringert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgas­ turboladern und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 8.
Aus der Druckschrift DE 43 10 148 A1 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine bekannt, die zwei parallel angeordnete Ab­ gasturbolader aufweist, wobei die Abgasturbine eines ersten La­ ders mit Festgeometrie und die Abgasturbine des zweiten Laders mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet ist. Mit Hilfe der variabel einstellbaren Turbinengeometrie ist es möglich, den wirksamen Turbinenquerschnitt in Abhängigkeit des Betriebszu­ standes der Brennkraftmaschine zu verändern. Hierfür ist eine Motorkennfeld-gesteuerte Regel- und Steuereinheit vorgesehen, die druckabhängig die variable Turbinengeometrie sowie ein ein­ stellbares Sperrventil in der Ladeluftleitung des Laders mit variabler Turbinengeometrie beaufschlagt. In Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine wird das Sperrventil geöffnet oder geschlossen, so dass der Lader mit variabler Tur­ binengeometrie in einem veränderbaren Umfang an der Ladeluft­ versorgung der Brennkraftmaschine teilnimmt.
Der Lader mit Turbine mit Festgeometrie ist kleiner dimensio­ niert als der Lader mit Turbine mit variabler Turbinengeome­ trie. Im unteren Drehzahlbereich wird nur der Lader mit Fest­ geometrie von den Abgasen beaufschlagt, dessen Verdichter auf Grund der vergleichsweise geringen Trägheit in diesem Drehzahl­ bereich in kurzer Zeit Ladedruck aufbauen kann. Bei Überschrei­ tung eines Drehzahl-Schwellenwertes wird der Lader mit variab­ ler Turbinengeometrie zugeschaltet, der auf Grund seiner größe­ ren Dimension eine höhere Turbinen- und Verdichterleistung er­ zeugen kann.
Der kleine Abgasturbolader mit geringer Massenträgheit kann op­ timal für kleine Drehzahlen ausgelegt werden, der große Abgas­ turbolader mit Festgeometrie wird dagegen hauptsächlich im mittleren und oberen Drehzahlbereich eingesetzt. Es ist jedoch zu beachten, dass der kleine Abgasturbolader nicht im Bereich der Stopfgrenze betrieben werden sollte, da in diesem Bereich hohe Strömungsverluste auftreten. Aus diesem Grund muss recht­ zeitig von dem Betrieb des kleinen Abgasturboladers auf den Be­ trieb des größer dimensionierten Abgasturboladers umgestellt werden. Andererseits muss vermieden werden, dass der größere Abgasturbolader bei verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen in den Pumpbetrieb gerät. Die Beachtung der oberen und unteren Lei­ stungsgrenzen beider Abgasturbolader macht eine genaue Abstim­ mung der Größenverhältnisse, der Einstellung der variablen Tur­ binengeometrie sowie der drehzahlabhängigen Umschaltung zwi­ schen beiden Ladern erforderlich.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, über einen weiten Drehzahlbereich ein Leistungsmaximum bereit zu stellen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 8 gelöst.
Gemäß der Neuerung ist vorgesehen, dass zwei Abgasturbolader hintereinander in Reihe geschaltet sind, wobei die Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie motornah im Abgasstrang zwi­ schen Zylinderauslass und der Abgasturbine mit Festgeometrie angeordnet ist. Die Position der variablen Turbinengeometrie wird drehzahl- und lastabhängig eingestellt, wobei für gleiches Lastverhältnis, z. B. bei Volllast (100%), - gegenüber der Aus­ legungsstellung - bei geringer Drehzahl der wirksame Turbinen­ leitgitterquerschnitt reduziert und bei erhöhter Drehzahl er­ weitert ist. Die Berücksichtigung der Lastabhängigkeit erfor­ dert darüber hinaus bestimmte Abweichungen von der Leitgitter­ stellung bei konstantem Lastverhältnis.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass auf zusätzliche Bypass­ leitungen und einstellbare Sperrventile verzichtet werden kann, so dass weniger Bauraum benötigt wird und der konstruktive Auf­ wand reduziert ist. Ein weiterer Unterschied zum Stand der Technik liegt darin, dass bei der erfindungsgemäßen Brennkraft­ maschine bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zu jeder Zeit beide Abgasturbolader in Betrieb sind, wohingegen im Stand der Technik in der Regel sich nur ein Abgasturbolader im Eingriff befindet. Da beide Abgasturbolader permanent in Betrieb sind, ist das Ansprechverhalten insbesondere im transienten Bereich beim Beschleunigen des Fahrzeugs verbessert, weil beide Abgas­ turbolader in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mit einer Drehzahl oberhalb der Leerlaufdrehzahl (ca. 30% der End­ drehzahl) umlaufen, so dass eine geringere Drehzahlspreizung gegeben ist und ein Beschleunigen auf höhere Drehzahlen in kür­ zeren Zeiträumen umgesetzt werden kann. Den Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie motornah und ohne Bypass anzuordnen bietet schließlich den Vorteil, dass die gesamte Abgasmenge durch die Entspannung in der Turbine zur Umwandlung in mechani­ sche Energie genutzt werden kann, was bei einer Bypasslösung zwangsläufig nur teilweise der Fall ist. Mit Bypass funktio­ niert das System nur, wenn das Druckgefälle des die Turbine um­ strömenden Abgases durch das Drosselventil (verlustbehaftet) herbeigeführt wird. Die Gitterverluste eines aerodynamisch ge­ stalteten, variablen Leitgitters sind aber mit Sicherheit deut­ lich geringer als bei einer Drosselung, so dass der Gesamtwir­ kungsgrad verbessert wird.
Durch die Einstellung der variablen Turbinengeometrie lassen sich verschiedene Turboladergrößen simulieren, wobei üblicher­ weise eine leistungsoptimierte Einstellung bei konstantem Last­ verhältnis (z. B. Volllast, 100%) angestrebt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der Ab­ gasturbolader mit variabler Turbinengeometrie kleiner dimensio­ niert ist als dies auf Grund der Abgasdichte nach Auslegung er­ forderlich wäre. Dadurch kann dieser bei unteren und mittleren Drehzahlen in günstigen Wirkungsgradbereichen arbeiten.
Die Größenanpassung an die Abgasdichte führt zwangsläufig zu dem Vorteil eines sensibleren Ansprechverhaltens des verklei­ nerten, motornahen Turboladers. Da dieser Turbolader in einer Ausführung mit Festgeometrie für den oberen Drehzahlbereich zu klein wäre, weil der Verdichter dabei in seine für die Lade­ luftverdichtung schädliche Stopfgrenze gerät, muss eine zusätz­ liche Maßnahme getroffen werden. Durch die Verwendung eines verstellbaren Turbinenleitgitters können in einem ausreichend großen Stellbereich unterschiedlich große Turboladergrößen si­ muliert werden, so dass damit eine stufenlose Größenanpassung des motornahen Turboladers für jede Drehzahl möglich ist. So kann nicht nur im unteren und mittleren Drehzahlbereich durch Verkleinerung des wirksamen Leitgitterquerschnitts (Zudrehen) ein kleinerer Turbolader simuliert werden, sondern es ist im oberen Drehzahlbereich auch die erforderliche Simulation eines größeren Turboladers durch das Aufdrehen des Leitgitters mög­ lich. Eine solche Anordnung hat Vorteile gegenüber einer By­ passlösung und macht diese darüber hinaus überflüssig.
Vorteilhaft ist vorgesehen, neben dem üblichen Ladeluftkühler zwischen den Turboladerverdichtern und dem Motor auch einen Zwischenkühler zwischen den beiden Verdichtern anzuordnen. Da­ durch kann ein Wirkungsgradgewinn bei der Verdichtung von zwei Prozentpunkten erzielt werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die in schematischer Darstellung eine Brennkraft­ maschine mit zwei in Reihe angeordneten Abgasturboladern zeigt.
Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs ist mit einer zweistufigen Abgasturbolader-Einrichtung versehen, die aus zwei hintereinander angeordneten, in Reihe geschalteten Einzelladern 2, 3 besteht. Jeder Abgasturbolader 2, 3 umfasst jeweils eine Turbine 4, 6 im Abgasstrang 10 der Brennkraftma­ schine 1 sowie einen Verdichter 5, 8 im Ansaugtrakt 9 der Brennkraftmaschine. Die beiden Abgasturbolader 2, 3 unterschei­ den sich sowohl im Hinblick auf ihre Dimension äls auch im Hin­ blick auf ihren konstruktiven Aufbau. Der in erster Stufe ein­ gesetzte, motorferne Abgasturbolader 2 weist eine Turbine 4 mit Festgeometrie auf, wohingegen der in zweiter Stufe eingesetzte Abgasturbolader 3 eine Turbine 6 mit variabler Turbinengeome­ trie 7 aufweist, welche über Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit zwischen einer den wirksamen Turbinenquerschnitt reduzierenden und einer den wirksamen Turbinenquerschnitt er­ weiternden Stellung eingestellt werden kann. Der in zweiter Stufe eingesetzte, motornah angeordnete Abgasturbolader 3 ist hierbei kleiner dimensioniert und weist ein geringeres Massen­ trägheitsmoment auf als der zuvor angeordnete, in erster Stufe gelegene Abgasturbolader 2, mit der Folge, dass der kleinere Abgasturbolader 3 schon bei gleichem Abgasgegendruck die den Betriebsverhältnissen entsprechende Drehzahl nach kürzerer Zeit erreicht.
Im Ansaugtrakt 9 sind jeweils stromab der Verdichter 5 bzw. 8 Ladeluftkühler 13, 14 angeordnet. Zur lastabhängigen Steuerung des Turbinenleitgitters ist an eine Verbindung 15 zum Frisch­ luft-Sammelraum gedacht. Eine Abgasrückführung 16 ist im Zusam­ menhang mit der zweistufigen Aufladung ebenfalls sinnvoll, die­ se muss die Stränge 9 und 10 verbinden. Zweckmäßig ist auch ein Kühler 17 für die Abgasrückführung 16 vorgesehen.
In der befeuerten Antriebsbetriebsweise der Brennkraftmaschine werden die in einem Abgassammler 12 gesammelten Abgase in den Abgasstrang 10 eingeleitet, in welchem die beiden Abgasturbinen 6, 4 hintereinander liegend angeordnet sind. Das Abgas durch­ strömt zunächst die kleiner dimensionierte Abgasturbine 6 mit variabler Turbinengeometrie, anschließend erfolgt eine Durch­ strömung der größeren Abgasturbine 4 mit Festgeometrie. Die Einstellung der variablen Turbinengeometrie 7 durch Stellsigna­ le der Regel- und Steuereinheit erfolgt in Abhängigkeit der Drehzahl und des Lastzustandes der Brennkraftmaschine 1. Im Be­ reich kleiner Motordrehzahlen wird die variable Turbinengeome­ trie 7 der Abgasturbine 6 in eine Staustellung überführt, in der der wirksame Turbinenquerschnitt reduziert ist und ein er­ höhter Abgasgegendruck aufgebaut wird. Auf Grund des Druckge­ fälles zwischen dem Turbineneinlass und dem Turbinenauslass der Abgasturbine 6 sowie als Folge der vergleichsweise geringen Trägheit des Laderrotors des Abgasturboladers 3 erreicht dieser seine dem Betriebspunkt entsprechende Drehzahl in kürzerer Zeit, wobei der zugehörige Verdichter 8 im Ansaugtrakt 9 die angesaugte Verbrennungsluft verdichtet, welche dem Saugrohr 11 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird, wodurch auch der La­ derrotor des Abgasturboladers 2, der sich in jedem Motorbe­ triebspunkt bereits in Drehung befindet, gegenüber einem ste­ henden Rotor in kürzerer Zeit auf seine Betriebsdrehzahl bei einem anderen Motorbetriebspunkt gebracht werden kann. Nach dem Durchströmen des Abgasturboladers 6 wird das Abgas, welches in der Regel noch eine Restenergie enthält, der darauffolgenden Abgasturbine 4 mit Festgeometrie zugeführt, wodurch der Lader­ rotor des Abgasturboladers 2 bereits in Drehungen versetzt wer­ den kann, so dass bei höheren Drehzahlen ein schnelleres An­ sprechen des größer dimensionierten Abgasturboladers 2 erreicht werden kann.
Mit zunehmender Drehzahl wird die variable Turbinengeometrie 7 der ersten Abgasturbine 6 durch Stellsignale der Regel- und Steuereinheit in Richtung ihrer Offenstellung versetzt, in der der wirksame Turbinenquerschnitt der Abgasturbine 6 erweitert ist. Die Überführung von reduzierter Stellung bzw. Schließstel­ lung der variablen Turbinengeometrie 7 in Richtung der Offen­ stellung wird vorteilhaft in Abhängigkeit der Motordrehzahl stetig durchgeführt. Es kann darüber hinaus aber auch zweckmä­ ßig sein, Drehzahlbereiche vorzusehen, in denen jeweils die va­ riable Turbinengeometrie einen konstanten Wert einnimmt und ei­ ne Positionsänderung der variablen Turbinengeometrie erst bei einem Übertritt zu einem benachbarten Bereich stattfindet. Ge­ gebenenfalls kann auch innerhalb eines Drehzahlbereiches ein lineares oder nichtlineares Ansteigen bzw. Abnehmen des Turbi­ nenwirkungsquerschnittes durch entsprechende Einstellung der Turbinengeometrie durchgeführt werden, wobei in benachbarten Drehzahlabschnitten ein verschieden hoher Anstieg realisiert werden kann.
Es kann auch zweckmäßig sein, alternativ oder zusätzlich zur Motordrehzahl ein weiteres Kriterium für die Öffnung und Schließung der variablen Turbinengeometrie des Abgasturboladers 3 heranzuziehen. Beispielsweise kann es angezeigt sein, auch die Motorlast zu berücksichtigen.
Die variable Turbinengeometrie kann als axial in den Turbinen­ querschnitt einschiebbares Leitgitter ausgeführt sein oder aber die Form eines radialen Leitgitters mit verstellbaren Leit­ schaufeln einnehmen. Schließlich kann es auch zweckmäßig sein, die beschriebene Vorrichtung im Motorbremsbetrieb einzusetzen.

Claims (8)

1. Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, mit einer Ab­ gasturbine mit variabler Turbinengeometrie (6) zur veränderli­ chen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts und mit ei­ ner Abgasturbine mit Festgeometrie (4), dadurch gekennzeichnet,
  • - dass die Abgasturbolader (2, 3) hintereinander in Reihe ge­ schaltet sind,
  • - dass die Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie (6) im Abgasstrang (10) zwischen dem Zylinderauslass und der Abgas­ turbine mit Festgeometrie (4) angeordnet ist,
  • - dass in einer Regel- und Steuereinheit in Abhängigkeit der Motordrehzahl und/oder Motorlast ein die Position der varia­ blen Turbinengeometrie (7) einstellendes Signal in der Weise erzeugbar ist, dass bei hoher Motordrehzahl und/oder Motor­ last der wirksame Turbinenquerschnitt der variablen Turbi­ nengeometrie (7) erhöht und bei geringer Motordrehzahl ver­ ringert ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (7) kleiner dimensioniert ist als der Abgasturbolader (2, 3) mit Festgeometrie.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regel- und Steuereinheit ein Kennfeld mit den Posi­ tionen der variablen Turbinengeometrie (7) in Abhängigkeit der Drehzahl und/oder Last abgespeichert ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Verdichtern (5, 8) ein Ladeluftkühler (13) angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Turbinengeometrie (7) als verstellbares Leit­ gitter ausgeführt ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung (16) zwischen dem Abgasstrang (10) stromauf der Turbine mit variabler Turbinengeometrie (6) und dem Ansaugtrakt (9) stromab des motornahen Verdichters (8) bzw. stromab des Ladeluftkühlers (14) vorgesehen ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (16) mit einem weiteren Kühler (17) ausgerüstet ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit zwei Ab­ gasturboladern, insbesondere Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie (6) zur veränder­ lichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts und eine Abgasturbine mit Festgeometrie (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass von den in Reihe geschalteten Abgasturboladern (2, 3) zu­ erst die Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie (6) von den Abgasen der Brennkraftmaschine (1) durchströmt wird und dass mit ansteigender Motordrehzahl der wirksame Turbinenquer­ schnitt der variablen Turbinengeometrie (7) erhöht und mit ab­ fallender Motordrehzahl verringert wird.
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