DE202014103770U1

DE202014103770U1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE202014103770U1
Application number: DE202014103770.5U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2024-08-15

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit
– einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2) umfasst, wobei der Verdichter (2) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2c) auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
– einer Abgasrückführung (5) umfassend eine Rückführleitung (5a), die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes (5c) in das Ansaugsystem (1) mündet,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des Verdichtergehäuses (2c) und stromabwärts des Knotenpunktes (5c) mit einer Heizeinrichtung (3) ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
– einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Häufig wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung dient – wie bereits erwähnt – der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind neben der Aufladung aber weitere innermotorische Maßnahmen erforderlich.
So dient die Abgasrückführung zur Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Rückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet.
Die erfindungsgemäße mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet und zwar mit einer Niederdruck-AGR. Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem stromabwärts des Verdichters einleitet, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch die Verdichter hindurchgeführt wird, da vorzugsweise Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
Probleme können sich hingegen stromaufwärts des Verdichters ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet. Dabei sind zwei Szenarien zu unterscheiden.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d. h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas bzw. in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Verdichtergehäuses trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.
Der aufgezeigte Konflikt bei einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen und mit einer Niederdruck-AGR ausgestatteten Brennkraftmaschine kann nach dem Stand der Technik nicht aufgelöst werden, so dass häufig neben der Niederdruck-AGR zusätzlich eine Hochdruck-AGR zum Einsatz kommen muss.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und hohe Abgasrückführraten mittels Niederdruck-AGR realisiert werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Niederdruck-AGR entgegen gewirkt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
– einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– das Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichtergehäuses und stromabwärts des Knotenpunktes mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist.

Das Ansaugsystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, mit der die Temperatur der Innenwandung des Ansaugsystems erhöht werden kann. Mittels Erwärmung kann die Wandtemperatur über die Tautemperatur der gasförmigen Komponenten des Abgases bzw. der Ladeluft hinaus angehoben werden.
Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. an der Innenwandung des Verdichtergehäuses kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden.
Mit dem Unterbinden der Bildung von Kondensat im Ansaugsystem und im Eintrittsbereich des Verdichters entfällt auch eine erhöhte Geräuschemission infolge von Kondensattröpfchen. Die Gefahr einer Beschädigung der Laufradschaufeln des mindestens einen Verdichters wird eliminiert. Der Wirkungsgrad des Verdichters wird gesteigert bzw. bleibt von der Abgasrückführung mittels Niederdruck-AGR unbeeinflusst.
Eine Begrenzung der mittels Niederdruck-AGR rückgeführten Abgasmenge ist nicht erforderlich, so dass hohe Rückführraten mittels Niederdruck-AGR realisiert werden können, um die Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der hohe Abgasrückführraten mittels Niederdruck AGR realisiert werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Niederdruck-AGR entgegen gewirkt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden, wobei die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden kann, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslassseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers häufig angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
Anders als bei den Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Axialverdichter ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt.
Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei die Rückführleitung zwischen der Turbine und dem Absperrelement von dem Abgasabführsystem abzweigt. Das erste Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts im Abgasabführsystem zu steigern, und damit zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen bzw. genutzt werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des Knotenpunktes ein zweites Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist. Das zweite Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit – wie das erste Absperrelement – zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das erste und/oder zweite Absperrelement eine verschwenkbare Klappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Heizeinrichtung am Knotenpunkt angeordnet ist. Das rückgeführte Abgas wird in der Regel am Knotenpunkt bei Eintritt in das Ansaugsystem deutlich umgelenkt. Diese spürbare Richtungsänderung ist prinzipbedingt mit einem Wandkontakt, d. h. mit einem Kontakt an der Innenwandung des Ansaugsystems verbunden. Insofern ist es vorteilhaft, den Bereich, in welchen das rückgeführte Abgas eintritt, zu erwärmen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasrückführung ein Absperrelement umfasst, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient, am Knotenpunkt angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Absperrelement ein kombiniertes Ventil ist, mit dem sich sowohl die Menge rückgeführten Abgases als auch die Frischluftmenge einstellen lässt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Heizeinrichtung in das Absperrelement integriert ist.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Heizeinrichtung außen am Ansaugsystem angeordnet ist, so dass eine Einflussnahme auf die Gasströmung im Ansaugsystem unterbleibt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Heizeinrichtung in einer Wandung des Ansaugsystems integriert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung ist. Eine elektrische Heizeinrichtung kann im Bedarfsfall jederzeit eingesetzt werden und unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Erwärmung der Innenwandung des Ansaugsystems aktiviert werden. Eine Versorgung der elektrischen Heizeinrichtung mit Energie kann beispielsweise mittels der Bordbatterie eines Fahrzeuges erfolgen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die elektrische Heizeinrichtung mindestens einen beheizbaren Draht umfasst. Dieser Draht kann bereits beim Herstellen des Ansaugsystems bzw. des Absperrelements eingebracht werden, beispielsweise in die Wandung des Ansaugsystems bzw. des Absperrelements eingegossen werden. Auf diese Weise wird ein hoher Wärmeübergang vom Draht in die Wandung gewährleistet bzw. realisiert.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Heizeinrichtung mindestens einen mit einem Fluid beaufschlagbaren Kanal umfasst. Die Brennkraftmaschine hat in der Regel mehrere Betriebsflüssigkeiten, die für einen Wärmeintrag bzw. als Wärmequelle genutzt bzw. herangezogen werden können, beispielsweise das Kühlmittel einer Flüssigkeitskühlung oder das Öl aus einem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal mit dem Abgasabführsystem zumindest verbindbar ist. Vorliegend wird das heiße Abgas für einen Wärmeintrag bzw. als Wärmequelle genutzt, wobei das Abgas dem Abgasabführsystem oder der Abgasrückführung entnommen werden kann.
Bei Brennkraftmaschinen mit Flüssigkeitskühlung sind aus den bereits genannten Gründen auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Kanal mit der Flüssigkeitskühlung zumindest verbindbar ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Knotenpunkt in der Nähe des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Abstandes ∆ ausgebildet und angeordnet ist. Eine verdichternahe Anordnung des Knotenpunktes verkürzt die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem bis hin zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad, so dass die Zeit, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können, reduziert wird. Einer Bildung von Kondensattröpfchen wird dadurch entgegengewirkt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand ∆ gilt: ∆ ≤ 1.5D_V, wobei D_V den Durchmesser des mindestens einen Verdichterlaufrades angibt. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen für den Abstand ∆ gilt: ∆ ≤ 1.0D_V, vorzugsweise ∆ ≤ 0.75D_V.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Verdichtergehäuse stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einer zusätzlichen Heizeinrichtung ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind.
Häufig bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Es wird aber häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Ladedruckabfall bzw. Drehmomentabfall.
Wird ein kleiner Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt, eingesetzt, kann dadurch das Turbinendruckverhältnis erhöht werden. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Diese Variante hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist und der Drehmomentabfall lediglich hin zu niedrigen Drehzahlen verschoben wird. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge sukzessive Turbinen zugeschaltet werden.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich. Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen sein, bei denen eine zusätzliche Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers wieder in das Ansaugsystem mündet.
Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Niederdruck-AGR wird bei einer Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet, d. h. Abgas rückgeführt, welches die Turbine noch nicht durchströmt hat. Ein Vorteil der Hochdruck-AGR ist, dass ein ausreichend hohes Druckgefälle zur Förderung des Abgases vorliegt und das Abgas keiner Abgasnachbehandlung unterzogen werden muss.
Beim Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art wird das Ansaugsystem mittels Heizeinrichtung erwärmt, um einem Ausscheiden von Kondensat entgegen zu wirken, falls Abgas via Rückführleitung zurückgeführt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung, teilweise geschnitten.
1 zeigt schematisch den im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 3 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung 5, teilweise geschnitten.
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (nicht dargestellt) und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 umfasst. Der Verdichter 2 ist ein Radialverdichter 2b, in dessen Gehäuse 2c mindestens ein Laufrad auf einer drehbaren Welle gelagert ist.
Der Verdichter 2 des Abgasturboladers weist einen Eintrittsbereich 2a auf, der koaxial zur Welle des Verdichters 2 verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 2 des Abgasturboladers im Wesentlichen axial erfolgt und der Abschnitt des Ansaugsystems 1 stromaufwärts des Verdichters 2 keine Richtungsänderungen aufweist.
Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung 5 ausgestattet, welche eine Rückführleitung 5a umfasst, die stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 2 bzw. Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes 5c in das Ansaugsystem 1 mündet. Zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient ein Absperrelement 5b, welches vorliegend am Knotenpunkt 5c angeordnet ist. Stromaufwärts des Knotenpunktes 5c ist im Ansaugsystem 1 ein zweites Absperrelement 4 in Gestalt einer Drosselklappe 4 angeordnet. Diese Drosselklappe 4 dient zur Einstellung der Frischluftmenge und zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem 1 stromabwärts der Klappe 4. Die Klappe 4 kann damit für eine Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem 1 verwendet werden.
Das Ansaugsystem 1 stromaufwärts des Verdichtergehäuses 2c und stromabwärts des Knotenpunktes 5c ist mit einer Heizeinrichtung 3 ausgestattet. Vorliegend ist die Heizeinrichtung 3 eine elektrische Heizeinrichtung 3a, die einen beheizbaren Draht umfasst und außen am Ansaugsystem 1 angeordnet ist, so dass eine Einflussnahme auf die Gasströmung im Ansaugsystem 1 unterbleibt. Dabei ist die Heizeinrichtung 3 zum einen in das Absperrelement 5b und zum anderen in eine Wandung des Ansaugsystems 1 integriert.
Das Verdichtergehäuse 2c ist stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einer zusätzlichen Heizeinrichtung 6 ausgestattet. Vorliegend ist auch diese Heizeinrichtung 6 eine elektrische Heizeinrichtung 3a, die einen im Verdichtergehäuse 2c integrierten beheizbaren Draht umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Verdichter des Abgasturboladers
2a: Eintrittsbereich des Verdichters des Abgasturboladers
2b: Radialverdichter
2c: Verdichtergehäuse des Abgasturboladers
3: Heizeinrichtung
3a: elektrische Heizeinrichtung
4: Drosselklappe, zweites Absperrelement
5: Abgasrückführung
5a: Rückführleitung
5b: Absperrelement der Abgasrückführung
5c: Knotenpunkt
6: zusätzliche Heizeinrichtung
∆: Abstand des Knotenpunktes zum Verdichterlaufrad
AGR: Abgasrückführung
D_V: Durchmesser des mindestens einen Verdichterlaufrades
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Ladeluft
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, – mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2) umfasst, wobei der Verdichter (2) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2c) auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und – einer Abgasrückführung (5) umfassend eine Rückführleitung (5a), die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes (5c) in das Ansaugsystem (1) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des Verdichtergehäuses (2c) und stromabwärts des Knotenpunktes (5c) mit einer Heizeinrichtung (3) ausgestattet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter (2b) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich (2a) aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters (2) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter (2) im Wesentlichen axial erfolgt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei die Rückführleitung (5a) zwischen der Turbine und dem Absperrelement von dem Abgasabführsystem abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Knotenpunktes (5c) ein zweites Absperrelement (4) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Absperrelement (4) eine verschwenkbare Klappe (4) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3) am Knotenpunkt (5c) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absperrelement (5b) am Knotenpunkt (5c) angeordnet ist, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3) in das Absperrelement (5b) integriert ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3) außen am Ansaugsystem (1) angeordnet ist, so dass eine Einflussnahme auf die Gasströmung im Ansaugsystem (1) unterbleibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3) in einer Wandung des Ansaugsystems (1) integriert ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3) eine elektrische Heizeinrichtung (3a) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (3a) mindestens einen beheizbaren Draht umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (3) mindestens einen mit einem Fluid beaufschlagbaren Kanal umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal mit dem Abgasabführsystem zumindest verbindbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, bei der eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal mit der Flüssigkeitskühlung zumindest verbindbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Knotenpunkt (5c) in der Nähe des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Abstandes ∆ ausgebildet und angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand ∆ gilt: ∆ ≤ 1.5D_V, wobei D_V den Durchmesser des mindestens einen Verdichterlaufrades angibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2c) stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einer zusätzlichen Heizeinrichtung (6) ausgestattet ist.