DE202016103188U1

DE202016103188U1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung

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Publication number: DE202016103188U1
Application number: DE202016103188.5U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2026-06-17

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, – mindestens einem im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3), der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (3e) auf einer drehbaren Welle (3c) gelagerten Verdichterlaufrad (3d) ausgestattet ist, – einer Abgasrückführung (4) umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei das Rückführleitungssystem mindestens eine Leitung umfasst, die via Eintrittsöffnung (4b) ansaugseitig mit dem Ansaugsystem (1) strömungstechnisch zumindest verbindbar ist, und – einer verstellbaren Leiteinrichtung (5), die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist und mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln (5a) umfasst, wobei jede Leitschaufel (5a) auf einer leitschaufelzugehörigen Welle (5b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Eintrittsöffnung (4b) des Rückführleitungssystems eine Leitschaufel (5a) der Leiteinrichtung (5) zugeordnet ist, die mit einem auf der leitschaufelzugehörigen Welle (5b) quer angeordneten Schaufelfuß (5c) ausgestattet ist, welcher die Eintrittsöffnung (4b) in einer ersten Position versperrt und in einer zweiten Position zwecks Abgasrückführung (4) freigibt, wobei – ein Drehen der leitschaufelzugehörigen Welle (5b) beim Verstellen der Leiteinrichtung (5) dem Überführen des Schaufelfußes (5c) von einer Position in eine andere Position dient, und – beim Verstellen der Leiteinrichtung (5) die Leitschaufel (5a) das Ansaugsystem (1) zunehmend versperrt je weiter der Schaufelfuß (5c) die Eintrittsöffnung (4b) freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Verdichterlaufrad ausgestattet ist,
– einer Abgasrückführung umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades in das Ansaugsystem mündet, wobei das Rückführleitungssystem mindestens eine Leitung umfasst, die via Eintrittsöffnung ansaugseitig mit dem Ansaugsystem zumindest verbindbar ist, und
– einer verstellbaren Leiteinrichtung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades im Ansaugsystem angeordnet ist und mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, wobei jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist.

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, und 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.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei 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 Hubraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
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 die mindestens zwei 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 häufig direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit den Wirkungsgrad mindert. Im Einzelfall ist eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines mechanischen Laders 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; insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen den angeforderten Ladedruck bereitzustellen.
Bei kleinen Ladeluftmengen, d. h. kleinen Verdichterströmen, nimmt die absolute Strömungsgeschwindigkeit v_absolut der Ladeluft im Ansaugsystem nämlich stark ab. Die Anströmung mit der Anströmgeschwindigkeit v_relative relativ zu dem mindestens einen mit Umfangsgeschwindigkeit u_wheel rotierenden Laufrad verschlechtert sich, so dass sich eine Druckerhöhung mittels Umlenken der Ladeluftströmung beim Durchströmen des Laufrades nur begrenzt bzw. nicht realisieren lässt. Vielmehr reißt die Ladeluftströmung von den Laufschaufeln ab, ein teilweises Rückströmen stellt sich ein und der Verdichter fängt an, zu pumpen.
Grundsätzlich ist man bemüht, die Pumpgrenze des Verdichters so weit wie möglich hin zu kleinen Verdichterströmen zu verschieben, um auch bei kleinen Ladeluftmengen ausreichend hohe Ladedrücke bereitstellen zu können und auf diese Weise eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch bei niedrigen Drehzahlen zu gewährleisten.
Die Pumpgrenze des Verdichters so weit wie möglich hin zu kleinen Verdichterströmen zu verschieben, ist noch aus anderen Gründen vorteilhaft.
Löst sich die Ladeluftströmung von den tragflächenähnlichen Schaufeln ab, können die dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen an den Schaufeln zu einer erhöhten Geräuschemission und gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln führen. Weitere negative Effekte, die auftreten können, sind Massenstromschwankungen sowie ein starker Wirkungsgradverlust.
Mit einer variablen Verdichtergeometrie kann diesen Effekten entgegen gewirkt werden. Durch Verstellen der Schaufeln einer stromaufwärts vorgesehenen Leiteinrichtung kann auf die Anströmung der rotierenden Laufradschaufeln, d. h. auf den Anströmwinkel, in begrenztem Umfang Einfluss genommen werden, wodurch die Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben wird. Die Ausstattung eines Verdichters mit einer variablen Verdichtergeometrie ist aber kostenintensiv und daher nicht ohne weiteres für den Serieneinsatz geeignet.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Die Aufladung der Brennkraftmaschine unterstützt diese Bemühungen, wie vorstehend dargelegt.
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 Abgasrückführrate 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.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, können hohe Abgasrückführraten erforderlich werden, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% und mehr liegen können. Derart hohe Rückführraten können eine Kühlung des rückzuführenden Abgases erforderlich machen, mit der die Temperatur des Abgases gesenkt und die Dichte des Abgases gesteigert wird, so dass eine größere Abgasmasse zurückgeführt werden kann. Folglich wird eine Abgasrückführung regelmäßig mit einem Kühler ausgestattet.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet, bei der die Rückführleitung bzw. das Rückführleitungssystem stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Das 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 via Ansaugsystem zugeführt und komprimiert wird. Da Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird vorzugsweise Abgas verwendet, welches 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 dann nicht zu befürchten.
Für die Rückführung von Abgas ist ein Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem erforderlich. Zur Generierung des erforderlichen Druckgefälles kann ein Absperrelement im Abgasabführsystem vorgesehen werden, um das Abgas zu stauen und den Abgasdruck zu erhöhen, und/oder ein Absperrelement im Ansaugsystem vorgesehen werden, um einlassseitig den Druck stromaufwärts des Verdichters zu senken. Beide Maßnahmen sind energetisch nachteilig. Insbesondere die einlassseitige Drosselung der Ladeluft stromaufwärts des Verdichters muss im Hinblick auf die Aufladung der Brennkraftmaschine als nachteilig angesehen werden.
Aus dem Stand der Technik sind auch Konzepte bekannt, bei denen eine Klappe vorgesehen wird an der Stelle, an der die Abgasrückführung in das Ansaugsystem mündet. Die Klappe kann der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Frischluftmenge und gleichzeitig der Dosierung der via Abgasrückführung rückgeführten Abgasmenge dienen und ist um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse in der Art verschwenkbar, dass in einer ersten Endposition die Vorderseite der Klappe das Ansaugsystem versperrt und gleichzeitig die Rückführleitung freigegeben wird und in einer zweiten Endposition die Rückseite der Klappe die Rückführleitung verdeckt und gleichzeitig das Ansaugsystem freigegeben wird. Im vorstehenden Sinne bedeuten sowohl Versperren als auch Verdecken nicht zwingend auch Verschließen.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, weniger Bauteile bei gleicher Funktionalität aufweist und kostengünstiger ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Verdichterlaufrad ausgestattet ist,
– einer Abgasrückführung umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades in das Ansaugsystem mündet, wobei das Rückführleitungssystem mindestens eine Leitung umfasst, die via Eintrittsöffnung ansaugseitig mit dem Ansaugsystem zumindest verbindbar ist, und
– einer verstellbaren Leiteinrichtung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades im Ansaugsystem angeordnet ist und mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, wobei jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Eintrittsöffnung des Rückführleitungssystems eine Leitschaufel der Leiteinrichtung zugeordnet ist, die mit einem auf der leitschaufelzugehörigen Welle quer angeordneten Schaufelfuß ausgestattet ist, welcher die Eintrittsöffnung in einer ersten Position versperrt und in einer zweiten Position zwecks Abgasrückführung freigibt, wobei
– ein Drehen der leitschaufelzugehörigen Welle beim Verstellen der Leiteinrichtung dem Überführen des Schaufelfußes von einer Position in eine andere Position dient, und
– beim Verstellen der Leiteinrichtung die Leitschaufel das Ansaugsystem zunehmend versperrt je weiter der Schaufelfuß die Eintrittsöffnung freigibt.

Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ausgewählte Leitschaufeln mit einem Schaufelfuß versehen bzw. ausgebildet sind, d. h. mindestens eine Leitschaufel, vorzugsweise sämtliche Leitschaufeln.
Jeder Eintrittsöffnung des Rückführleitungssystems ist der Schaufelfuß einer derartig ausgebildeten Leitschaufel zugeordnet. Der Schaufelfuß ist – wie die Leitschaufel selbst – auf der leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet und zwar quer zur Welle und wandseitig, d. h. entlang der Innenwandung des Ansaugsystems ausgerichtet, benachbart zur zugehörigen Eintrittsöffnung. Diese Anordnung und Ausrichtung des Schaufelfußes ermöglicht es, die Eintrittsöffnung mit einem in einer ersten Position befindlichen Schaufelfuß zu versperren und durch Drehen der leitschaufelzugehörigen Welle und damit des Schaufelfußes in eine zweite Position freizugeben, wobei der Öffnungsgrad der Eintrittsöffnung durch Drehen des Schaufelfußes beeinflusst bzw. eingestellt werden kann.
Damit dient die Leiteinrichtung nicht nur der Beeinflussung bzw. Verbesserung der Anströmung des Verdichterlaufrades, beispielsweise dem Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Ladeluftmengen, sondern auch der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge und damit der Rückführrate, weshalb auf eine separate Dosiereinrichtung zur Bemessung der rückgeführten Abgasmenge, beispielsweise ein AGR-Ventil, verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung übernimmt zusätzlich die Funktion einer Dosiereinrichtung zur Bemessung der rückgeführten Abgasmenge.
Zudem ist die Kinematik der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung dergestalt, dass beim Verstellen der Leiteinrichtung die Leitschaufeln das Ansaugsystem zunehmend versperren je weiter der Schaufelfuß einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leitschaufel die zugehörige Eintrittsöffnung freigibt. D. h. die rückgeführte Abgasmenge wird erhöht, während gleichzeitig die dem Verdichter zugeführte Frischluftmenge verringert wird. Es ergeben sich weitere Synergieeffekte.
Das für die Rückführung von Abgas erforderliche Druckgefälle zwischen Abgasabführsystem und Ansaugsystem wird nämlich ohne weiteres Zutun bedarfsgerecht eingestellt. Mit zunehmender Rückführrate nimmt das Druckgefälle durch Versperren des Ansaugsystems in der notwendigen Weise zu. Ein Absperrelement im Abgasabführsystem und/oder im Ansaugsystem zur Generierung des Druckgefälles ist entbehrlich bzw. entfällt, wodurch die Anzahl an Bauteilen und die Kosten weiter reduziert werden.
Dadurch, dass das Rückführleitungssystem der Abgasrückführung erfindungsgemäß unmittelbar in die Leiteinrichtung mündet, wird das rückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas in zufriedenstellender Weise mit der im Ansaugsystem befindlichen Frischluft vermischt, so dass dem Verdichter gut durchmischte Ladeluft zugeführt wird.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, weniger Bauteile bei gleicher Funktionalität aufweist und kostengünstiger ist.
Die Eintrittsöffnungen können kreisförmig, ellipsenförmig oder eckig, insbesondere polygonal, ausgebildet sein, aber auch jede andere Form aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter der Verdichter eines Abgasturboladers ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Wie bereits erwähnt, kann es Schwierigkeiten bereiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird nämlich 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 mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden.
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 häufig unzureichend ist.
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 Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Die Drehmomentcharakteristik kann des Weiteren 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.
Eine Abgasturboaufladung kann auch in vorteilhafter Weise durch einen mechanischen Lader ergänzt oder ersetzt werden. Im Einzelfall kann es sinnvoll sein, den Lader mittels Elektromaschine anzutreiben.
Vorteilhaft sind im Zusammenhang mit einer Abgasturboaufladung Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Rückführleitungssystem der Abgasrückführung stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt.
Vorliegend ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-AGR ausgestattet. 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 ein Rückführleitungssystem, das 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 zurückgeführte Abgas wird vorzugsweise stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen, um Ablagerungen im Verdichter zu vermeiden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging, insbesondere bei Einsatz einer Abgasturboaufladung. 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 angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet 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 aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Axialverdichter ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.
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 Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter – ohne Leiteinrichtung bzw. bei vollständig geöffneter Leiteinrichtung – im Wesentlichen axial erfolgt.
Bei einem koaxialen Eintrittsbereich des Verdichters entfällt eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung infolge eines gekrümmt verlaufenden Ansaugsystems, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, der koaxial zur Verdichterwelle gelagert und verdrehbar ist.
Die Leitschaufeln werden vorzugsweise unter Verwendung von Zwischenelementen kinematisch mit dem Verstellring gekoppelt, so dass durch Verdrehen des Ringes die Leitschaufeln verstellt werden.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes mit den leitschaufelzugehörigen Wellen vorgesehen sind.
Als Zwischenelemente können verschwenkbare Hebel dienen, die geradlinig oder gekröpft ausgebildet sein können. Hebel können dabei jeweils an ihrem einen Ende via Bohrung verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle verbunden und an ihrem anderen balligen Ende beweglich in einer Ausnehmung des Verstellringes gelagert sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Rückführleitungssystem mindestens einen Ringkanal umfasst, der das Ansaugsystem zumindest abschnittsweise umfänglich umgibt, wobei von dem mindestens einen Ringkanal Kanäle ausgehen, die jeweils via Eintrittsöffnung mit dem Ansaugsystem zumindest verbindbar sind.
Vorliegend umfasst das Rückführleitungssystem der Abgasrückführung mindestens einen Ringkanal, von dem mehrere Kanäle ausgehen, die mit dem Ansaugsystem in Verbindung stehen bzw. in Verbindung gebracht werden können.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Ringkanal das Ansaugsystem vollumfänglich umschließt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kanäle des mindestens einen Ringkanals regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind.
Die drei letztgenannten Ausführungsformen unterstützen eine gute Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft, d. h. die Homogenisierung der Ladeluft im Ansaugsystem.
Vorteilhaft sind im Zusammenhang mit einem Ringkanal auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Ringkanal so viele Kanäle aufweist wie die Leiteinrichtung Leitschaufeln, wobei jeder Leitschaufel ein Kanal zugeordnet ist.
Bei Verwendung eines Ringkanals sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Kanäle zumindest ansaugseitig im Wesentlichen radial zur Welle des Verdichters ausgerichtet sind und damit die Welle in einer virtuellen Verlängerung schneiden.
Die Kanäle des Ringkanals sind vorliegend im Wesentlichen radial zur virtuellen Verlängerung der Welle des Verdichters ausgerichtet und dienen dem weiträumigen Einleiten von Abgas in das Ansaugsystem. Die Ausrichtung der Kanäle dient einer guten Durchmischung von Frischluft und Abgas und damit einer Homogenisierung der Ladeluft im Ansaugsystem.
Vorteilhaft können im Zusammenhang mit einem Ringkanal auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Kanäle zumindest ansaugseitig in der Art einer Sekante ausgerichtet sind und damit in einer virtuellen Verlängerung beabstandet zu der Welle des Verdichters verlaufen.
Die Ausrichtung der Kanäle in der Art einer Sekante bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die virtuelle Verlängerung jedes Kanals die kurvenähnliche Innenwandung des Ansaugsystems schneidet und beinhaltet insbesondere den Grenzfall, dass die virtuelle Verlängerung eines Kanals tangential zum äußeren Umfang des Verdichterlaufrades verläuft, d. h. in der Projektion eine Tangente bezüglich des Verdichterlaufrades darstellt, d. h. bildet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kanäle in einer Projektion in Richtung der Welle tangential zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad verlaufen. Die virtuellen Verlängerungen der Kanäle tangieren den äußeren Umfang des Verdichterlaufrades in der Projektion.
Die Kanäle in der Art einer Sekante bzw. einer Tangente sind dergestalt, dass das aus diesen Kanälen strahlenförmig austretende Abgas einen Wirbel um die virtuelle Verlängerung der Welle des Verdichters ausbildet.
Insofern kann, insbesondere bei kleinen Verdichterströmen, Einfluss genommen werden auf die Geschwindigkeit der Ladeluftströmung relativ zum Verdichterlaufrad, d. h. auf den Geschwindigkeitsvektor der Anströmung, wobei das Ausmaß der Einflussnahme mittels der aus den Kanälen austretenden Abgasmenge einstellbar ist. Der Geschwindigkeitsvektor der Ladeluftströmung erhält durch den Abgaswirbel eine zusätzliche Komponente, so dass der Winkel der Anströmung auf die rotierenden Laufradschaufeln des Verdichters verändert werden kann.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kanäle entsprechend der Drehrichtung des mindestens einen Verdichterlaufrades ausgerichtet sind.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich. Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen sein, bei denen eine zusätzliche Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts des mindestens einen Verdichters wieder in das Ansaugsystem mündet.
Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Niederdruck-AGR wird bei einer Hochdruck-AGR Abgas stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet. Ein Vorteil der Hochdruck-AGR ist, dass regelmäßig ein ausreichend hohes Druckgefälle zur Förderung des Abgases vorliegt und das Abgas keiner Abgasnachbehandlung unterzogen werden muss.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art wird ausgehend von einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, bei dem jede Eintrittsöffnung durch den Schaufelfuß der zugehörigen Leitschaufel in der ersten Position versperrt wird, jede Eintrittsöffnung zwecks Abgasrückführung durch Drehen der zugehörigen Leitschaufel und Überführen des leitschaufelzugehörigen Schaufelfußes in eine zweite Position freigeben.
Vorteilhaft ist es, durch Drehen der Leitschaufeln beim Verstellen der Leiteinrichtung eine via Rückführleitungssystem zurückgeführte Abgasmenge zu vergrößern und gleichzeitig eine dem mindestens einen Verdichter zuzuführende Frischluftmenge zu verkleinern.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a, 1b, 1c, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch ein Fragment des Ansaugsystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Verdichter und ohne Leiteinrichtung, teilweise geschnitten,
1b das Geschwindigkeitsdreieck der Anströmung des Verdichters ohne Verwendung einer Leiteinrichtung,
1c das Geschwindigkeitsdreieck der Anströmung des Verdichters bei Verwendung einer Leiteinrichtung,
2a schematisch die Leiteinrichtung der in 1a dargestellten Ausführungsform, in einer perspektivischen Darstellung, und
2b schematisch eine Leitschaufel der in 2a dargestellten Leiteinrichtung mitsamt Schaufelfuß und Welle, in einer perspektivischen Darstellung.
1a zeigt schematisch ein Fragment des Ansaugsystems 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Verdichter 3 und ohne Leiteinrichtung, 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 3 umfasst. Der Verdichter 3 ist ein Radialverdichter 3b, in dessen Gehäuse 3e ein Laufrad 3d auf einer drehbaren Welle 3c gelagert ist.
Der Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 weist einen Eintrittsbereich 3a auf, der koaxial zur Welle 3c des Verdichters 3 verläuft und ausgebildet ist, so dass der Abschnitt des Ansaugsystems 1 stromaufwärts des Verdichters 3 keine Richtungsänderungen aufweist und die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 ohne weiteres Zutun axial erfolgt.
Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung 4 ausgestattet, welche ein Rückführleitungssystem umfasst, das stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 3 bzw. Verdichterlaufrades 3d in das Ansaugsystem 1 mündet.
Das Rückführleitungssystem verfügt über einen Ringkanal 4a, der das Ansaugsystem 1 stromaufwärts des Verdichterlaufrades 3d umgibt, vorliegend vollumfänglich umschließt, wobei von dem Ringkanal 4a mehrere Kanäle ausgehen, die jeweils via Eintrittsöffnung 4b ansaugseitig mit dem Ansaugsystem 1 verbindbar sind.
Die Brennkraftmaschine ist im Ansaugsystem 1 stromaufwärts des Verdichterlaufrades 3d mit einer Leiteinrichtung ausgestattet, die nicht in 1a, sondern in den 2a und 2b dargestellt ist.
Wie aus den 1b und 1c ersichtlich setzt sich der Geschwindigkeitsvektor v_relative der Anströmung relativ zum Verdichterlaufrad aus dem Geschwindigkeitsvektor v_absolut der Ladeluft im Ansaugsystem und dem Vektor u_wheel der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Verdichterlaufrades zusammen.
Während gemäß 1b – ohne Verwendung einer Leiteinrichtung – eine exakt axiale Ladeluftströmung v_absolut vorliegt, erhält der Geschwindigkeitsvektor v_absolut der Ladeluft im Ansaugsystem gemäß 1c infolge der Verwendung einer Leiteinrichtung eine Komponente in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades. Dadurch vergrößert sich der Winkel α der Anströmung zum Verdichterlaufrad. Vorteilhaft ist dies hinsichtlich der Anströmung der Laufschaufeln des Verdichterlaufrades.
2a zeigt schematisch die verstellbare Leiteinrichtung 5 der in 1a dargestellten Ausführungsform, in einer perspektivischen Darstellung. Die Leiteinrichtung 5 umfasst vorliegend vier verdrehbare Leitschaufeln 5a, die jeweils auf einer leitschaufelzugehörigen Welle 5b angeordnet sind. Die Verstelleinrichtung ist nicht dargestellt. Die Leiteinrichtung 5 wird stromaufwärts des Verdichterlaufrades im Ansaugsystem 1 angeordnet.
2b zeigt schematisch eine Leitschaufel 5a der in 2a dargestellten Leiteinrichtung 5 mitsamt Schaufelfuß 5c und Welle 5b, in einer perspektivischen Darstellung.
Der Schaufelfuß 5c ist auf der leitschaufelzugehörigen Welle 5b und zwar quer zur Welle 5b und quer zur Schaufel 5a angeordnet. Dabei bilden Schaufel 5a und Schaufelfuß 5c ein verdrehbares L-förmiges Profil. Jeder Eintrittsöffnung des Rückführleitungssystems ist eine solche Leitschaufel 5a mit Schaufelfuß 5c zugeordnet. Der Schaufelfuß 5c versperrt die Eintrittsöffnung in einer ersten Position und gibt diese Eintrittsöffnung in einer zweiten Position zwecks Rückführen von Abgas frei.
Ein Drehen der leitschaufelzugehörigen Welle 5b dient dem Überführen des Schaufelfußes 5c von einer Position in eine andere Position, wobei die Leitschaufel 5a das Ansaugsystem zunehmend versperrt je weiter der Schaufelfuß 5c die Eintrittsöffnung freigibt.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Abgasturbolader
3: Verdichter des Abgasturboladers
3a: Eintrittsbereich des Verdichters des Abgasturboladers
3b: Radialverdichter
3c: Welle des Verdichters des Abgasturboladers
3d: Laufrad des Verdichters des Abgasturboladers
3e: Verdichtergehäuse des Abgasturboladers
4: Abgasrückführung
4a: Ringkanal
4b: Eintrittsöffnung
5: Verstellbare Leiteinrichtung
5a: Leitschaufel
5b: leitschaufelzugehörige Welle
5c: Schaufelfuß
AGR: Abgasrückführung
α: Winkel der Anströmung zum Verdichterlaufrad
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Ladeluft
u_wheel: Vektor der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Verdichterlaufrades
v_absolut: Geschwindigkeitsvektor der Ladeluft im Ansaugsystem
v_relative: Geschwindigkeitsvektor der Anströmung zum Verdichterlaufrad
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, – mindestens einem im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3), der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (3e) auf einer drehbaren Welle (3c) gelagerten Verdichterlaufrad (3d) ausgestattet ist, – einer Abgasrückführung (4) umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei das Rückführleitungssystem mindestens eine Leitung umfasst, die via Eintrittsöffnung (4b) ansaugseitig mit dem Ansaugsystem (1) strömungstechnisch zumindest verbindbar ist, und – einer verstellbaren Leiteinrichtung (5), die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist und mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln (5a) umfasst, wobei jede Leitschaufel (5a) auf einer leitschaufelzugehörigen Welle (5b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Eintrittsöffnung (4b) des Rückführleitungssystems eine Leitschaufel (5a) der Leiteinrichtung (5) zugeordnet ist, die mit einem auf der leitschaufelzugehörigen Welle (5b) quer angeordneten Schaufelfuß (5c) ausgestattet ist, welcher die Eintrittsöffnung (4b) in einer ersten Position versperrt und in einer zweiten Position zwecks Abgasrückführung (4) freigibt, wobei – ein Drehen der leitschaufelzugehörigen Welle (5b) beim Verstellen der Leiteinrichtung (5) dem Überführen des Schaufelfußes (5c) von einer Position in eine andere Position dient, und – beim Verstellen der Leiteinrichtung (5) die Leitschaufel (5a) das Ansaugsystem (1) zunehmend versperrt je weiter der Schaufelfuß (5c) die Eintrittsöffnung (4b) freigibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (3) der Verdichter (3) eines Abgasturboladers (2) ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführleitungssystem der Abgasrückführung (4) stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers (2) vom Abgasabführsystem abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (3) ein Radialverdichter (3b) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (3) ein Axialverdichter ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (3) einen Eintrittsbereich (3a) aufweist, der koaxial zur Welle (3c) des Verdichters (3) verläuft und ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, der koaxial zur Verdichterwelle (3c) gelagert und verdrehbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes mit den leitschaufelzugehörigen Wellen (5b) vorgesehen sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführleitungssystem mindestens einen Ringkanal (4a) umfasst, der das Ansaugsystem (1) zumindest abschnittsweise umfänglich umgibt, wobei von dem mindestens einen Ringkanal (4a) Kanäle ausgehen, die jeweils via Eintrittsöffnung (4b) mit dem Ansaugsystem (1) zumindest verbindbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ringkanal (4a) das Ansaugsystem (1) vollumfänglich umschließt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle des mindestens einen Ringkanals (4a) regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ringkanal (4a) so viele Kanäle aufweist wie die Leiteinrichtung (5) Leitschaufeln (5a), wobei jeder Leitschaufel (5a) ein Kanal zugeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle zumindest ansaugseitig im Wesentlichen radial zur Welle (3c) des Verdichters (3) ausgerichtet sind und damit die Welle (3c) in einer virtuellen Verlängerung schneiden.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle zumindest ansaugseitig in der Art einer Sekante ausgerichtet sind und damit in einer virtuellen Verlängerung beabstandet zu der Welle (3c) des Verdichters (3) verlaufen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in einer Projektion in Richtung der Welle (3c) tangential zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad (3d) verlaufen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle entsprechend der Drehrichtung des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) ausgerichtet sind.