DE3804013A1

DE3804013A1 - Abgasturboaufladung mit mechanischer ladermindestdrehzahlsteuerung

Info

Publication number: DE3804013A1
Application number: DE3804013A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Gutfleisch
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1988-02-10
Publication date: 1989-02-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist z.B. aus der US-PS 37 39 572 bekannt. Eine vom Abgas einer Brennkraftmaschine beaufschlagte Abgasturbine ist mechanisch über eine ge meinsame Welle mit einem Verbrennungsluftverdichter ver bunden. Zusätzlich ist zwischen der Kurbelwelle der Brenn kraftmaschine und dem Verdichter des Abgasturboladers ein Planetengetriebe mit hydrodynamischem Wandler angeordnet. In Betriebszuständen, in denen der Abgasmassenstrom zu ge ring für einen Antrieb des Verdichters über die Abgas turbine ist, wird der Verdichter von der Kurbelwelle über das Wandlergetriebe angetrieben. Mit steigender Last der Brennkraftmaschine und mit damit wachsendem Abgasmassen strom wird der Verdichter in immer stärkerem Maße von der Abgasturbine angetrieben. Im selben Maß nimmt der Schlupf im Wandlergetriebe zu, bis der Verdichter nur noch durch die Abgasturbine angetrieben wird. Von Nachteil ist dabei, daß der Verdichter im niedrigen Lastbereich wegen der mechanischen Kopplung mehr Verbrennungsluft liefert, als die Brennkraftmaschine in diesem Zustand benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungs gemäßen Art so auszugestalten, daß eine vom Verdichter ge förderte überschüssige Luftmenge und die in dieser vorhan dene Verdichterenergie aus dem Verdichterkreislauf nicht verlorengeht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Auf der Ansaugseite der Brennkraftmaschine ist zwischen dem Druckausgang des Verdichters und der Brennkraftmaschine in der Ladeluftleitung eine Abzweigung für einen Rückführ kanal vorgesehen. Dieser Kanal mündet stromaufwärts vom Verdichter auf dessen Ansaugseite. Die Steuerung der Rück flußmenge der Verbrennungsluft durch diesen Kanal wird durch ein in ihm liegendes Ventil vorgenommen. Abgasturbine und Verbrennungsluftverdichter sind über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden. Außerdem besteht eine mechani sche Verbindung über ein Wandlergetriebe zwischen dieser Welle und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.

Die Brennkraftmaschine weist im Leerlaufbereich und im Be reich niedriger Teillast einen geringen Abgasmassenstrom auf, der zum Antrieb des auf Nenndrehzahl ausgelegten Ab gasturboladers nicht ausreicht. Der Verdichter wird in diesen Lastbereichen von der Brennkraftmaschine über das Wandler getriebe angetrieben. Mit zunehmender Last wird der Abgas turbolader vom zunehmenden Abgasmassenstrom angetrieben und in gleichem Maße nimmt der Schlupf im Wandlergetriebe zu, so daß im hohen Teillast- bzw. Vollastbereich kein mechani scher Antrieb des Verdichters mehr erfolgt, sondern der Antrieb ausschließlich durch die Abgasturbine erfolgt.

In Bereichen niedriger Teillast und im Leerlaufbereich, in denen der Abgasturbolader mechanisch angetrieben wird, ist jedoch der Verbrennungsluftbedarf derartiger Brenn kraftmaschinen stark reduziert. Vom Verdichter des Abgas turboladers wird also mehr Verbrennungsluft geliefert, als von der Brennkraftmaschine aufgenommen wird. Um den hier aus resultierenden unnötigen Druck vor der Brennkraft maschine möglichst gering zu halten, bzw. Verluste zu minimieren, wird das Ventil im Rückführkanal geöffnet, so daß Verbrennungsluft im Kreislauf durch den Verdichter ge fördert wird. In dem Maße, in dem der Antrieb des Abgas turboladers in Bereichen höherer Last stärker durch die Abgase der Brennkraftmaschine erfolgt und der mechanische Antrieb abnimmt, d.h. in dem Maße, in dem die Brennkraft maschine einen höheren Luftbedarf aufweist, wird das Ventil im Rückführkanal geschlossen, um den höheren Luftbedarf der Brennkraftmaschine bereitzustellen. Bei Vollastbetrieb be zieht der Abgasturbolader seine Leistung ganz aus dem er höhten Abgasmassenstrom und das Ventil im Rückführkanal wird vollständig geschlossen, so daß der Brennkraftmaschine die gesamte vom Verdichter gelieferte Verbrennungsluftmenge zuge führt wird.

Auf diese Weise bleibt der Vorteil eines raschen Ladedruck aufbaus auch aus niedrigen Lastbereichen erhalten und außer dem werden die Verluste durch einen unnötigen Druckaufbau verringert, da die überschüssige Luftmenge über eine Ab zweigung im Verdichterkreislauf zurückgeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben.

Als Beispiel sei hier eine gemischverdichtende Brennkraft maschine mit Steuerung über Drosselklappen angenommen. Verbrennungsluft 1 gelangt in üblicher Weise über ein Luft filter 2 zum Verdichter 3 eines Abgasturboladers 4. Die ver dichtete Verbrennungsluft wird anschließend über den Saug rohrsammler 6 und eine, hier als Einzeldrosselklappen 7 dargestellte, Drosselanlage der Brennkraftmaschine 8 zuge führt. Dabei kann zwischen dem Verdichter 3 und dem Saug rohrsammler 6 ein an sich bekannter, hier nicht näher be schriebener, Ladeluftkühler 5 vorgesehen sein.

Die Abgase 9 der Brennkraftmaschine werden über den Abgas krümmer 10 und die Abgasturbine 11 zur Auspuffanlage 12 und anschließend ins Freie geleitet. Eine Ladedruckregelung bzw. die Begrenzung des maximalen Ladedrucks erfolgt über das Abgassteuerventil 13, das bei einem vorgegebenen Abgas druck öffnet und einen Teil der Abgase 9 unter Umgehung der Abgasturbine 11 direkt zur Auspuffanlage 12 führt. Ver dichter 3 und Abgasturbine 11 des Abgasturboladers 4 sind über ihre gemeinsame Welle 16 mechanisch fest miteinander verbunden. Diese Welle 16 ist außerdem über ein Wandler getriebe 14 mit der Kurbelwelle 15 der Brennkraftmaschine 8 verbunden.

Im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 8 und in Bereichen niedriger Teillast, bei denen der Abgasmassenstrom zum An trieb des Abgasturboladers 4 noch nicht ausreicht, ist nahe zu kein Schlupf im Wandlergetriebe 14 vorhanden, so daß der Verdichter 3 über seine Welle 16 mit der Kurbelwelle 15 ver bunden ist und von dieser angetrieben wird. Da hierbei die Abgasturbine 11, die ja über die Welle 16 mit dem Verdichter 3 verbunden ist, in bezug auf die geringe Abgasmenge zu schnell läuft, entsteht im Abgaskrümmer 10 ein Unterdruck, der ein schnelleres Ansprechen der Brennkraftmaschine 8 beim Lastwechsel von Teillast auf Vollast unterstützt.

Der Verdichter 3 liefert im niedrigen Teillastbereich eine im Vergleich zum Bedarf der gedrosselten Brennkraftmaschine 8 zu große Verbrennungsluftmenge. Daraus resultiert ein un nötiger, leistungverbrauchender Druckaufbau vor den Drossel klappen 7. Um diesen Leistungsverlust zu vermeiden, wird das Ventil 18 im Rückführkanal 17 geöffnet, so daß die über schüssige Verbrennungsluftmenge zur Ansaugseite des Ver dichters 3 zurückgeführt wird, also ohne wesentliche Ver luste im Verdichterkreislauf transportiert wird.

Bei einem Lastwechsel zu höherer Last, bzw. Vollast, d.h. bei steigendem Luftbedarf der Brennkraftmaschine 8, wird das Ventil 18 in dem Maße, wie die Drosselklappen 7 ge öffnet werden, geschlossen. Bei Vollastbetrieb ist das Ventil 18 vollständig geschlossen, so daß keine Ver brennungsluft durch den Rückführkanal 17 gefördert wird und die gesamte vom Verdichter 3 gelieferte Verbrennungs luftmenge der Brennkraftmaschine 8 zur Deckung ihres höheren Luftbedarfs zugeführt wird.

Mit dem Lastwechsel zu höherer Teillast bzw. Vollast nimmt auch die Abgasmenge zu. Der Abgasmassenstrom steigt an, so daß der Verdichter 3 nun von der auf der gemeinsamen Welle 16 befestigten Abgasturbine 11 angetrieben wird. Die Ver bindung von Welle 16 und Kurbelwelle 15 wird durch Ver größerung des Schlupfes, bei Vollast nahezu 100%, aufgehoben. Der Abgasturbolader 4 wird also nur noch von den Abgasen 9 angetrieben und Verluste durch einen mechanischen Lader antrieb werden vermieden. Die beschriebene Einrichtung ist ohne Einschränkung auch auf luftverdichtende Brennkraft maschinen zur Steuerung der Verbrennungsluftmenge anwendbar.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einem Verdichter zur Förderung von Verbrennungsluft, der von einer mit diesem auf einer gemeinsamen Welle befestigten und vom Abgas der Brenn kraftmaschine beaufschlagten Abgasturbine angetrieben wird, der mit einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Welle über ein steuerbares Wandlergetriebe verbunden ist, der im Bereich zwischen Leerlauf und Teillast von der Brenn kraftmaschine angetrieben wird und der im Bereich zwischen Teillast und Vollast mit steigender Last von der Brennkraft maschine entkoppelt und bei Vollast ausschließlich von der Abgasturbine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen Leerlauf und Teillast ein Teil der vom Verdichter (3) geförderten Verbrennungsluft über eine Rückführleitung (17) mit einem die Rückflußmenge steuernden Ventil (18) zur Ansaugseite des Verdichters (3) zurückge führt wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Rückfluß steuernde Ventil (18) im Leerlaufbe trieb vollständig geöffnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Rückfluß steuernde Ventil (18) mit steigender Motorlast in seine Schließstellung übergeht.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (17) stromauf einer die Luftmenge in der Ladeluftleitung steuernden Drosselklappe (7) von der Ansaugleitung abgezweigt ist.