EP1828562A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader und einer nutzturbine - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader und einer nutzturbine

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EP1828562A1
EP1828562A1 EP05817998A EP05817998A EP1828562A1 EP 1828562 A1 EP1828562 A1 EP 1828562A1 EP 05817998 A EP05817998 A EP 05817998A EP 05817998 A EP05817998 A EP 05817998A EP 1828562 A1 EP1828562 A1 EP 1828562A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
exhaust
turbine
internal combustion
combustion engine
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Withdrawn
Application number
EP05817998A
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Inventor
Stefan Arndt
Igor Gruden
Christian Onnen
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Daimler AG
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Publication date
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a power turbine and to an internal combustion engine.
  • the publication JP 08240156 A describes a supercharged internal combustion engine which, in addition to the exhaust gas turbocharger, comprises a compound utility turbine in the exhaust gas line, which is coupled to the crankshaft of the engine via a transmission.
  • the compound power turbine makes it possible to exploit the residual energy which the exhaust gas still has after flowing through the exhaust turbine and transmit it as a drive torque to the crankshaft of the engine.
  • the series connection of the exhaust gas turbine and the compound power turbine improves the overall efficiency of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is equipped with an exhaust gas recirculation device, consisting of a return line which runs between the exhaust line upstream of the exhaust gas turbine and the intake downstream of a charge air cooler arranged there, and an adjustable shut-off valve.
  • the check valve can be opened in the return line, so that exhaust from the Exhaust line flows into the intake and the cylinders of the internal combustion engine is supplied. As a result, a reduction in nitrogen oxide emissions can be achieved.
  • the check valve is closed in the exhaust gas recirculation device, so that the exhaust gas flows through first the exhaust turbine and then the compound power turbine. In this way, the exergy of the exhaust gas can be exploited in the best possible way.
  • the pressure regulating device which is provided for exhaust gas back pressure adjustment between exhaust turbine and turbine, adjusted in the direction of its open position.
  • the exhaust gas back pressure in the line section is reduced downstream of the exhaust gas turbine and increases the pressure gradient across the exhaust gas turbine, so that the exhaust gas turbine can bring more power and the associated compressor in the intake can build a higher boost pressure.
  • the increasing exhaust gas backpressure in the line section between the exhaust gas turbine and the exhaust aftertreatment unit as a result of the clogging exhaust aftertreatment unit can be at least partially compensated by the pressure regulating device that opens, which offers advantages in particular in the event that the pressure regulation device is initially in a partially closed or partially open position starting from this central position, starting as soon as downstream of the exhaust gas turbine, a pressure increase due to the specializedden particulate filter is detected. hereby For example, a desired pressure drop across the exhaust turbine can be maintained despite the clogging filter.
  • control signals are generated as a function of the exhaust back pressure upstream of the exhaust aftertreatment unit, which are used to set the pressure regulating device, which is assigned to the power turbine.
  • the actuating signals cause the pressure regulating device to open, so that at least one partial exhaust gas stream either bypasses the useful turbine into a bypass or an adjustable variable turbine geometry, which is arranged in the turbine inlet cross section of the useful turbine, is displaced in the direction of the open position.
  • the exhaust gas back pressure is reduced downstream of the exhaust gas turbine and increases the pressure ratio across the exhaust gas turbine.
  • the pressure regulating device is designed as a bypass to the power turbine or as a variable turbine geometry for variable adjustment of the effective turbine inlet cross section in the power turbine. With both versions, a pressure regulation is feasible. Both versions can also be combined with each other.
  • the exhaust gas turbine which is part of the exhaust gas turbocharger assigned to the internal combustion engine, is also expediently equipped with a variable turbine geometry, which results in an additional degree of freedom for setting the pressure conditions over the exhaust gas turbine.
  • the variable turbine geometry of the exhaust gas turbine can be adjusted between a stowage position minimizing the effective turbine inlet cross section and a maximum opening position be set with the maximum opening position, especially at high load and speed, whereas the jam position in the lower load and speed range is preferred.
  • the exhaust backpressure upstream of the exhaust gas turbine is increased, so that between the remaining open flow cross sections in the variable turbine geometry high flow velocities are to be achieved, under which the exhaust impinges on the turbine wheel. In this way, even at low loads and speeds a rapid boost pressure build-up can be achieved.
  • variable turbine geometry of the exhaust gas turbine and the variable turbine geometry in engine braking operation comes into consideration.
  • the exhaust gas back pressure upstream of the exhaust gas turbine is increased by a corresponding adjustment of the variable geometries, so that the pistons in the cylinders have to afford against this increased exhaust back pressure.
  • the internal combustion engine 1 shown in the figure - in particular a diesel internal combustion engine, but possibly also a gasoline engine - is designed as a series six-cylinder engine, the cylinder 2 are supplied via a common air collector 3 with combustion air.
  • the exhaust gas of the cylinder 2 is discharged into a common exhaust manifold 5, which is part of the exhaust line 6 and opens into an exhaust pipe of the exhaust line.
  • the air collector 3 is Part of the intake tract 4 and is supplied via an air line of the intake with combustion air.
  • the internal combustion engine 1 is associated with an exhaust gas turbocharger 7, which comprises a compressor 8 in the intake tract 4 and an exhaust gas turbine 9 in the exhaust gas line 6.
  • the exhaust gas turbine 9 is equipped with a variable turbine geometry 10 for variable adjustment of the effective turbine inlet cross section, via which the turbine inlet cross section is to be adjusted between a minimum stowed position and a maximum open position.
  • the variable turbine geometry 10 is designed, for example, as an axially adjustable guide grid or as a fixed guide grid with adjustable guide vanes.
  • the rotational movement of the turbine wheel in the exhaust gas turbine 9 is transmitted via a shaft 11 to the compressor wheel in the compressor 8.
  • a compound power turbine 12 Downstream of the exhaust gas turbine 9, a compound power turbine 12 is arranged in the exhaust line 6, which flows through the exhaust gas and is driven.
  • the compound power turbine 12 is connected via its shaft 14 and a gear 15 to the crankshaft of the engine, so that the drive or braking torque generated in the compound power turbine 12 is transmitted to the crankshaft of the engine.
  • the utility turbine 12, like the exhaust gas turbine, is equipped with a variable turbine geometry 13, via which the effective turbine inlet cross section in the utility turbine 12 is to be adjusted between a minimum stowed position and a maximum open position.
  • This variable turbine geometry 13, for example, can be designed as an axially adjustable guide grid or as a fixed guide grid with adjustable guide vanes.
  • the power turbine 12 is associated with a bypass 16 with a control valve 17 disposed therein.
  • the bypass 16 bridges the power turbine 12, so that when the shut-off valve 17 is open, the entire exhaust gas or at least a large part of the exhaust gas, bypassing the power turbine 12, is conducted via the bypass
  • an exhaust gas aftertreatment unit 18 is arranged in the exhaust line 6, which comprises in particular a soot particle filter.
  • the exhaust aftertreatment unit 18 may also be associated with further purification devices, such as a catalytic converter.
  • the combustion air On the air side, the combustion air is sucked under pressure Px from the compressor 8 and compressed to the increased pressure p 2 , below which the combustion air is fed to the compressor 8 downstream charge air cooler 23. After cooling in the charge air cooler 23, the compressed combustion air flows under the boost pressure p 2 s into the air collector 3 and from there into the cylinders 2 of the internal combustion engine 1.
  • the expelled from the cylinders 2 exhaust gases are passed through the exhaust manifold 5 in the adjoining exhaust pipe of the exhaust line 6 and have in the Abgastechnischs- section between the cylinder outlet and the exhaust turbine 9, the exhaust back pressure p 3 .
  • the exhaust gases of the exhaust gas turbine 9 are supplied and expanded in the exhaust gas turbine 9 to the exhaust gas pressure p 4 , below which the exhaust gases at the entrance of the compound power turbine 12 abut.
  • the exhaust gases to the exhaust gas pressure p 5 below which the exhaust gases of the exhaust gas aftertreatment unit 18 are supplied.
  • the internal combustion engine 1 is also provided with an exhaust gas recirculation device 19, which comprises a recirculation line 20 with an adjustable shut-off valve 21 and an exhaust gas cooler 22 arranged therein.
  • the return line 20 branches off from the exhaust-gas line section upstream of the exhaust-gas turbine 9 and ends in the intake tract 4 between the compressor 8 and the intercooler 23.
  • the internal combustion engine 1 is associated with a control and control unit 24, are generated in the control signals for adjusting and regulating the internal combustion engine 1 and the engine associated with the units.
  • the control signals are generated as a function of state and operating variables that characterize the operating state of the internal combustion engine or the units.
  • variable turbine geometry 10 On the exhaust side four adjustment options for the regulation of the exhaust back pressure are available, namely the check valve 21 in the exhaust gas recirculation device 19, the variable turbine geometry 10, the variable turbine geometry 13 and the control valve 17 in the bypass 16.
  • the check valve 21 in the exhaust gas recirculation device 19 On the exhaust side four adjustment options for the regulation of the exhaust back pressure are available, namely the check valve 21 in the exhaust gas recirculation device 19, the variable turbine geometry 10, the variable turbine geometry 13 and the control valve 17 in the bypass 16.
  • the regulation of the variable Nutzturbinen- geometry 13th and the control valve 17 in the bypass 16 can be at least partially compensated for as a result of an entraining particulate filter increasing exhaust pressure p 4 and p 5 downstream of the exhaust turbine 9 and a concomitant reduction of the pressure gradient across the exhaust gas turbine.
  • the pressure regulating device associated with the useful turbine 12 - ie the variable turbine geometry 13 and / or the bypass 16 the control valve 17 - are adjusted starting from a closed position or a partial opening position in the direction of a larger open position.
  • the exhaust gas pressure p 4 in the line section between the exhaust gas turbine 9 and the utility turbine 12 drops and approaches the exhaust gas pressure p 5 in the line section immediately upstream of the exhaust gas aftertreatment unit 18.
  • the reduction of the exhaust gas pressure p 4 downstream of the exhaust gas turbine can also improve the transient operation of the Internal combustion engine can be exploited in the fired drive mode.
  • acceleration states at low speeds in which there is only a small exhaust back pressure p 3 between the cylinder exits and the turbine inlet in the exhaust turbine 9
  • by lowering the exhaust gas pressure p 4 downstream of the turbine increases the pressure drop across the turbine and thereby a rapid power consumption and a fast boost pressure build-up can be achieved.
  • the embodiment with the power turbine which is associated with a pressure regulating device, offers advantages in operation with the exhaust gas recirculation.
  • a high exhaust gas back pressure p 3 which promotes exhaust gas recirculation, can be set upstream of the exhaust gas turbine 9 at a high pressure drop across the exhaust gas turbine despite a particulate filter in the exhaust gas aftertreatment unit 18 being added.
  • an improvement of the operating behavior can be achieved.
  • Decisive for the level of engine braking power are the pressure conditions at the cylinder inlet and at the cylinder outlet of the internal combustion engine.
  • a high boost pressure generates a correspondingly high pressure level in the cylinders, whereby the pistons in the cylinders have to perform exhaust work against the high exhaust backpressure.
  • the high exhaust gas back pressure is achieved by an adjustment of the variable turbine geometry 10 in the direction of stowed position;
  • the exhaust gas flows through the remaining free flow cross-sections of the variable turbine geometry 10 on the turbine wheel and this puts a driving pulse, whereby the loader is brought to speed or held and compressor side can generate a high boost pressure.
  • the for the loader performance required pressure drop across the exhaust gas turbine is adjusted by means of the pressure regulating device of the power turbine 12, so by adjusting the variable turbine geometry 13 and / or the control valve 17 in the bypass 16.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader und einer Nutzturbine (12) sowie einer stromab der Nutzturbine (12) angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit (18) wird im Fall eines ansteigenden Abgasdrucks eine Druckregulierungsvorrichtung (13, 17) zur Reduzierung des Drucks in Richtung ihrer Öffnungsposition verstellt.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Nutzturbine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Nutzturbine sowie auf eine Brennkraftmaschine .
In der Druckschrift JP 08240156 A wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine beschrieben, welche zusätzlich zum Abgasturbolader eine Compound-Nutzturbine im Abgasstrang umfasst , die über ein Getriebe an die Kurbelwelle des Motors angekoppelt ist . Die Compound-Nutzturbine ermöglicht es , die Restenergie, die das Abgas nach dem Durchströmen der Abgas- turbine noch aufweist , auszunutzen und als Antriebsmoment auf die Kurbelwelle des Motors zu übertragen. Durch die Reihenschaltung von Abgasturbine und Compound-Nutzturbine wird der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert .
Die Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführungseinrichtung ausgestattet , bestehend aus einer Rückführleitung, die zwischen dem Abgasstrang stromauf der Abgasturbine und dem Ansaugtrakt stromab eines dort angeordneten Ladeluftkühlers verläuft , und einem einstellbaren Sperrventil . Im niedrigen Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine kann das Sperrventil in der Rückführleitung geöffnet werden, sodass Abgas aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt strömt und den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Hierdurch ist eine Reduzierung der Stickoxid-Emissionen zu erreichen.
Bei hoher Last und Drehzahl wird dagegen das Sperrventil in der Abgasrückführungseinrichtung geschlossen, sodass das Abgas zunächst die Abgasturbine und anschließend die Compound-Nutzturbine durchströmt . Auf diese Weise kann die Exergie des Abgases in bestmöglicher Weise ausgenutzt werden.
Bei hohen Lasten, j edoch niedrigen Drehzahlen wird vorteilhaft ebenfalls die Abgasrückführung abgesperrt und zugleich ein Bypass zur Umgehung der Compound-Nutzturbine geöffnet , sodass der Druck stromab der Abgasturbine abfällt und sich ein entsprechend großes Druckgefälle über der Abgasturbine einstellt , das für den Antrieb des Laders ausgenutzt werden kann. Im instationären Betriebsbereich kann hierdurch ein schneller Ladedruckaufbau erzielt werden.
Insbesondere bei modernen Diesel-Brennkraftmaschinen besteht heutzutage die Anforderung nach einer effizienten Abgas- reinigung einschließlich der Filterung von Rußpartikeln im Abgasstrom. Diese werden mithilfe eines Partikelfilters im Abgasstrang ausgefiltert . Zu beachten ist bei derartigen Partikelfiltern, dass prinzipbedingt die Poren des Filters im Laufe der Zeit sich zusetzen, wodurch der Abgasgegendruck ansteigt und der Wirkungsgrad aufgrund des reduzierten Druckgefälles der Abgasturbine sinkt . Um die ausgefilterten Rußpartikel zu beseitigen, muss in regelmäßigen Abständen der Partikelfilter freigebrannt werden, wofür das der Brennkraftmaschine zuzuführende Kraftstoff-Luft-Gemisch angefettet, das heißt eine SäuerstoffUnterversorgung in der Brennkraftmaschine eingestellt wird . Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde , den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine, die mit Abgasturbolader und nachgeschalteter Nutzturbine sowie einer Abgasnachbehandlungseinheit ausgestattet ist , zu verbessern .
Dieses Problem wird bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst . Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Fall eines ansteigenden Abgasgegendrucks, welcher sich stromab der Nutzturbine als Folge einer sich zusetzenden Abgasnachbehandlungseinheit einstellt , die Druckregulierungs- vorrichtung, welche zur Abgasgegendruckeinstellung zwischen Abgasturbine und Nutzturbine vorgesehen ist , in Richtung ihrer Öffnungsstellung verstellt . Hierdurch wird der Abgasgegendruck im Leitungsabschnitt stromab der Abgasturbine reduziert und das Druckgefälle über der Abgasturbine erhöht , sodass die Abgasturbine mehr Leistung bringen kann und der zugehörige Verdichter im Ansaugtrakt einen höheren Ladedruck aufbauen kann. Der sich als Folge der verstopfenden Abgasnachbehandlungseinheit ansteigende Abgasgegendruck im Leitungsabschnitt zwischen der Abgasturbine und der Abgasnachbehandlungseinheit kann zumindest teilweise durch die sich öffnende DruckregulierungsVorrichtung kompensiert werden, was insbesondere für den Fall Vorteile bietet , dass die DruckregulierungsVorrichtung sich zunächst in einer Teilschließ- bzw. Teilöffnungsposition befindet und von dieser mittleren Stellung ausgehend weiter geöffnet wird, sobald stromab der Abgasturbine ein Druckanstieg aufgrund des sich zusetzenden Partikelfilters feststellbar ist . Hierdurch kann ein gewünschtes Druckgefälle über der Abgasturbine trotz des verstopfenden Filters aufrechterhalten werden .
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, welche sich zur Durchführung des Verfahrens eignet , werden in einer Regel- und Steuereinheit Stellsignale als Funktion des Abgasgegendrucks stromauf der Abgasnachbehandlungseinheit erzeugt , die zur Einstellung der Druckregulierungsvorrichtung, welche der Nutzturbine zugeordnet ist , herangezogen werden . Die Stellsignale bewirken ein Öffnen der Druckregulierungsvorrichtung, sodass zumindest ein Abgasteilstrom entweder zur Umgehung der Nutzturbine in einen Bypass geleitet oder eine einstellbare variable Nutzturbinengeometrie, welche im Turbineneintrittsquerschnitt der Nutzturbine angeordnet ist , in Richtung Öffnungsstellung versetzt wird. In beiden Fällen wird der Abgasgegendruck stromab der Abgasturbine reduziert und das Druckverhältnis über der Abgasturbine erhöht .
Die Druckregulierungsvorrichtung ist als Bypass zur Nutzturbine bzw. als variable Nutzturbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes in der Nutzturbine ausgeführt . Mit beiden Ausführungen ist eine Druckregulierung durchführbar . Beide Ausführungen können auch miteinander kombiniert werden .
Zweckmäßig ist auch die Abgasturbine, welche Bestandteil des der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgasturboladers ist , mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet , wodurch sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Einstellung der Druckverhältnisse über der Abgasturbine ergibt . Die variable Turbinengeometrie der Abgasturbine kann zwischen einer den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt minimierenden Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition verstellt werden, wobei die maximale Öffnungsstellung insbesondere bei hoher Last und Drehzahl eingestellt wird, wohingegen die Stauposition im unteren Last- und Drehzahlbereich bevorzugt wird. In Stauposition wird der Abgasgegendruck stromauf der Abgasturbine erhöht, sodass zwischen den verbleibenden offenen Strömungsquerschnitten in der variablen Turbinengeometrie hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen sind, unter denen das Abgas auf das Turbinenrad auftrifft . Auf diese Weise kann bereits bei niedrigen Lasten und Drehzahlen ein rascher Ladedruckaufbau erreicht werden.
Darüber hinaus kommt auch eine Einstellung sowohl der variablen Turbinengeometrie der Abgasturbine als auch der variablen Nutzturbinengeometrie im Motorbremsbetrieb in Betracht . Hierbei wird der Abgasgegendruck stromauf der Abgasturbine durch eine entsprechende Einstellung der variablen Geometrien erhöht , sodass die Kolben in den Zylindern gegen diesen erhöhten Abgasgegendruck Ausschubarbeit leisten müssen.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung aufgeführt, welche eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Compound- Nutzturbine zeigt .
Die in der Figur dargestellte Brennkraftmaschine 1 - insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine , gegebenenfalls aber auch ein Otto-Motor - ist als Reihen-Sechszylinder-Motor ausgebildet , deren Zylinder 2 über einen gemeinsamen LuftSammler 3 mit Verbrennungsluft versorgt werden. Das Abgas der Zylinder 2 wird in eine gemeinsame Abgassammelleitung 5 abgeben, die Bestandteil des Abgasstranges 6 ist und in eine Abgasleitung des Abgasstranges mündet . Der Luftsammler 3 ist Teil des Ansaugtraktes 4 und wird über eine Luftleitung des Ansaugtraktes mit Verbrennungsluft versorgt .
Der Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 7 zugeordnet , der einen Verdichter 8 im Ansaugtrakt 4 und eine Abgasturbine 9 im Abgasstrang 6 umfasst . Die Abgasturbine 9 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 10 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintritts- querschnittes ausgestattet , über die der Turbineneintritts- querschnitt zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen ist . Die variable Turbinengeometrie 10 ist beispielsweise als axial verstellbares Leitgitter oder als feststehendes Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln ausgebildet . Die Drehbewegung des Turbinenrades in der Abgasturbine 9 wird über eine Welle 11 auf das Verdichterrad im Verdichter 8 übertragen.
Stromab der Abgasturbine 9 ist im Abgasstrang 6 eine Compound-Nutzturbine 12 angeordnet , die vom Abgas durchströmt und angetrieben wird. Die Compound-Nutzturbine 12 ist über ihre Welle 14 und ein Getriebe 15 mit der Kurbelwelle des Motors verbunden, sodass das Antriebs- oder Bremsmoment , welches in der Compound-Nutzturbine 12 erzeugt wird, auf die Kurbelwelle des Motors übertragen wird . Die Nutzturbine 12 ist wie die Abgasturbine mit einer variablen Nutzturbinengeometrie 13 ausgestattet , über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt in der Nutzturbine 12 zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen ist . Auch diese variable Nutzturbinengeometrie 13 kann beispielsweise als axial verstellbares Leitgitter oder als feststehendes Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln ausgebildet sein . Der Nutzturbine 12 ist ein Bypass 16 mit einem darin angeordneten Stellventil 17 zugeordnet . Der Bypass 16 überbrückt die Nutzturbine 12 , sodass bei geöffnetem Sperrventil 17 das gesamte Abgas oder zumindest ein Großteil des Abgases unter Umgehung der Nutzturbine 12 über den Bypass 16 geleitet wird.
Stromab der Nutzturbine 12 ist im Abgasstrang 6 eine Abgasnachbehandlungseinheit 18 angeordnet , die insbesondere einen Russpartikelfilter umfasst . Darüber hinaus können der Abgasnachbehandlungseinheit 18 aber auch weitere Reinigungseinrichtungen wie zum Beispiel ein Katalysator zugeordnet sein.
Auf der Luftseite wird die Verbrennungsluft unter dem Druck Px vom Verdichter 8 angesaugt und auf den erhöhten Druck p2 komprimiert , unter dem die Verbrennungsluft einem dem Verdichter 8 nachgeordneten Ladeluftkühler 23 zugeführt wird. Nach der Kühlung im Ladeluftkühler 23 strömt die komprimierte Verbrennungsluft unter dem Ladedruck p2s in den Luftsammler 3 und von dort in die Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1.
Die von den Zylindern 2 ausgestoßenen Abgase werden über die Abgassammelleitung 5 in die sich anschließende Abgasleitung des Abgasstranges 6 geleitet und weisen im Abgasleitungs- abschnitt zwischen Zylinderausgang und der Abgasturbine 9 den Abgasgegendruck p3 auf . Unter dem Abgasgegendruck p3 werden die Abgase der Abgasturbine 9 zugeführt und in der Abgasturbine 9 auf den Abgasdruck p4 entspannt, unter dem die Abgase am Eingang der Compound-Nutzturbine 12 anliegen. Stromab der Compound-Nutzturbine 12 weisen die Abgase den Abgasdruck p5 auf, unter dem die Abgase der Abgasnachbehandlungseinheit 18 zugeführt werden. Die Brennkraftmaschine 1 ist darüber hinaus mit einer Abgasrückführungseinrichtung 19 versehen, welche eine RückführIeitung 20 mit einem darin angeordneten, regulierbaren Sperrventil 21 und einem Abgaskühler 22 umfasst . Die Rückführleitung 20 zweigt vom Abgasleitungsabschnitt stromauf der Abgasturbine 9 ab und mündet in den Ansaugtrakt 4 zwischen Verdichter 8 und Ladeluftkühler 23.
Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Regel- und Steuereinheit 24 zugeordnet , in der Stellsignale zur Einstellung und Regulierung der Brennkraftmaschine 1 sowie der der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregate erzeugt werden. Die Stellsignale werden als Funktion von Zustands- und Betriebsgrößen generiert , die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw. der Aggregate kennzeichnen. Eingestellt werden unter anderem die Ventile an den Zylindern 2 , das Sperrventil 21 in der Abgasrückführungseinrichtung 19 , die variable Turbinengeometrie 10 in der Abgasturbine 9 , das Stellventil 17 in dem die Nutzturbine 12 überbrückenden Bypass 16 und die variable Nutzturbinengeometrie 13 in der Nutzturbine 12.
Auf der Abgasseite stehen vier Einstellmöglichkeiten für die Regulierung des Abgasgegendrucks zur Verfügung, nämlich das Sperrventil 21 in der Abgasrückführungseinrichtung 19 , die variable Turbinengeometrie 10 , die variable Nutzturbinengeometrie 13 sowie das Stellventil 17 im Bypass 16. Insbesondere über die Regulierung der variablen Nutzturbinen- geometrie 13 und des Stellventils 17 im Bypass 16 kann ein als Folge eines sich zusetzenden Partikelfilters ansteigender Abgasdruck p4 bzw. p5 stromab der Abgasturbine 9 und eine damit einhergehende Reduzierung des Druckgefälles über der Abgasturbine zumindest teilweise kompensiert werden . Sobald der Partikelfilter in der Abgasnachbehandlungseinheit 18 verstopft , steigt zunächst der Abgasdruck p5 im Leitungsabschnitt zwischen Nutzturbine 12 und Abgasnachbehandlungseinheit 18 an, wodurch auch das Druckgefälle P4/P5 über der Nutzturbine 12 herabgesetzt wird . Mit abnehmendem Druckgefälle sinkt j edoch die Leistungsaufnahme in der Nutzturbine 12.
Um einen insgesamt ansteigenden Abgasgegendruck p4 bzw. p5 stromab der Abgasturbine 9 als Folge eines sich zusetzenden Partikelfilters in der Abgasnachbehandlungseinheit zu kompensieren, kann die Druckregulierungsvorrichtung, welche der Nutzturbine 12 zugeordnet ist - also die variable Nutzturbinengeometrie 13 und/oder der Bypass 16 mit dem Stellventil 17 - ausgehend von einer Schließposition oder einer teilweisen Öffnungsposition in Richtung einer größeren Öffnungsstellung verstellt werden. Hierdurch sinkt der Abgasdruck p4 im Leitungsabschnitt zwischen Abgasturbine 9 und Nutzturbine 12 ab und nähert sich dem Abgasdruck p5 im Leitungsabschnitt unmittelbar stromauf der Abgasnachbehandlungseinheit 18 an. Diese Druckreduzierung im Leitungsabschnitt unmittelbar stromab der Abgasturbine 9 , die mit einer Außerbetriebsetzung der Nutzturbine 12 einhergeht , vergrößert das Druckgefälle P3/P4 über der Abgasturbine 9 , wodurch die Leistungsaufnahme in der Abgasturbine 9 erhöht wird. Über diese Vorgehensweise kann die Leistungsaufnahme in der Abgasturbine 9 trotz eines sich zusetzenden Partikelfilters in der Abgasnachbehandlungseinheit 18 so lange kompensiert werden, bis die sich in dem Partikelfilter abgelagerten Russpartikel abgebrannt werden und hierdurch der Strömungswiderstand im Partikelfilter reduziert wird .
Die Absenkung des Abgasdruckes p4 stromab der Abgasturbine kann auch zur Verbesserung des instationären Betriebs der Brennkraftmaschine in der befeuerten Antriebsbetriebsweise ausgenutzt werden . Insbesondere in Beschleunigungszuständen bei niedrigen Drehzahlen, in denen ein lediglich geringer Abgasgegendruck p3 zwischen den Zylinderausgängen und dem Turbineneinlass in der Abgasturbine 9 herrscht , kann durch die Absenkung des Abgasdruckes p4 stromab der Turbine der Druckabfall über der Turbine erhöht und hierdurch eine rasche Leistungsaufnahme und ein schneller Ladedruckaufbau erreicht werden.
Auch bietet die Ausführung mit der Nutzturbine , der eine DruckregulierungsVorrichtung zugeordnet ist , Vorteile im Betrieb mit der Abgasrückführung . Es kann ein die Abgasrückführung begünstigender hoher Abgasgegendruck p3 stromauf der Abgasturbine 9 bei zugleich hohem Druckabfall über der Abgasturbine trotz eines sich zusetzenden Partikelfilters in der Abgasnachbehandlungseinheit 18 eingestellt werden.
Auch im Motorbremsbetrieb kann eine Verbesserung des Betriebverhaltens erreicht werden . Maßgebend für das Niveau der Motorbremsleistung sind die Druckverhältnisse am Zylindereingang und am Zylinderausgang der Brennkraft- maschiήe . Ein hoher Ladedruck erzeugt ein entsprechend hohes Druckniveau in den Zylindern, wobei die Kolben in den Zylindern gegen den hohen Abgasgegendruck Ausschubarbeit leisten müssen . Der hohe Abgasgegendruck wird durch eine Verstellung der variablen Turbinengeometrie 10 in Richtung Stauposition erreicht ; zugleich strömt das Abgas durch die verbleibenden freien Strömungsquerschnitte der variablen Turbinengeometrie 10 auf das Turbinenrad und versetzt diesem einen antreibenden Impuls , wodurch der Lader auf Drehzahl gebracht bzw. gehalten wird und verdichterseitig einen hohen Ladedruck erzeugen kann. Der für die Laderleistung erforderliche Druckabfall über der Abgasturbine wird mithilfe der DruckregulierungsVorrichtung der Nutzturbine 12 , also durch Einstellung der variablen Nutzturbinengeometrie 13 und/oder des Stellventils 17 im Bypass 16 eingestellt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen Verdichter (8) im Ansaugtrakt
(4) und eine Abgasturbine (9) im Abgasstrang ( 6) umfasst , mit einer Nutzturbine (12 ) , die im Abgasstrang (6) stromab der Abgasturbine (9) angeordnet ist und von den Abgasen der Brennkraftmaschine (1) angetrieben wird, mit einer den Abgasgegendruck (p4) zwischen der Abgasturbine
(9) und der Nutzturbine (12 ) einstellenden Druckregulierungsvorrichtung (13 , 17) , und mit einer im Abgasstrang (G) stromab der Nutzturbine (12 ) angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit (18) , wobei im Fall eines ansteigenden Abgasdrucks (p4 , p5) im Abschnitt stromab der Abgasturbine (9) als Folge einer verstopfenden Abgasnachbehandlungseinheit (18 ) die
Druckregulierungsvorrichtung (13 , 17) zur Reduzierung des Abgasdrucks in Richtung ihrer Öffnungsposition verstellt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass im Motorbremsbetrieb die
Druckregulierungsvorrichtung (13 , 17) in der Weise eingestellt wird, dass ein angefordertes Motorbremsmoment eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass in der befeuerten Antriebsbetriebsweise die Druckregulierungsvorrichtung ( 13 , 17) zur Einstellung eines vom Abgasstrang (6) in den Ansaugtrakt (4) rückzuführenden Abgasstromes beaufschlagt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass eine variable Turbinengeometrie (10) in der Abgasturbine (9) zur Einstellung des Abgasgegendrucks (p3) verstellt wird.
5. Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , mit einem Abgasturbolader
(7) , der einen Verdichter (8) im Ansaugtrakt (4) und eine Abgasturbine (9) im Abgasstrang (6) umfasst , mit einer Nutzturbine (12 ) , die im Abgasstrang (6) stromab der Abgasturbine (9) angeordnet ist und von den Abgasen der Brennkraftmaschine (1) angetrieben wird, mit einer den Abgasdruck (p4) zwischen der Abgasturbine (9) und der Nutzturbine (12 ) einstellenden
Druckregulierungsvorrichtung (13 , 17) , mit einer im Abgasstrang (6) stromab der Nutzturbine (12 ) angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit (18) , und mit einer Regel- und Steuereinheit (24) zur Erzeugung von Stellsignalen zur Einstellung der Druckregulierungsvorrichtung (13 , 17) als Funktion des Abgasdrucks (p4 , p5) stromauf der Abgasnachbehandlungseinheit (18 ) .
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass die Abgasnachbehandlungseinheit (18) einen Partikelfilter umfasst .
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekennzeichnet , dass die Druckregulierungsvorrichtung einen die Nutzturbine (12 ) überbrückenden Bypass (16) mit einem darin angeordneten Stellventil (17) umfasst .
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die Druckregulierungsvorrichtung als variable Nutzturbinengeometrie (13 ) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts in der Nutzturbine (12 ) ausgebildet ist .
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Abgasturbine (9) eine variable Turbinengeometrie (10 ) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts umfasst .
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 9 , dadurch gekennzeichnet , dass eine Abgasrückführeinrichtung (19) mit einer Rückführleitung (20) zwischen dem Abgasstrang (6) und dem Ansaugtrakt (4) der Brennkraftmaschine (1) und einem in der Rückführleitung (20) angeordneten, einstellbaren Sperrventil (21) vorgesehen ist .
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