DE202016100736U1

DE202016100736U1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Verdichter

Info

Publication number: DE202016100736U1
Application number: DE202016100736.4U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2026-02-13

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und – mindestens einem Verdichter (1), der im Ansaugsystem (2) angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse (1b) auf einer drehbaren Welle (1a) angeordnetes und mit Laufschaufeln (1d) ausgestattetes Laufrad (1c) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (1c) ein Absperrelement (4) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist, und – mindestens eine Bypassleitung (3) vorgesehen ist, die stromaufwärts des Absperrelements (4) aus dem Ansaugsystem (2) abzweigt und zwischen dem Absperrelement (4) und dem mindestens einen Laufrad (1c) unter Ausbildung eines Mündungsbereichs (3b) wieder in das Ansaugsystem (2) einmündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und
– mindestens einem Verdichter, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle angeordnetes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst.

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.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, bei dem die Einstellung der angeforderten Last bzw. Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zum Einsatz kommt. So lässt sich mittels Direkteinspritzung eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
Die Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs bietet ebenfalls die Möglichkeit der Entdrosselung. Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Eine weitere Maßnahme, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, 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. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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. Vorteilhafterweise 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 Kühler 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 ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines mechanischen Laders, d. h. eines Kompressors, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer 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 Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren 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 Verdichterkennfeld 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.
Das Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen ist bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen von grundsätzlicher Bedeutung, da auch bei kleinen Ladeluftmengen ausreichend hohe Ladedrücke bereitgestellt werden sollen, um auf diese Weise eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch bei niedrigen Drehzahlen zu realisieren.
Nach dem Stand der Technik nimmt die Strömungsgeschwindigkeit c der Ladeluft im Ansaugsystem bei kleinen Ladeluftmengen derart stark ab, dass sich die Anströmung des mindestens einen mit Umfangsgeschwindigkeit u rotierenden Laufrades so weit verschlechtert, dass sich eine Druckerhöhung mittels Umlenkung der Ladeluftströmung beim Durchströmen des Laufrades nur begrenzt bzw. gar nicht realisieren lässt. Vielmehr reißt die Ladeluftströmung von den Laufschaufeln ab, ein teilweises Rückströmen stellt sich ein und der Verdichter fängt an, zu pumpen.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Aufladeverhalten bei kleinen Ladeluftmengen verbessert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und
– mindestens einem Verdichter, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle angeordnetes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst,

die dadurch gekennzeichnet ist, dass

– stromaufwärts des mindestens einen Laufrades ein Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist, und
– mindestens eine Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des Absperrelements aus dem Ansaugsystem abzweigt und zwischen dem Absperrelement und dem mindestens einen Laufrad unter Ausbildung eines Mündungsbereichs wieder in das Ansaugsystem einmündet.

Der mindestens eine Verdichter der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann ein mechanischer Lader sein, d. h. ein Kompressor, oder aber der Verdichter eines Abgasturboladers.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist stromaufwärts des mindestens einen Laufrades mit einem Absperrelement ausgestattet, welches im Ansaugsystem angeordnet ist und mittels Bypassleitung umgangen werden kann.
Diese beiden konstruktiven Maßnahmen dienen – insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen – dazu, auf die Anströmung des mindestens einen rotierenden Laufrades in vorteilhafter Weise Einfluss zu nehmen und auf diese Weise das Aufladeverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Bei geschlossenem Absperrelement verleiht die Bypassleitung der aus ihrem Mündungsbereich in das Ansaugsystem eintretenden Ladeluftströmung eine zum Laufrad bzw. zur Welle des Verdichters tangential bzw. radial ausgerichtete Geschwindigkeitskomponente.
Die Anströmung des mindestens einen rotierenden Laufrades wird dadurch in entscheidender Weise verbessert, denn die Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung wird gegenüber der Welle des Verdichters in der Art gedreht, dass sich in Kombination mit der Umfangsgeschwindigkeit u des mindestens einen rotierenden Laufrades eine verbesserte verwertbare relative Anströmgeschwindigkeit w der Ladeluft relativ zu den rotierenden Laufschaufeln ergibt bzw. einstellt.
Auf eine komplexe Leiteinrichtung zur Beeinflussung der Anströmung, die der Ladeluftströmung beispielsweise einen Drall aufzwingt, d. h. eine Geschwindigkeitskomponente quer zur Welle des Verdichters bzw. in Umfangsrichtung, kann verzichtet werden. Mit der Leiteinrichtung entfallen auch die Kosten für die regelmäßig verstellbare Leiteinrichtung sowie deren Steuerung. Die Problematik, dass eine im Ansaugsystem vorgesehene Leiteinrichtung insbesondere bei hohen Drehzahlen bzw. großen Ladeluftmengen lediglich einen unerwünschten Strömungswiderstand darstellt und den Druck in der Ladeluftströmung mindert, entfällt ebenfalls.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Aufladeverhalten bei kleinen Ladeluftmengen verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Bypassleitung im Mündungsbereich in einer Projektion senkrecht zur Welle des mindestens einen Verdichters einen spitzen Anstellwinkel α mit der Welle bildet. Dann gilt: α ≤ 90°, vorzugsweise 20° ≤ α ≤ 70°, bevorzugt insbesondere 30° ≤ α ≤ 60°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen im Mündungsbereich mindestens einer Bypassleitung eine Leiteinrichtung angeordnet ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Leiteinrichtung eine verstellbare Leiteinrichtung ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst. Dann ist der Anstellwinkel α in gewissen Grenzen veränderbar bzw. bedarfsgerecht in Abhängigkeit der momentan vorliegenden Ladeluftmenge einstellbar.
Mit einer verstellbaren Leiteinrichtung kann gezielt auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden, insbesondere auf die Art und den Umfang der Drehung der Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung gegenüber der Welle des Verdichters.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Mündungsbereich düsenartig ausgebildet ist. Weist der Mündungsbereich – ähnlich einer Düse – einen verengten Strömungsquerschnitt auf, wird die Ladeluftströmung beim Austritt aus der Bypassleitung beschleunigt, d. h. die Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung wird vergrößert. Dieser Effekt erweist sich insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen, wenn das Absperrelement geschlossen ist und die Bypassleitung zur Beaufschlagung des Laufrades mit Ladeluft genutzt wird, als vorteilhaft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Mündungsbereich schlitzartig ausgebildet ist. Ein schlitzartig ausgebildeter Mündungsbereich eignet sich besonders, um ein begrenztes Segment des mindestens einen Laufrades mit Ladeluft zu beaufschlagen und/oder die Ladeluftströmung beim Austreten aus der Bypassleitung zu beschleunigen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Mündungsbereich – senkrecht zur Welle – beabstandet zur Welle des mindestens einen Verdichters angeordnet ist, d. h. außermittig. Eine aus der Bypassleitung austretende Ladeluftströmung, die als Verlängerung des Mündungsbereichs anzusehen ist, ist vorliegend – in einem Schnitt senkrecht zur Welle – beabstandet zur Welle des mindestens einen Verdichters ausgerichtet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Mündungsbereich ein begrenztes Segment des mindestens einen Laufrades mit Ladeluft beaufschlagt. Vorliegend wird nicht das gesamte Laufrad mit Ladeluft versorgt bzw. beaufschlagt. Vielmehr wird die Ladeluftströmung der Bypassleitung gezielt einem begrenzten Teilbereich des Laufrades zugeführt. Auf diese Weise lässt sich die kleine zur Verfügung stehende Ladeluftmenge besser, d. h. effektiver nutzen. Vorteilhaft ist es insbesondere, ein ringförmiges Segment des mindestens einen rotierenden Laufrades mit Ladeluft zu beaufschlagen.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Mündungsbereich in einer Projektion in Richtung der Welle des mindestens einen Verdichters ein ringförmiges Segment des mindestens einen rotierenden Laufrades mit Ladeluft beaufschlagt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das ringförmige Segment – vorzugsweise möglichst weit – beabstandet zur Welle des mindestens einen Verdichters angeordnet ist. Strömungstechnisch und daher auch in Hinblick auf Wirkungsgrad des Verdichters ist es vorteilhaft, ein Segment auf einem äußeren Umfang des rotierenden Laufrades mit Ladeluft zu beaufschlagen. Je weiter das Segment beabstandet zur Welle des Verdichters angeordnet ist desto günstiger ist es im Hinblick auf die Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mindestens einen Verdichters eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem angeordnet ist.
Es kann sinnvoll sein, eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem vorzusehen, um im Rahmen einer Quantitätsregelung die Last in weiten Bereichen einstellen zu können, insbesondere bei sehr kleinen Ladeluftmengen, oder um die Luftzufuhr zu den Zylindern unterbinden zu können.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Drosselvorrichtung eine Drosselklappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mindestens einen Verdichters ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Die Temperatur der Ladeluft wird durch Kühlung abgesenkt und damit die Dichte gesteigert. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung. Der Kühler trägt auf diese Weise zu einer besseren Füllung der Zylinder bei.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Axialverdichter ist, bei dem die Abströmung im Wesentlichen axial erfolgt. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuführung der Ladeluft zum Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt. Die Ladeluft muss dann beim Durchströmen des Eintrittsbereichs nicht umgelenkt werden, um dem Verdichter axial zugeführt zu werden. Da eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Eintrittsbereich unterbleibt, werden unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden. Der Wirkungsgrad und das Ladedruckverhältnis können gesteigert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform bietet insbesondere Vorteile hinsichtlich eines dichten Packagings, wenn der mindestens eine Verdichter der Verdichter eines Abgasturboladers ist. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind. Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind.
Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Aufladung mittels Abgasturboladern weiter fortgeführt. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist, weil sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ist.
Wie eingangs bereits ausgeführt leidet eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine unter einem Drehmomentabfall, sobald die Motordrehzahl verringert wird und der Abgasmassenstrom abnimmt.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch einen zusätzlich vorgesehenen mechanischen Lader, d. h. Kompressor, verbessert werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Kompressor ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, kann eine Abgasrückführung eingesetzt werden, d. h. eine Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Kühler vorgesehen ist, der die Temperatur im heißen Abgasstrom senkt und damit die Dichte der Abgase steigert. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch abgesenkt, wodurch auch dieser Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
Zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art wird das stromaufwärts des mindestens einen Laufrades im Ansaugsystem angeordnete Absperrelement in eine Schließstellung überführt, sobald die Ladeluftmenge eine vorgebbare Ladeluftmenge unterschreitet.
Bei geschlossenem Absperrelement wird das mindestens eine Laufrad des Verdichters via Bypassleitung mit Ladeluft versorgt. Bei geschlossenem Absperrelement verleiht die Bypassleitung der aus ihrem Mündungsbereich in das Ansaugsystem eintretenden Ladeluftströmung eine zum Laufrad bzw. zur Welle des Verdichters tangential bzw. radial ausgerichtete Geschwindigkeitskomponente.
Vorteilhaft ist es, das stromaufwärts des mindestens einen Laufrades im Ansaugsystem angeordnete Absperrelement in eine Schließstellung zu überführen, sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine n_mot eine vorgebbare Drehzahl n_mot,down unterschreitet.
Die Ladeluftmenge nimmt grundsätzlich mit der Drehzahl n_mot zu. Bei einem traditionellen Ottomotor mit Quantitätsregelung steigt die Ladeluftmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Ladeluftmenge bei einem traditionellen Dieselmotor mit Qualitätsregelung in erster Näherung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine, so dass zusätzlich der Ladedruck auf der Ansaugseite zu berücksichtigen ist, der sich mit der Last und/oder der Drehzahl ändern kann und Einfluss auf die Ladeluftmenge hat. Die vorstehend dargelegten Zusammenhänge betreffend die Ladeluftmenge und die Last bzw. Drehzahl gelten folglich in dieser allgemeinen Form nur bedingt. Daher kann es vorteilhaft sein, zunächst auf die Ladeluftmenge abzustellen und nicht direkt auf die Drehzahl.
Vorteilhaft sind Varianten, bei denen das stromaufwärts des mindestens einen Laufrades im Ansaugsystem angeordnete Absperrelement in eine Schließstellung überführt wird, sobald die Last der Brennkraftmaschine T_mot eine vorgebbare Last T_mot,down unterschreitet. Bei einer Quantitätsregelung steigt die Ladeluftmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
1 zeigt schematisch den im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
Der Verdichter 1 ist im Ansaugsystem 2 der Brennkraftmaschine angeordnet und verfügt über ein Laufrad 1c, welches in einem Verdichtergehäuse 1b auf einer drehbaren Welle 1a angeordnet und mit Laufschaufeln 1d ausgestattet ist.
Der Verdichter 1 weist einen Eintrittsbereich 1e auf, der koaxial zur Welle 1a des Verdichters 1 verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuführung der Ladeluft zum Verdichter 1 axial erfolgt.
Stromaufwärts des Laufrades 1c ist ein Absperrelement 4 im Ansaugsystem 2 angeordnet. Vorliegend ist das Absperrelement 4 als verschwenkbare Klappe 4a ausgebildet, d. h. ein Butterfly-Ventil 4a. Das Bezugszeichen 4a‘ kennzeichnet die Klappe 4a in der Offenstellung und das Bezugszeichen 4a‘‘ die Klappe 4a in der Schließstellung.
Die geschlossene Klappe 4a kann umgangen werden. Hierzu ist eine Bypassleitung 3 vorgesehen, die stromaufwärts der Klappe 4a aus dem Ansaugsystem 2 abzweigt und zwischen der Klappe 4a und dem Laufrad 1c des Verdichters 1 unter Ausbildung eines Mündungsbereichs 3b wieder in das Ansaugsystem 2 einmündet. In der Bypassleitung 3 ist ein weiteres Absperrelement 3a vorgesehen, um die Bypassleitung 3 freizugeben bzw. zu versperren. Bei kleinen Ladeluftmengen wird die Klappe 4a in die Schließstellung überführt und das Laufrad 1c via Bypassleitung 3 mit Ladeluft versorgt.
Die 1 zeigt die unterschiedlichen Strömungsbedingungen anhand der Geschwindigkeitsvektoren im Ansaugsystem 2.
Stromaufwärts der Klappe 4a ist die Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftströmung bei geöffneter Klappe 4a‘ und kleiner Ladeluftmenge dargestellt. Entsprechend der geringen Menge an Ladeluft und dem vergleichsweise großen Strömungsquerschnitt des Ansaugsystems 2 ist die Absolutgeschwindigkeit c klein. Ohne Leiteinrichtung wird das rotierende Laufrad 1c von der Ladeluft axial, d. h. in Richtung der Drehachse 1a des Verdichters 1 angeströmt, wodurch sich bei kleinen Ladeluftmengen generell eine schlechte Anströmung der umlaufenden Laufschaufeln 1d ergibt und damit eine schlechte Drehmomentcharakteristik bei niedrigen Drehzahlen.
Stromabwärts der Klappe 4a ist das Geschwindigkeitsdreieck der Ladeluftströmung bei geschlossener Klappe 4a‘‘ und kleiner Ladeluftmenge dargestellt. Bei geschlossener Klappe 4a‘‘ verleiht die Bypassleitung 3 der Ladeluftströmung eine zum Laufrad 1c bzw. zur Welle 1a des Verdichters 1 tangential bzw. radial ausgerichtete Geschwindigkeitskomponente. Die Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung wird gegenüber der Welle 1a des Verdichters 1 in der Art gedreht, dass sich die Anströmung des rotierenden Laufrades 1c entscheidend verbessert.
Die relevante Relativgeschwindigkeit w der Anströmung zu den Laufschaufeln 1d ergibt sich unter Berücksichtigung der Absolutgeschwindigkeit c und der Umfangsgeschwindigkeit u infolge der Drehbewegung des Laufrades 1c.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
1a: Welle des Verdichters, Drehachse
1b: Verdichtergehäuse
1c: Laufrad
1d: Laufschaufeln
1e: Eintrittsbereich
2: Ansaugsystem
3: Bypassleitung
3a: weiteres Absperrelement
3b: Mündungsbereich
4: Absperrelement
4a: verschwenkbare Klappe, Butterfly-Ventil
4a‘: Klappe in der Offenstellung
4a‘‘: Klappe in der Schließstellung
α: Anstellwinkel der Bypassleitung gegenüber der Welle des Verdichters
n_mot: Drehzahl der Brennkraftmaschine
T_mot: Last der Brennkraftmaschine
c: Absolutgeschwindigkeit der Anströmung
u: Umfangsgeschwindigkeit infolge der Drehbewegung des Laufrades
w: Relativgeschwindigkeit der Anströmung zu den Laufschaufeln

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und – mindestens einem Verdichter (1), der im Ansaugsystem (2) angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse (1b) auf einer drehbaren Welle (1a) angeordnetes und mit Laufschaufeln (1d) ausgestattetes Laufrad (1c) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (1c) ein Absperrelement (4) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist, und – mindestens eine Bypassleitung (3) vorgesehen ist, die stromaufwärts des Absperrelements (4) aus dem Ansaugsystem (2) abzweigt und zwischen dem Absperrelement (4) und dem mindestens einen Laufrad (1c) unter Ausbildung eines Mündungsbereichs (3b) wieder in das Ansaugsystem (2) einmündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bypassleitung (3) im Mündungsbereich (3b) in einer Projektion senkrecht zur Welle (1a) des mindestens einen Verdichters (1) einen spitzen Anstellwinkel α mit der Welle (1a) bildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Mündungsbereich (3b) mindestens einer Bypassleitung (3) eine Leiteinrichtung angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung eine verstellbare Leiteinrichtung ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich (3b) düsenartig ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich (3b) schlitzartig ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich (3b) – senkrecht zur Welle (1a) – beabstandet zur Welle (1a) des mindestens einen Verdichters (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich (3b) ein begrenztes Segment des mindestens einen Laufrades (1c) mit Ladeluft beaufschlagt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsbereich (3b) in einer Projektion in Richtung der Welle (1a) des mindestens einen Verdichters (1) ein ringförmiges Segment des mindestens einen rotierenden Laufrades (1c) mit Ladeluft beaufschlagt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Segment beabstandet zur Welle (1a) des mindestens einen Verdichters (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des mindestens einen Verdichters (1) eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtung eine Drosselklappe ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des mindestens einen Verdichters (1) ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (1) einen Eintrittsbereich (1e) aufweist, der koaxial zur Welle (1a) des Verdichters (1) verläuft und ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (1) ein Radialverdichter ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (1) der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ist.