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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen einer Ladeluftströmung,
- – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- – mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
- – einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- – einer am Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordneten Ventileinheit, die ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe umfasst, wobei die umfänglich von einem Rand begrenzte Klappe um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse in der Art verschwenkbar ist, dass die Klappe in einer ersten Endposition mit einer Vorderseite das Ansaugsystem versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition mit einer abgasseitigen Rückseite die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem freigibt.
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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.
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In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie weiter ständig zunimmt.
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Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, 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.
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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.
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Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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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.
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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.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem – mittels Hilfsantrieb antreibbaren – Lader 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.
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Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum beeinflusst.
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Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar 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.
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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 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.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über einen Verdichter, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter den Begriff Verdichter sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines Abgasturboladers subsumiert werden können.
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Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nicht nur Vorteile beim Kraftstoffverbrauch, d. h. dem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, sondern auch 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 ohnehin ab.
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Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind neben der Aufladung aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
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Dabei ist die Abgasrückführung (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR / (mAGR + mLuft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mLuft die zugeführte Luft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.
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Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
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Auch die erfindungsgemäße mittels Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit mindestens einer Abgasrückführung ausgestattet, wobei die vom Abgasabführsystem abzweigende Rückführleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, so wie dies bei einer Niederdruck-AGR der Fall ist, bei der Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt wird, welches eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt des Weiteren über eine Ventileinheit, die im Ansaugsystem am Knotenpunkt angeordnet ist. Die Ventileinheit umfasst ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe.
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Die umfänglich von einem Rand begrenzte Klappe dient der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Frischluftmenge und im Zusammenwirken mit anderen Komponenten der Dosierung der via Abgasrückführung rückgeführten Abgasmenge 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 bzw. vollständiges Versperren und Verdecken.
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Die quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse, um welche die Klappe verschwenkbar ist, muss keine gegenständliche Achse sein. Vielmehr kann diese Achse eine virtuelle Achse sein, deren Lage in Bezug auf das übrige Ansaugsystem zudem ein kleines Spiel aufweisen kann, wobei die Lagerung bzw. Befestigung auf andere Weise erfolgt.
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Probleme können sich bei zugeschalteter Abgasrückführung ergeben, wenn Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat bilden. Dabei sind mehrere Szenarien von Relevanz.
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Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d. h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
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Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass das Abgas bei zugeschalteter Abgasrückführung regelmäßig die Klappe umströmt bzw. umspült und eine Mischung von Abgas und Frischluft bereits im Ventilgehäuse unmittelbar bei Einleitung des Abgases am Knotenpunkt erfolgt.
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Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Ventilgehäuses bzw. die Klappe trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
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Die Problematik der Kondensatbildung verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.
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Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
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Aus diesem Grund wird die Ventileinheit bzw. der Knotenpunkt vorzugsweise möglichst nahe am Verdichter platziert, d. h. in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines möglichst kurzen Abstandes ∆ angeordnet. Eine verdichternahe Anordnung der Ventileinheit verkürzt die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem am Knotenpunkt bis hin zu dem mindestens einen Laufrad, so dass die Zeit, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können, reduziert wird. Einer Bildung von Kondensattröpfchen wird dadurch also entgegengewirkt.
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Konstruktiv wird das vorstehende Konzept regelmäßig dadurch umgesetzt, dass das – auch zum Ansaugsystem gehörende – Ventilgehäuse zwischen dem stromaufwärts gelegenen Ansaugsystem und dem stromabwärts gelegenen Verdichtergehäuse platziert, d. h. montiert wird. In der ersten Endposition arbeitet die Vorderseite der Klappe vorzugsweise mit dem stromaufwärts der Klappe angeordneten Ansaugsystem bzw. dessen Wandungen in der Art zusammen, dass das Ventilgehäuse und der stromabwärts gelegene Verdichter gegen das Eintreten von Frischluft aus dem stromaufwärts gelegenen Ansaugsystem weitestgehend abgedichtet sind bzw. werden.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Ventilgehäuse gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, in der Weise, dass die Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung verringert ist bzw. erschwert wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen einer Ladeluftströmung,
- – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- – mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
- – einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- – einer am Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordneten Ventileinheit, die ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe umfasst, wobei die umfänglich von einem Rand begrenzte Klappe um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse in der Art verschwenkbar ist, dass die Klappe in einer ersten Endposition mit einer Vorderseite das Ansaugsystem versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition mit einer abgasseitigen Rückseite die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem freigibt,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – die Klappe zwei zueinander beabstandete schlitzartige Aussparungen aufweist, die an dem der Drehachse gegenüberliegenden Rand der Klappe offen ausgebildet sind und sich senkrecht zur Drehachse der Klappe erstrecken, und
- – zwischen der Drehachse der Klappe und dem mindestens einen Laufrad eine Strömungsleiteinrichtung im Ansaugsystem vorgesehen ist, die zwei zueinander beabstandete Trennwände umfasst, wobei die Trennwände sich mit den zwei schlitzartigen Aussparungen in Eingriff befinden, in der Art, dass die Trennwände im Zusammenwirken mit der Klappe die Frischluft und das rückgeführte Abgas voneinander separiert.
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Das Ansaugsystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einer Strömungsleiteinrichtung ausgestattet, die stromabwärts der Klappe bzw. stromabwärts der Drehachse der Klappe angeordnet ist. Diese Strömungsleiteinrichtung umfasst zwei zueinander beabstandete Trennwände, die sich mit zwei schlitzartigen Aussparungen der Klappe in Eingriff befinden, wobei jeweils eine Trennwand in eine zugehörige Aussparung eingreift. Hierzu müssen die schlitzartigen Aussparungen an dem Rand der Klappe, welcher der Drehachse gegenüber liegt und den Trennwänden zugewandt ist, offen ausgebildet sein.
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Die Trennwände separieren im Zusammenwirken mit der Klappe die Frischluft und das rückgeführte Abgas voneinander, falls nicht vollständig, dann doch zumindest in erheblichem bzw. relevantem Umfang. Das rückgeführte Abgas kann die Klappe beim Einleiten in das Ansaugsystem am Knotenpunkt nicht unmittelbar umströmen bzw. umspülen und sich mit der Frischluft mischen. Vielmehr werden die beiden Gasphasen ausgehend vom Knotenpunkt auf ihrem Weg zum Verdichter noch für eine vorgebare bzw. wählbare Wegstrecke voneinander getrennt gehalten.
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Damit wird der Knotenpunkt, an welchem das rückgeführte Abgas in das Ansaugsystem eingeleitet wird und das Abgas und die Frischluft aufeinander treffen und sich mischen virtuell verschoben und zwar näher an den Verdichter bzw. das mindestens eine Laufrad heran. Der Abstand ∆ bzw. die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem am Knotenpunkt bis hin zu dem mindestens einen Laufrad wird virtuell verkürzt. Auf diese Weise wird einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung entgegengewirkt. Der Bildung von Kondensattröpfchen stehen eine kürzere Wegstrecke und weniger Zeit zu Verfügung.
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Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, deren Ventilgehäuse gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, in der Weise, dass die Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung verringert ist bzw. erschwert wird.
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Im Rahmen der Abgasrückführung wird vorzugsweise Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt, das einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Auf diese Weise können Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, vermieden werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Achse nahe des Randes, d. h. nahe eines Randabschnitts der Klappe angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Klappe ähnlich einer Tür seitlich gelagert und verschwenkbar, nämlich an einem ihrer Ränder. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Klappe von mittig gelagerten Absperrelementen bzw. Klappen wie beispielsweise einem Schmetterlingsventil.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Achse nahe der Wandung, d. h. nahe eines Wandabschnitts des Ansaugsystems angeordnet ist. Das Ansaugsystem übernimmt hinsichtlich der Klappe regelmäßig die Funktion eines Rahmens, d. h. umrahmt die Klappe. Insofern ist eine Ausführungsform, bei der die Achse nahe eines Randabschnitts der Klappe angeordnet ist, in der Regel auch eine Ausführungsform, bei der die Achse nahe eines Wandabschnitts des Ansaugsystems angeordnet ist. Der wesentliche Vorteil beider Ausführungsformen ist, dass die Klappe in der zweiten Endposition wandnah positioniert ist, so dass ein vollständig freier Durchgang für die Frischluft geschaffen wird. Die Gefahr, dass die Klappe ungewollt ein Strömungshindernis bildet, wird damit minimiert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen
- – jede Trennwand umfänglich eine Kante aufweist, und
- – die der Klappe zugewandte Kante einen Kreisbogen ausbildet, wobei dieser Kreisbogen um die Drehachse der verschwenkbaren Klappe verläuft.
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Die kreisbogenförmig ausgebildete Kante der Trennwand stellt sicher, dass die sich mit den Trennwänden in Eingriff befindliche Klappe verschwenkbar ist bzw. bleibt und ein möglichst lückenloser bzw. spaltfreier Formschluss zwischen der Klappe und den Trennwänden erzielt wird, der wiederum ein zufriedenstellendes Separieren der beiden Gasphasen gewährleistet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Strömungsleiteinrichtung einen Ring als Träger für die Aufnahme der zwei zueinander beabstandeten Trennwände umfasst.
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Eine modular aufgebaute Strömungsleiteinrichtung eignet sich insbesondere für die Nachrüstung bereits auf dem Markt befindlicher Konzepte und die Kombination der einzelnen Komponenten nach dem Baukastenprinzip, wodurch der mehrfache bzw. vielfältige Einsatz einzelner Komponenten gewährleistet ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Ring im Verdichtergehäuse angeordnet ist.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die zwei zueinander beabstandeten Trennwände an Wandungen des Ansaugsystems befestigt sind. Im Einzelfall sind die Trennwände monolithisch, d. h. integral mit den Wandungen des Ansaugsystems bzw. des Verdichtergehäuses ausgebildet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe am Rand zumindest abschnittsweise mit einem Dichtelement ausgestattet ist, welches die Klappe gegenüber den zwei Trennwänden und/oder dem Ventilgehäuse abdichtet.
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Das Vorsehen eines Dichtelements dient der verbesserten Trennung von Abgas und Frischluft. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Trennwände und die Klappe gegeneinander beweglich sein müssen, wodurch die Abdichtung grundsätzlich erschwert wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Dichtelement elastisch verformbar ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Dichtelement eine streifenartige Gestalt aufweist.
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Die Klappe kann zur Aufnahme eines streifenartigen Dichtelements eine Aussparung bzw. Ausnehmung im Randbereich aufweisen, so dass das in der Aussparung platzierte Dichtelement den Rand mit ausbildet. Die Klappe dient dabei als Träger der Aufnahme und der Stabilisierung des Dichtelements.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das Dichtelement eine leistenartige Gestalt aufweist.
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Im Gegensatz zu einem Dichtelement streifenartiger Gestalt steht eine leistenartige Dichtlippe weiter hervor. Die leistenartige Dichtlippe kann aber auch in einer Aussparung bzw. Ausnehmung der Klappe platziert sein, hat dann aber einen größeren Teil, der nicht in der Aussparung bzw. Ausnehmung angeordnet ist, sondern hervorsteht.
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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. Hinsichtlich der vorstehenden Ausführungsform wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der Abgasturboaufladung bereits gemachten Ausführungen, insbesondere die herausgestellten Vorteile.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des mindestens einen Laufrades verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem mindestens einen Laufrad im Wesentlichen axial erfolgt.
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Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.
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Ein Eintrittsbereich, der koaxial zur Welle des mindestens einen Laufrades verläuft und ausgebildet ist, erleichtert auch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Strömungsleiteinrichtung, die mit einer verschwenkbaren Klappe zusammenarbeiten muss.
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Bei Verwendung mindestens eines Abgasturboladers sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung gemäß einer Niederdruck-AGR stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt.
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Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem einleitet und zwar vorzugsweise stromabwärts des Verdichters, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
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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.
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Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und gegebenenfalls gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft bzw. Verbrennungsluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge ein Ventil im Ventilgehäuse vorgesehen ist, welches einen Ventilkörper umfasst, der auf der Rückseite der Klappe angeordnet und mit der Klappe verbunden und auf diese Weise mechanisch gekoppelt ist, wobei der Ventilkörper die Rückführleitung in der zweiten Endposition der Klappe versperrt.
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Ein Verschwenken der Klappe bedingt ein Verstellen bzw. Bewegen des Ventils im Raum. Folglich dient die Klappe als Betätigungseinrichtung für das Ventil. Sämtlichen Varianten der vorstehenden Ausführungsform ist gemein, dass die Klappe nur der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Luftmenge dient und nicht der Dosierung der rückgeführten Abgasmenge. Letzteres wird mit dem Ventil bewerkstelligt, welches in der Rückführleitung steckt bzw. auf der Einmündung der Rückführleitung aufliegt und als AGR-Ventil dient.
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Um die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehr Abgasturbolader vorzusehen, beispielsweise mehrere in Reihe geschaltete Abgasturbolader. 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.
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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.
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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.
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Ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Ladeluftströmen ist auch bei parallel angeordneten Turboladern möglich, so dass bei kleinen Ladeluftmengen ausreichend hohe Ladedrücke bereitgestellt werden können, um auf diese Weise eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen zu gewährleisten.
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Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einem einzelnen Abgasturbolader, da die kleineren Turbinen weniger träge sind und sich das Laufzeug einer kleiner dimensionierten Turbine und eines kleiner dimensionierten Verdichters schneller beschleunigen lässt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knotenpunkt in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Abstandes ∆ ausgebildet und angeordnet ist. Eine verdichternahe Anordnung des Knotenpunktes wirkt der Bildung von Kondensat entgegen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen für den Abstand ∆ gilt: ∆ ≤ 2.0DV bzw. ∆ ≤ 1.5DV, wobei DV den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen für den Abstand ∆ gilt: ∆ ≤ 1.0DV, vorzugsweise ∆ ≤ 0.75DV.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a, 1b, 2 und 3 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a schematisch und in einer Seitenansicht die im Ansaugsystem angeordnete Ventileinheit einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung, teilweise geschnitten und mit der Klappe in der zweiten Endposition,
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1b schematisch und in einer Seitenansicht die in 1a dargestellte Ausführungsform mit der Klappe in einer geöffneten Position,
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2 schematisch und in einer Draufsicht die in 1a dargestellte Ausführungsform, teilweise geschnitten, und
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3 schematisch und im Querschnitt durch die Klappe die in 1a dargestellte Ausführungsform, mit Blick in Strömungsrichtung.
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1a zeigt schematisch und in einer Seitenansicht die im Ansaugsystem 1 angeordnete Ventileinheit 3 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung 5, teilweise geschnitten und mit der Klappe 3a in der zweiten Endposition.
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Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (nicht dargestellt) und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 umfasst. Der Verdichter 2 verfügt über ein in einem Verdichtergehäuse 2a drehbar gelagertes Laufrad, wobei die Welle des Laufrades in der Zeichenebene der 1a liegt und horizontal verläuft. Der Verdichter 2 weist einen Eintrittsbereich auf, der koaxial zur Welle verläuft und ausgebildet ist, so dass der Abschnitt des Ansaugsystems 1 stromaufwärts des Verdichters 2 keine Richtungsänderungen aufweist und die Anströmung der Frischluft 8 zu dem Verdichter 2 und dessen Laufrad im Wesentlichen axial erfolgt.
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Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung 5 ausgestattet, welche eine Rückführleitung 5a umfasst, die stromaufwärts des Verdichters 2 unter Ausbildung eines Knotenpunktes 5b in das Ansaugsystem 1 mündet. Der Knotenpunkt 5b ist vorliegend unter Ausbildung eines geringen Abstandes nahe des Verdichters 2 angeordnet.
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Am Knotenpunkt 5b ist die Ventileinheit 3 angeordnet, die ein Ventilgehäuse 3d und eine in dem Ventilgehäuse 3d angeordnete Klappe 3a umfasst.
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Zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient ein AGR-Ventil 6, welches ebenfalls im Ventilgehäuse 3d platziert ist. Das AGR-Ventil 6 umfasst einen Ventilkörper 6a, der die Rückführleitung 5a in der dargestellten Position abdeckt und mit der verschwenkbaren Klappe 3a verbunden und auf diese Weise mechanisch gekoppelt ist, wobei ein Verschwenken der Klappe 3a ein Verstellen des Ventilkörpers 6a bedingt, d. h. ein Bewegen bzw. Drehen des Ventilkörpers 6a im Raum. Folglich dient die Klappe 3a als Betätigungseinrichtung für das Ventil 6 bzw. den Ventilkörper 6a.
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Die Klappe 3a ist um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse 3b verschwenkbar. Diese quer zur Frischluftströmung 8 verlaufende Achse 3b, um welche die Klappe 3a verschwenkbar ist, steht senkrecht auf der Zeichenebene und dient als Lagerung 3c für die Klappe 3a. Vorliegend ist diese Achse 3b nahe eines Randabschnitts der Klappe 3a und nahe eines Wandabschnitts des Ansaugsystems 1 bzw. der Ventileinheit 3 angeordnet, so dass die Klappe 3a ähnlich einer Tür seitlich gelagert ist.
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1a zeigt die Klappe 3a in der zweiten Endposition, in der die Klappe 3a sich nahezu parallel zur virtuellen Verlängerung der Verdichterwelle erstreckt. Die Rückseite 3a´´ der Klappe 3a verdeckt die Rückführleitung 5a der Abgasrückführung 5, wohingegen das Ansaugsystem 1 freigegeben wird. Die Klappe 3a dient nur der Einstellung der via Ansaugsystem 1 zugeführten Luftmenge und nicht der Dosierung der rückgeführten Abgasmenge. Letzterem dient das AGR-Ventil 6, wobei die Abgasrückführung 5 in der dargestellten zweiten Endposition abgeschaltet, d. h. deaktiviert ist.
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Die Klappe 3a verfügt über zwei zueinander beabstandete schlitzartige Aussparungen 4a, 4b, die an dem Rand der Klappe 3a, welcher der Drehachse 3b gegenüberliegt, offen ausgebildet sind und sich senkrecht zur Drehachse 3b der Klappe 3a erstrecken, wie 2 zu entnehmen ist, welche schematisch die in 1a dargestellte Ausführungsform in einer Draufsicht und teilweise geschnitten zeigt.
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Wie in 1a dargestellt, ist zwischen der Drehachse 3b der Klappe 3a und dem Laufrad des Verdichters 2 eine Strömungsleiteinrichtung 7 im Ansaugsystem 1 vorgesehen.
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Diese Strömungsleiteinrichtung 7 umfasst zwei zueinander beabstandete Trennwände 7a, 7b, die sich mit den zwei schlitzartigen Aussparungen 4a, 4b der Klappe 3a in Eingriff befinden und von denen in 1a eine Trennwand 7b in der Seitenansicht dargestellt bzw. erkennbar ist.
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Wie 1b zu entnehmen ist, wirken die Trennwände 7a, 7b mit der Klappe 3a in der Art zusammen, dass die Frischluft 8 und das rückgeführte Abgas 9 bei zugeschalteter Abgasrückführung 5 in der Strömungsleiteinrichtung 7 voneinander separiert werden, d. h. voneinander getrennt gehalten werden.
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1b zeigt schematisch und in einer Seitenansicht die in 1a dargestellte Ausführungsform mit der Klappe 3a in einer geöffneten Position, in der die Klappe 3a um einen bestimmten Winkel entgegen dem Uhrzeigersinn um die Drehachse 3b verschwenkt ist. Dadurch versperrt die Klappe 3a mit ihrer Vorderseite 3a´ das Ansaugsystem 1 etwas, wohingegen der Ventilkörper 6a des AGR-Ventils 6 die Rückführleitung 5a freigibt, so dass Abgas 9 in das Ansaugsystem 1 eingeleitet wird.
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Die der Klappe 3a zugewandte Kante jeder Trennwand 7a, 7b bildet einen Kreisbogen, der um die Drehachse 3b der Klappe 3a verläuft. Die kreisbogenförmige Ausbildung der Kante stellt sicher, dass sich die mit den Trennwänden 7a, 7b in Eingriff befindliche Klappe 3a verschwenkbar ist und gleichzeitig ein möglichst spaltfreier Formschluss zwischen der Klappe 3a und den Trennwänden 7a, 7b realisiert wird. Dies gewährleistet ein effektives Separieren der Frischluft 8 vom Abgas 9.
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Vorliegend umfasst die Strömungsleiteinrichtung 7 einen im Verdichtergehäuse 2a angeordneten Ring 7c zur Aufnahme der zwei Trennwände 7a, 7b.
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3 zeigt schematisch und im Querschnitt durch die Klappe 3a die in 1a dargestellte Ausführungsform, mit Blick in Strömungsrichtung, d. h. mit Blick in Richtung des Verdichters. Es soll nur ergänzend zu den übrigen Figuren ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen. Für dieselben Bauteile und Komponenten wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Wie 3 zu entnehmen ist, wirken die Trennwände 7a, 7b mit der Klappe 3a in der Art zusammen, dass die Frischluft 8 und das rückgeführte Abgas 9 bei zugeschalteter Abgasrückführung 5 in der Strömungsleiteinrichtung 7 voneinander getrennt gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansaugsystem
- 2
- Verdichter
- 2a
- Verdichtergehäuse
- 3
- Ventileinheit
- 3a
- Klappe
- 3a´
- Vorderseite der Klappe
- 3a´´
- Rückseite der Klappe
- 3b
- Schwenkachse bzw. Drehachse der Klappe
- 3c
- Lagerung der Klappe
- 3d
- Ventilgehäuse
- 4a
- schlitzartige Aussparung
- 4b
- schlitzartige Aussparung
- 5
- Abgasrückführung
- 5a
- Rückführleitung
- 5b
- Knotenpunkt
- 6
- AGR-Ventil
- 6a
- Ventilkörper
- 7
- Strömungsleiteinrichtung
- 7a
- Trennwand
- 7b
- Trennwand
- 7c
- Ring
- 8
- Frischluft, Frischluftströmung
- 9
- Abgas, Abgasströmung
- ∆
- Abstand des Knotenpunktes zum Laufrad
- AGR
- Abgasrückführung
- DV
- Durchmesser des mindestens einen Laufrades
- mAGR
- Masse an zurückgeführtem Abgas
- mFrischluft
- Masse an zugeführter Frischluft
- xAGR
- Abgasrückführrate
