DE202017102032U1

DE202017102032U1 - Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühlung

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Publication number: DE202017102032U1
Application number: DE202017102032.0U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2027-04-07

Abstract

Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder (1, 2, 3, 4), bei der
– jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem (5) anschließt,
– jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (6) anschließt,
– ein Ladeluftkühler (11) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist, und
– ein elektrisch antreibbarer Verdichter (8) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (9) vorgesehen ist, die stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) und stromabwärts des Ladeluftkühlers (11) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom Ansaugsystem (5) abzweigt und stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) und stromaufwärts des Ladeluftkühlers (11) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in das Ansaugsystem (5) einmündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist, und
– ein elektrisch antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, 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. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.
Brennkraftmaschinen werden daher zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse 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 reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
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 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 Lader, der mittels Hilfsantrieb angetrieben wird, besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader bzw. Verdichter handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum nachteilig beeinflusst bzw. bestimmt.
Der Vorteil eines mittels Hilfsantrieb antreibbaren Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht wiederum darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar nahezu verzögerungsfrei und unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen und insbesondere verzögerungsfrei 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 bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine leidet grundsätzlich darunter, dass bei einer erhöhten Lastanforderung zunächst die Turbinenleistung gesteigert werden muss, um die erforderliche Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellen zu können. Dies führt im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine zu einem gewissen Verzögerungseffekt, der unerwünscht ist.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens einen elektrisch antreibbaren Verdichter und ist damit zumindest eine aufladbare Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Daher wird der im Ansaugsystem vorgesehene Kühler auch als Ladeluftkühler und die via Ansaugsystem zugeführte Luft auch als Ladeluft bezeichnet.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über einen Ladeluftkühler, mit dem die Verbrennungsluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Die Kühlung trägt zu einer besseren Füllung, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
Infolge der Kühlung der Verbrennungsluft können sich Probleme ergeben. Im Rahmen der Kühlung können zuvor noch gasförmig in der Verbrennungsluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Luftströmung unterschritten wird bzw. die Luft gesättigt ist. Wird das ausgeschiedene Kondensat nicht kontinuierlich, beispielsweise infolge der Kinetik von der Luftströmung oder aufgrund einer geeigneten Anordnung bzw. Bauweise des eingesetzten Ladeluftkühlers, in kleinsten Mengen abgeführt und den Zylindern zugeführt, kann sich im Ladeluftkühler bzw. im Ansaugsystem stromabwärts des Ladeluftkühlers Kondensat ansammeln, welches unvorhersehbar und in größeren Mengen schlagartig, beispielweise bei Querbeschleunigung infolge Kurvenfahrt, einer Steigung oder einem Stoß, aus dem Ladeluftkühler in das Ansaugsystem eingebracht wird. Letzteres wird auch als Wasserschlag bezeichnet, der nicht nur zu einer schweren Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine, sondern auch zu einer irreversiblen Beschädigung von Bauteilen stromabwärts des Kühlers führen kann.
Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich noch, wenn die Verbrennungsluft rückgeführtes Abgas enthält, wobei mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Verbrennungsluft, insbesondere des auch im Abgas enthaltenen Wassers, zwangsläufig zunehmen. Nach dem Stand der Technik wird die rückgeführte Abgasmenge daher im Einzelfall begrenzt, um die auskondensierte Wassermenge zu vermindern bzw. das Auskondensieren zu unterbinden.
Die Bildung von Kondensat wird von einer hohen Feuchte der Umgebungsluft sowie niedrigen Umgebungstemperaturen gefördert, wobei sich bei niedrigen Umgebungstemperaturen, insbesondere Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, Eis bilden kann, d. h. das auskondensierte Wasser im Ansaugsystem gefriert.
Dabei wird insbesondere die Eisbildung im Ladeluftkühler kritisch gesehen, da diese beispielsweise zu einer Blockade bzw. Beschädigung des Kühlers führen kann.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 20008 028 194 A1 beschreibt ein Verfahren, um einen solchen Vereisungszustand des Ladeluftkühlers zu erkennen, und schlägt Gegenmaßnahmen zur Beseitigung von Eis vor.
Bilden sich im Ladeluftkühler Eispartikel bzw. Eisablagerungen, erhöht sich der Strömungswiderstand des Kühlers im Ansaugsystem und damit der Druckverlust über den Kühler hinweg, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad einer aufgeladenen Brennkraftmaschine in nachteiliger Weise beeinträchtigt wird. Gemäß dem Verfahren der DE 10 20008 028 194 A1 wird die Druckdifferenz über den Ladeluftkühler bestimmt, um Aussagen bezüglich des Vereisungszustandes des Ladeluftkühlers treffen zu können. Wird eine Vereisung des Ladeluftkühlers festgestellt, kann das im Ladeluftkühler befindliche Eis durch eine Erhöhung der Lufttemperatur am Kühlereintritt abgeschmolzen und dadurch der Druckverlust über den Kühler verringert bzw. beseitigt werden. Die Eintrittstemperatur der Luft kann dabei durch unterschiedliche Maßnahmen erhöht werden, beispielsweise durch Erhöhung des Drucks der eintretenden Luft und/oder Verringerung der Kühlleistung des Kühlers.
Auch bei abgeschalteten, d. h. unbefeuerten Brennkraftmaschinen lässt sich eine Vereisung des Ladeluftkühlers feststellen, insbesondere wenn die Brennkraftmaschine bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt regelmäßig nur für kurze Dauer betrieben wird. Dann können sich große Mengen Eis im Ladeluftkühler aufbauen, da im Ladeluftkühler befindliches Eis während des Betriebs nicht abgeschmolzen wird und nach dem Betrieb der Brennkraftmaschine jedes Mal erneut zusätzliches Eis hinzukommt. Daher sind Maßnahmen erforderlich, die diesem
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich einer Eisbildung im Ladeluftkühler bzw. einer Vereisung des Ladeluftkühlers verbessert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist, und
– ein elektrisch antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist,

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einem elektrisch antreibbaren Verdichter ausgestattet, der im Einzelfall zwar auch zur Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann, erfindungsgemäß aber primär dem Zweck dient, bei abgeschalteter Brennkraftmaschine mittels Kompression Wärme in die im Ansaugsystem befindliche Luft einzutragen, so dass dem im Ansaugsystem angeordneten Ladeluftkühler erwärmte Luft, d. h. Luft mit erhöhter Temperatur zugeführt wird. Dadurch kann einer Eisbildung im Ladeluftkühler nach Abschalten der Brennkraftmaschine wirksam entgegen gewirkt werden bzw. im Ladeluftkühler befindliches noch gefrorenes Wasser geschmolzen und aus dem Ladeluftkühler abgeführt werden.
Da dem mindestens einen Zylinder bei abgeschalteter Brennkraftmaschine keine Luft zu zuführen ist bzw. zugeführt werden kann, die Ventiltriebe deaktiviert sind und die Einlassöffnungen nicht mehr zum Zuführen von Luft freigeben werden, ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Bypassleitung ausgestattet, die dazu dient, die erwärmte Luft mittels dem elektrisch antreibbaren Verdichter im Kreis zu fördern bzw. zirkulieren zu lassen.
Hierzu zweigt die Bypassleitung stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters und stromabwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem ab und mündet stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters und stromaufwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem ein. Grundsätzlich kann der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts oder stromaufwärts des Ladeluftkühlers angeordnet sein, wobei der elektrisch antreibbare Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des Ladeluftkühlers angeordnet ist, damit die Wärme möglichst nahe der Stelle im Ansaugsystem in die Luft eingetragen wird, an der die erwärmte Luft benötigt wird, nämlich am bzw. im Ladeluftkühler.
Der elektrisch antreibbare Verdichter erwärmt die im Ansaugsystem befindliche Luft im Rahmen der Kompression und fördert die erwärmte Luft via Bypassleitung zurück auf seine Saugseite, d. h. an seinen Eintritt.
Der elektrisch antreibbare Verdichter zeichnet sich dadurch aus, dass seine Antriebleistung nicht direkt und zeitgleich von der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird bzw. werden muss, weshalb der elektrisch antreibbare Verdichter auch dann zur Kompression bzw. für den Wärmeeintrag genutzt werden kann, wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist und nicht befeuert wird.
Der elektrisch antreibbare Verdichter wird abgeschaltet, sobald der vorstehend beschriebene Bedarfsfall nicht mehr besteht.
Der elektrisch antreibbare Verdichter kann auch im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, um das instationäre Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine sowie die Drehmomentcharakteristik bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringen Abgasmengen zu verbessern.
Bezüglich der Aufladung einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine besteht der Vorteil des elektrisch antreibbaren Verdichters darin, dass der elektrisch antreibbare Verdichter – im Gegensatz zum Abgasturbolader – den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei geringen Abgasmengen bzw. niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle und dies bei Anforderung nahezu verzögerungsfrei.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich einer Eisbildung im Ladeluftkühler bzw. einer Vereisung des Ladeluftkühlers verbessert ist. Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung mit einem Absperrelement ausgestattet ist.
Dieses Absperrelement gestattet durch Öffnen die Freigabe der Bypassleitung und damit das Rückführen von erwärmter Luft mittels elektrisch antreibbaren Verdichter, falls eine Vereisung des Ladeluftkühlers verhindert bzw. abgebaut werden soll. Mit diesem Absperrelement lässt sich insbesondere die mittels elektrisch antreibbaren Verdichter rückgeführte Luftmenge steuern, d. h. einstellen. Von Relevanz ist dies im Hinblick auf die Zielsetzung. Die Eisbildung soll verhindert werden und im Ladeluftkühler befindliches noch gefrorenes Wasser geschmolzen und aus dem Ladeluftkühler abgeführt werden. Flüssiges Wasser soll dabei aber nicht verdampfen, weshalb die Temperatur der erwärmten Luft bzw. die Luftmenge nicht zu hoch sein darf und die Temperatur bzw. die rückgeführte Luftmenge zu begrenzen sein kann.
Hintergrund dieser Vorgehensweise ist, dass nur flüssiges Wasser abgeschieden und in einem dafür vorgesehenen Behältnis gesammelt werden kann. Hingegen kann dampfförmiges Wasser prinzipbedingt nicht abgeschieden und gesammelt werden. Dampfförmiges Wasser würde sich nach Deaktivierung des elektrisch antreibbaren Verdichters bei abgeschalteter Brennkraftmaschine wieder verflüssigen und gegebenenfalls erneut frieren, d. h. Eis bilden.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Sensor zur messtechnischen Erfassung der Temperatur der via Bypassleitung geförderten bzw. rückgeführten Luft vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Sensor in der Bypassleitung angeordnet ist, wobei der Sensor vorzugsweise stromaufwärts des in der Bypassleitung vorgesehenen Absperrelements angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst. Hinsichtlich der Abgasturboaufladung wird Bezug genommen auf die bereits gemachten Ausführungen.
Die Drehmomentcharakteristik einer abgasturboaufgeladenen 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 weniger zufriedenstellend 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 Motorkennfeld bzw. 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. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
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 und sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine feste Turbinengeometrie aufweist. Eine feste Turbinengeometrie ist kostengünstig. Für eine befriedigende Drehmomentcharakteristik kann es sinnvoll sein, die Turbine als Waste-Gate-Turbine auszuführen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Dabei sind stromaufwärts des Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit überhaupt Leitschaufeln vorgesehen sind bzw. eine Leiteinrichtung vorgesehen ist.
Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und Verdichter mit variabler Verdichtergeometrie, auch bei sehr geringen Abgasmengen hohe Ladedrücke zu erzielen.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Verdichtergeometrie aufweist. Insbesondere wenn nur eine geringe Abgasmenge durch die Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da die Pumpgrenze des Verdichters durch Verstellen der Leitschaufeln im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird. Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie daher auch, wenn große Abgasmengen stromaufwärts der Turbine abgezweigt und zurückgeführt werden, um hohe Rückführraten zu realisieren. Verfügt die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie kann die variable Verdichtergeometrie auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abgestimmt werden.
Bei abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschinen sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist. Dann muss der elektrisch antreibbare Verdichter die erwärmte Luft nicht durch den Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers fördern.
Ist der elektrisch antreibbare Verdichter nicht stromaufwärts, sondern stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers angeordnet, kann der elektrisch antreibbare Verdichter im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung bzw. einer Aufladung als Hochdruckstufe dienen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters im Ansaugsystem angeordnet ist. Vorteilhaft ist diese Anordnung, weil dabei die Wärme nahe der Stelle im Ansaugsystem in die Luft eingetragen wird, an der die erwärmte Luft benötigt wird, nämlich am Ladeluftkühler bzw. nahe des Ladeluftkühlers.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung stromabwärts des Ladeluftkühlers unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Ladeluftkühlers ein Sammelbehältnis für Kondensat im Ansaugsystem angeordnet ist. Das Behältnis dient dem Sammeln von Kondensat, d. h. von flüssigem Wasser, und damit auch dem Entfernen des Wassers aus dem übrigen Ansaugsystem, wodurch sich die aus der Kondensatbildung resultierende Problematik auch eliminieren lässt. Ausgeschiedenes Kondensat wird von der Ladeluftströmung infolge Kinetik mitgenommen und in das Sammelbehältnis abgeführt bzw. abgeschieden.
Das im Sammelbehältnis befindliche Wasser kann – wie das Wasser im Ladeluftkühler – frieren. Im Gegensatz zur Eisbildung im Ladeluftkühler sind Vereisungen im Sammelbehältnis aber unkritisch, da diese keine Blockade des Ansaugsystems verursachen können oder Beschädigungen des Sammelbehältnisses. Eisablagerungen im Sammelbehältnis können auch nicht zu einem erhöhten Druckverlust im Ansaugsystem führen. Letzteres ist insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen von Relevanz, bei denen ein Druckverlust im Ansaugsystem stromabwärts des mindestens einen Verdichters gleichbedeutend ist mit einem Ladedruckabbau bzw. Ladedruckverlust, der im Rahmen der Aufladung der Brennkraftmaschine unerwünscht ist und einer effektiven Aufladung entgegen steht.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Sammelbehältnis stromaufwärts des ersten Knotenpunktes angeordnet ist.
Bei dieser Anordnung des Sammelbehältnisses fördert der elektrisch antreibbare Verdichter die erwärmte feuchte Luft bei abgeschalteter Brennkraftmaschine via Sammelbehältnis im Kreis, d. h. die geförderte Luft passiert beim Zirkulieren in der Bypassleitung und im Ansaugsystem das Sammelbehältnis.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler selbstentwässernd ist, wodurch gewährleistet wird, dass sich kein Kondensat im Kühler ansammelt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler in der Einbauposition der Brennkraftmaschine geneigt ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Ladeluftkühler in einem Winkel angestellt, so dass ein Gefälle zwischen Eintritt und Austritt ausgebildet wird und der Transport eines Kondensats bereits im Kühler schwerkraftgetrieben unterstützt wird, um einem eventuellen Ansammeln entgegen zu wirken. Hinsichtlich des Winkels α wird dabei Bezug genommen auf eine virtuelle durch den Eintritt und den Austritt gelegte Gerade.
Ist der Ladeluftkühler selbstentwässernd, können daher auch Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen ein Eintritt in den Ladeluftkühler in der Einbauposition der Brennkraftmaschine geodätisch höher angeordnet ist als ein Austritt aus dem Ladeluftkühler.
Diese Ausführungsform des Ladeluftkühlers stellt sicher, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Konzepts vollumfänglich zur Geltung kommen und sich kein Kondensat im Kühler ansammelt, weil der Austritt eine größere geodätische Höhe aufweist als der Eintritt.
Wird die Brennkraftmaschine mittels Abgasturboaufladung aufgeladen, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter kleiner ausgelegt ist als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers.
Vorteilhaft ist dies insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist und im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung als Hochdruckstufe eingesetzt werden kann. Zudem ist ein klein bzw. kleiner dimensionierter elektrischer Verdichter in der Regel ausreichend für den primären Zweck, den dieser Verdichter erfindungsgemäß hat, nämlich Luft bei abgeschalteter Brennkraftmaschine zu erwärmen und via Ladeluftkühler zirkulieren zu lassen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen nur ein Abgasturbolader vorgesehen ist. Hinsichtlich der Reibleistung und des Gesamtwirkungsgrades ist es vorteilhafter, einen einzelnen Abgasturbolader anstelle mehrerer Turbolader zu verwenden, weshalb die vorstehende Ausführungsform Vorteile im Wirkungsgrad aufweist. Es ergeben sich zudem Kostenvorteile und Vorteile beim Packaging. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass der elektrisch antreibbare Verdichter grundsätzlich für eine Aufladung bereitsteht, d. h. im Bedarfsfall zugeschaltet werden kann.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters eine weitere Bypassleitung vorgesehen ist. Eine weitere Bypassleitung ist besonders vorteilhaft, falls der elektrisch antreibbare Verdichter nicht für die Aufladung der Brennkraftmaschine, sondern ausschließlich bzw. primär bei abgeschalteter Brennkraftmaschine zur Erwärmung und Förderung der im Ansaugsystem befindlichen Luft verwendet wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem einmündet. Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen, ist ein geeignetes Mittel die Stickoxidemissionen zu reduzieren, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art wird der elektrisch antreibbare Verdichter bei abgeschalteter Brennkraftmaschine betrieben, um Wärme in die durch den Ladeluftkühler geförderte Luft einzutragen, wodurch einer Eisbildung im Ladeluftkühler entgegen gewirkt wird.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der die Bypassleitung mit einem Absperrelement ausgestattet ist, ist es vorteilhaft, die Bypassleitung durch Öffnen des Absperrelements freizugeben, wenn der elektrisch antreibbare Verdichter bei abgeschalteter Brennkraftmaschine betrieben wird.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der ein Sensor zur messtechnischen Erfassung der Temperatur T_Luft der via Bypassleitung geförderten Luft vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, die Temperatur T_Luft der geförderten Luft in der Art zu steuern, dass gefrorenes Wasser schmilzt, aber flüssiges Wasser nicht verdampft.
Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, die Temperatur T_Luft unter Verwendung des elektrisch antreibbaren Verdichters und/oder des Sensors und/oder des Absperrelements zu steuern.
Vorteilhaft sind Varianten, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter abgeschaltet ist, wenn die Brennkraftmaschine befeuert wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine und gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10, die mit einem Abgasturbolader 7 ausgestattet ist, der eine im Abgasabführsystem 6 angeordnete Turbine 7a und einen im Ansaugsystem 5 angeordneten Verdichter 7b umfasst. Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine 7a unter Energieabgabe. Der Verdichter 7b komprimiert die Ladeluft, die im Normalbetrieb via Ansaugsystem 5 und stromabwärts gelegenem Ladeluftkühler 11 den Zylindern 1, 2, 3, 4 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der befeuerten Brennkraftmaschine 10 erreicht wird.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 10, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe angeordnet sind. Die Abgasleitungen der Zylinder 1, 2, 3, 4 führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, die zur Turbine 7a des Abgasturboladers 7 führt.
Im Ansaugsystem 5 ist zudem ein elektrisch antreibbarer Verdichter 8 vorgesehen, der zwischen dem Verdichter 7b des Abgasturboladers 7 und dem Ladeluftkühler 11 angeordnet und mit dem Verdichter 7b des Abgasturboladers 7 in Reihe geschaltet ist. Der elektrisch antreibbare Verdichter 8 ist als zuschaltbarer Verdichter 8 konzipiert, der im Bedarfsfall bei abgeschalteter Brennkraftmaschine 10 zugeschaltet und betrieben werden kann, um mittels Kompression Wärme in die im Ansaugsystem 5 befindliche und geförderte Luft einzutragen, wodurch einer Eisbildung im stromabwärts gelegenen Ladeluftkühler 11 entgegen gewirkt wird bzw. gefrorenes Wasser geschmolzen werden kann. Der elektrisch antreibbare Verdichter 8 kann auch zur Unterstützung des Verdichters 7b des Abgasturboladers 7 zugeschaltet werden, um den befeuerten Zylindern 1, 2, 3, 4 ausreichend Ladeluft zu zuführen bzw. einen angeforderten Ladedruck bereitzustellen.
Eine Bypassleitung 9 zweigt stromabwärts des Ladeluftkühlers 11 unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 9a vom Ansaugsystem 5 ab und mündet zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter 8 und dem Verdichter 7b des Abgasturboladers 7 unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 9b in das Ansaugsystem 5. Die Bypassleitung 9 ermöglicht es, die erwärmte Luft mittels des elektrisch antreibbaren Verdichters 8 bei abgeschalteter Brennkraftmaschine 10, wenn die Ventiltriebe deaktiviert sind, im Kreis zu fördern bzw. zirkulieren zu lassen.
Der elektrisch antreibbare Verdichter 8 erwärmt die im Ansaugsystem 5 befindliche Luft im Rahmen der Kompression und fördert die erwärmte Luft via Bypassleitung 9 zurück auf seine Saugseite.
Die Bypassleitung 9 ist mit einem Absperrelement 9c ausgestattet, wobei stromaufwärts des Absperrelements 9c ein Sensor 12 zur messtechnischen Erfassung der Temperatur der via Bypassleitung 9 geförderten Luft vorgesehen ist.
Das Absperrelement 9c dient der Freigabe der Bypassleitung 9 und der Einstellung der mittels elektrisch antreibbaren Verdichter 8 rückgeführten Luftmenge. Die Steuerung der Luftmenge und der Lufttemperatur erfolgt in der Weise, dass die Eisbildung effektiv verhindert und im Ladeluftkühler 11 befindliches noch gefrorenes Wasser geschmolzen und aus dem Ladeluftkühler 11 abgeführt wird. Flüssiges Wasser hingegen soll nicht verdampfen werden.
Zwischen dem Ladeluftkühler 11 und dem ersten Knotenpunkt 9a ist ein Sammelbehältnis 11a für Kondensat vorgesehen. Das Behältnis 11a dient dem Sammeln von Kondensat, d. h. von flüssigem Wasser, und damit auch dem Entfernen des Wassers aus dem Ansaugsystem 5.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder, außenliegender Zylinder
2: zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
3: dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
4: vierter Zylinder, außenliegender Zylinder
5: Ansaugsystem
6: Abgasabführsystem
7: Abgasturbolader
7a: Turbine des Abgasturboladers
7b: Verdichter des Abgasturboladers
8: elektrisch antreibbarer Verdichter
9: Bypassleitung
9a: erster Knotenpunkt
9b: zweiter Knotenpunkt
9c: Absperrelement
10: Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
11: Ladeluftkühler
11a: Sammelbehältnis für Kondensat
12: Sensor zur messtechnischen Erfassung der Temperatur T_Luft der angesaugten Luft
T_Luft: Temperatur der im Ansaugsystem befindlichen Luft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020008028194 A1 [0020, 0021]

Claims

Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Luft via Ansaugsystem (5) anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (6) anschließt, – ein Ladeluftkühler (11) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist, und – ein elektrisch antreibbarer Verdichter (8) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (9) vorgesehen ist, die stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) und stromabwärts des Ladeluftkühlers (11) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom Ansaugsystem (5) abzweigt und stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) und stromaufwärts des Ladeluftkühlers (11) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in das Ansaugsystem (5) einmündet.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) mit einem Absperrelement (9c) ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (12) zur messtechnischen Erfassung der Temperatur der via Bypassleitung (9) geförderten Luft vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) in der Bypassleitung (9) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (7) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (6) angeordnete Turbine (7a) und einen im Ansaugsystem (5) angeordneten Verdichter (7b) umfasst.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (8) stromabwärts des Verdichters (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter (8) und dem Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes (9b) in das Ansaugsystem (5) mündet.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (11) stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) stromabwärts des Ladeluftkühlers (11) unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes (9a) vom Ansaugsystem (5) abzweigt.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Ladeluftkühlers (11) ein Sammelbehältnis (11a) für Kondensat im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelbehältnis (11a) stromaufwärts des ersten Knotenpunktes (9a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (11) selbstentwässernd ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (11) in der Einbauposition der Brennkraftmaschine (10) geneigt ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eintritt in den Ladeluftkühler (11) in der Einbauposition der Brennkraftmaschine (10) geodätisch höher angeordnet ist als ein Austritt aus dem Ladeluftkühler (11).
Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (8) kleiner ausgelegt ist als der Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7).
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Abgasturbolader (7) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) eine weitere Bypassleitung vorgesehen ist.