EP2347107A1 - Anordnung zur frischgasversorgung einer turboaufgeladenen verbrennungsmaschine und verfahren zum steuern der anordnung - Google Patents

Anordnung zur frischgasversorgung einer turboaufgeladenen verbrennungsmaschine und verfahren zum steuern der anordnung

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EP2347107A1
EP2347107A1 EP09778585A EP09778585A EP2347107A1 EP 2347107 A1 EP2347107 A1 EP 2347107A1 EP 09778585 A EP09778585 A EP 09778585A EP 09778585 A EP09778585 A EP 09778585A EP 2347107 A1 EP2347107 A1 EP 2347107A1
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EP
European Patent Office
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compressed air
combustion engine
internal combustion
exhaust gas
arrangement
Prior art date
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Withdrawn
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EP09778585A
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Manuel Marx
Gerd Fritsch
Huba NÉMETH
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Publication date
Application filed by Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH, Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02M23/001—Apparatus for adding secondary air to fuel-air mixture built into a flange
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for supplying fresh gas to a turbo-charged internal combustion engine.
  • the invention also relates to a method for controlling such an arrangement.
  • Internal combustion engines such as diesel engines, are very often equipped with exhaust gas turbochargers.
  • a drive impeller driven by an exhaust flow of the internal combustion engine drives a compressor impeller to compress fresh gas.
  • Compressor wheels are made of aluminum or
  • Aluminum alloys produced This has its cause in particular in the lower specific mass and thus also low moment of inertia, which is particularly important in torque requirements, ie during acceleration of the internal combustion engine, because the exhaust gas turbocharger can not promote sufficient air in each operating state of the internal combustion engine and thus produce a sufficient intake pressure.
  • turbo lag an operating state during acceleration
  • the internal combustion engine reacts when accelerating with a speed increase after a certain delay time, in which no exhaust gas energy, ie no sufficient exhaust gas pressure
  • the exhaust gas mass flow must accelerate the turbocharger until it can build up its full boost pressure
  • Reaching the maximum charge pressure or charge air pressure depends to a large extent on the mass inertia of the impellers (compressor impeller, drive wheel or turbine) of the turbocharger.
  • Fresh gas is here to be understood as intake air.
  • Compressed air is to be distinguished from it, it is produced separately, for example by means of a compressor and in one
  • Container stored.
  • Charge air is the intake air compressed by the turbocharger or the fresh gas compressed by it.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the object is achieved by an arrangement for fresh gas supply with the features of claim 1. It is also achieved by a method having the features of claim 8.
  • an arrangement for supplying fresh gas to a turbo charged internal combustion engine having an intake pipe and an exhaust pipe comprising: an exhaust gas turbocharger with at least one compressor impeller for compression of fresh gas and supply of the compressed fresh gas to the internal combustion engine, and with at least one drive impeller for driving by exhaust gas of the internal combustion engine for Drive of the compressor impeller; and a compressed air supply means for controlled supply of compressed fresh gas or compressed air to the internal combustion engine, the Dmclduftzuschreib founded upon a charge air inlet to the compressor impeller, with an outlet to the intake manifold and to a compressed air inlet to a compressed air source, wholly or partly made of steel or a steel alloy ,
  • the entire at least one compressor impeller of the exhaust gas turbocharger is formed from steel.
  • Aluminum or titanium takes a far longer time than the steel impeller needed to reach the optimum speed. This also results in an advantageous fuel economy.
  • Another advantage of the steel compressor wheels is the significantly higher robustness. This in turn allows higher speeds and higher pressure ratios of the turbocharger. In addition, it may be possible to reduce the number of charge stages required (e.g., reducing a two-stage loader to a single-stage loader). Thus, further costs, weight and space can be saved.
  • the Dmckluftzubuch Kunststoff Kunststoffbuch für the Dmck Kunststoffzubuch thanks is formed with valves for the controlled supply of compressed air to the internal combustion engine when a pressure of the compacted from the compressor fresh gas in at least one specific operating state of the internal combustion engine falls below a predetermined value.
  • the valves can be controlled by a control device of the compressed air supply device.
  • the arrangement has a control device for controlling the compressed air supply device and for determining operating parameters of the exhaust gas turbocharger.
  • the existing operating parameters of a motor control can be used in the vehicle. It is also conceivable that such a controller can be integrated in the engine control.
  • the compressed air source may, for example, have a compressed air tank and a compressed air compressor feeding it. Other compressed air sources, such as an electric air compressor without storage are possible.
  • the arrangement may have a charge air cooler, which is arranged between the compressor impeller of the exhaust gas turbocharger and the compressed air supply device, and also an exhaust gas recirculation.
  • An inventive method for controlling the arrangement described above comprises the following method steps: determining the respective operating parameters of the internal combustion engine and an exhaust gas turbocharger by a control device and / or a motor control; Supplying compressed air by means of a compressed air supply device controlled by the control device to the internal combustion engine when a charge air pressure of the exhaust gas turbocharger is below a pressure value required according to the respectively determined operating parameters; or supplying charge air of the exhaust gas turbocharger to the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an arrangement according to the invention for fresh gas supply
  • Fig. 2 is a graph of motor torques.
  • the exhaust gas turbocharger 2 has a compressor impeller 4, which is rotatably coupled to the drive wheel 5.
  • the compressor impeller 4 compresses fresh gas from a fresh gas inlet 2 to increase an intake pressure in an intake passage 14 for the internal combustion engine 1, whereby, for example, an acceleration behavior of Vehicle with the internal combustion engine 1 and a reduction in energy consumption can be achieved.
  • the compressor impeller 4 is driven by the drive impeller 5, which is for example a turbine, which is driven by the exhaust gas of the internal combustion engine 1 and is arranged in the exhaust pipe 15 in the flow direction in front of an exhaust gas outlet 16.
  • a compressed air inlet 11 is connected to the outlet 13 and via a valve via a compressed air line 12 to a compressed air source, which here is a compressed air tank 8, fed by a driven by the internal combustion engine 1 air compressor 9.
  • a control device serves to control the valve and the flap element, also not shown. It is also connected here with pressure sensors, also not shown, in the outlet 13 and charge air inlet 10.
  • the compressed air valve opens the connection from the compressed air inlet 11 to the outlet 13.
  • the controlled flap element is closed, so that the compressed air is not supplied via the charge air inlet 10 can flow into the exhaust gas turbocharger 2 in the opposite direction to the suction direction, but flows directed into the suction line 14 via the outlet 13.
  • this flap element is opened again and the valve is closed to the compressed air line 12. At this point in time, the charge air pressure through the exhaust gas turbocharger 2 is restored sufficient.
  • FIG. 2 shows a graphical representation which illustrates an engine torque of the internal combustion engine 1 over the time t for different compressor wheels 4 with different materials in different combinations of arrangements for supplying fresh gas to the internal combustion engine 1.
  • the curve 17 represents a first engine torque curve 17 in which a compressor impeller 4 made of steel is used and no arrangement according to the invention with a compressed air supply device 7 is present.
  • a 90% motor torque M90 is reached only at a time t4.
  • a time t3 which is achieved by a compressor impeller made of titanium, also without the inventive arrangement with a compressed air supply means 7, a second engine torque curve 18.
  • Without the inventive arrangement with a compressed air supply device 7 is by means of a compressor impeller 4 made of aluminum with a third engine torque curve 19 an even earlier
  • Time t2 achieved to reach the 90% motor torque M90. If now the arrangement according to the invention is used with a compressed air supply device 7 simultaneously with a compressor impeller 4 made of steel, then the fourth engine torque curve 20 results with the earliest time tl to reach the 90% motor torque despite a much higher mass moment of inertia of the compressor impeller 4 with respect to the other wheels the state of the art.
  • the compressor impeller 4 may even be made of any material, with steel being advantageous in terms of fatigue strength and temperature resistance, cost and benefits in the application described above.
  • a control device can also be provided with stored table values for different operating states of the internal combustion engine 1 and the exhaust gas turbocharger 2 in order to set the optimum value for compressed air supply and charge air for the internal combustion engine 1 for each operating state.

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Abstract

Eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine (1) mit einer Ansaugleitung (14) und einer Abgasleitung (15), weist Folgendes auf: einen Abgasturbolader (2) mit zumindest einem Verdichterlaufrad (4) zur Verdichtung von Frischgas und Zufuhr des verdichteten Frischgases an die Verbrennungsmaschine (1), und mit zumindest einem Antriebslaufrad (5) zum Antrieb durch Abgas der Verbrennungsmaschine (1) zum Antrieb des Verdichterlaufrads (4); und eine Druckluftzufuhreinrichtung (7) zur gesteuerten Zufuhr von verdichtetem Frischgas oder Druckluft an die Verbrennungsmaschine (1), wobei die Druckluftzufuhreinrichtung (7) mit einem Ladelufteinlass (10) mit dem Verdichterlaufrad (4), mit einem Auslass (13) mit der Ansaugleitung (14) und mit einem Drucklufteinlass (11) mit einer Druckluftquelle verbunden ist, wobei das zumindest eine Verdichterlaufrad (4) des Abgasturboladers (2) ganz oder teilweise aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht.

Description

Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen
Verbrennungsmaschine und Verfahren zum Steuern der Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern einer solchen Anordnung.
Verbrennungsmaschinen, wie zum Beispiel Dieselmotoren, sind sehr häufig mit Abgasturboladern ausgerüstet. Ein Antriebslaufrad, angetrieben durch einen Abgasstrom der Verbrennungsmaschine, treibt ein Verdichterlaufrad zur Verdichtung von Frischgas an. Verdichterlaufräder sind aus Aluminium bzw.
Aluminiumlegierungen hergestellt. Dies hat insbesondere seine Ursache in der niedrigeren spezifischen Masse und damit auch niedrigem Massenträgheitsmoment, was besonders bei Drehmomentanforderungen, d.h. beim Beschleunigen der Verbrennungsmaschine von Bedeutung ist, denn der Abgasturbolader kann nicht in jedem Betriebszustand der Verbrennungsmaschine ausreichend Luft fördern und somit einen genügenden Ansaugdruck erzeugen. Beispielsweise weisen Kolbenmaschinen wie Dieselmotoren mit Abgasturbolader zum Beispiel einen Betriebszustand beim Beschleunigen auf, der als „Turboloch" bezeichnet wird. Hierbei reagiert die Verbrennungsmaschine beim Gasgeben mit einer Drehzahlerhöhung erst nach einer bestimmten Verzögerungszeit, in welcher keine Abgasenergie, d.h. auch kein genügender Abgasdruck, zum Antrieb des Abgasturboladers und somit keine komprimierte Ansaugluft mit entsprechendem Ansaugdruck zur Verfügung steht. Bei diesem Beschleunigungsvorgang muss der Abgasmassenstrom den Turbolader beschleunigen, bis dieser seinen vollen Ladedruck aufbauen kann. Die Zeit zum Erreichen des maximalen Ladedrucks bzw. Ladeluftdrucks hängt maßgeblich von der Massenträgheit der Laufräder (Verdichterlaufrad, Antriebslaufrad bzw. Turbine) des Turboladers ab.
Zur Überbrückung dieses „Turbolochs" sind Lösungsvorschläge gemacht worden, wobei Druckluft, zum Beispiel aus einem von einem Luftkompressor gespeisten Behälter, gesteuert in die Verbrennungsmaschine eingeleitet wird, um bei erhöhtem Ansaugluftbedarf der Verbrennungsmaschine diesen zu decken. Dieses erfolgt mittels einer Frischgasversorgungsvorrichtung, welche zwischen dem Verdichter des Turboladers bzw. einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Ladeluftkühler und der Saugleitung angeordnet ist und in der WO 2006/089779 Al beschrieben ist, auf welche hierzu verwiesen wird.
Unter Frischgas ist hier Ansaugluft zu verstehen. Druckluft ist davon zu unterscheiden, sie wird separat, zum Beispiel mittels eines Kompressors erzeugt und in einem
Behälter gespeichert. Ladeluft ist die vom Turbolader verdichtete Ansaugluft bzw. das von ihm verdichtete Frischgas.
Aufgrund der derzeitigen aktuellen Rahmenbedingungen, insbesondere die kommenden Emissionsgesetzgebungen (z.B. EU5; EU6 usw.) sind weitere Schritte notwendig. Einer davon ist die externe Abgasrückfuhrung (AGR) als ein zentrales Mittel, um insbesondere die Grenzwerte der NOx-Emissionen zu erfüllen. Dies beruht auf dem Effekt, dass gekühltes Abgas dem Motor wieder zugeführt wird. Abgas ist damit inert und nimmt nicht an der Verbrennung teil. Dadurch sinkt die Verbrennungstemperatur, welche, neben dem Sauerstoffüberschuss, die bestimmende Größe für die NOx-Bildung ist. Dabei gilt folgender Zusammenhang: Je höher die AGR-Raten, desto niedriger ist die Verbrennungstemperatur und desto niedriger sind die NOx-Emissionen. Derzeit stehen AGR-Raten von bis zu 50% zur Diskussion. Um diese Raten zu realisieren, in Verbindung mit der gleichen Frischluft/gasmenge, sind deutlich höhere Ladedrücke (z.B. bis zu 4,5 bar) notwendig. Dadurch entstehen am Verdichterrad des Turboladers deutlich höhere Kräfte und Temperaturen als bei aktuellen Verbrennungsmaschinen. Nachteilig dabei ist, dass Aluminium diesen Belastungen nicht mehr standhalten kann. Als Lösung sind hier Verdichterräder aus Titan entwickelt worden, die auch bei Fahrzeugen mit extremen Beanspruchungen bereits in Serie laufen. Da Titan als Werkstoff sehr kostenaufwändig ist, entstehen hier bezüglich Funktionserfiillung aufgrund gesetzlicher Anforderungen und Kosten ein Konflikt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass überlastete Verdichterräder aus Aluminium und auch aus Titan eine der häufigsten Ausfallursachen von Turboladern sein können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungsmaschine und ein Verfahren zum Steuern einer solchen Anordnung bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile behoben beziehungsweise bedeutend verringert und weitere Vorteile geschaffen sind.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Frischgasversorgung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Demgemäß weist eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine mit einer Ansaugleitung und einer Abgasleitung, Folgendes auf: einen Abgasturbolader mit zumindest einem Verdichterlaufrad zur Verdichtung von Frischgas und Zufuhr des verdichteten Frischgases an die Verbrennungsmaschine, und mit zumindest einem Antriebslaufrad zum Antrieb durch Abgas der Verbrennungsmaschine zum Antrieb des Verdichterlaufrads; und eine Dmckluftzufuhreinrichtung zur gesteuerten Zufuhr von verdichtetem Frischgas oder Druckluft an die Verbrennungsmaschine, wobei die Dmclduftzufuhreinrichtung mit einem Ladelufteinlass mit dem Verdichterlaufrad, mit einem Auslass mit der Ansaugleitung und mit einem Drucklufteinlass mit einer Druckluftquelle verbunden ist, ganz oder teilweise aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht. Vorzugsweise ist das gesamte zumindest eine Verdichterlaufrad des Abgasturboladers aus Stahl ausgebildet.
Obwohl ein Verdichterlaufrad aus Stahl ein größeres Massenträgheitsmoment aufweist und somit ein Beschleunigen des Abgasturboladers bei erhöhter Drehmomentanforderung verzögern würde ergibt sich in Kombination mit der Druckluftzufuhreinrichtung der überraschende Effekt, dass der zuvor beschriebene Konflikt lösbar ist. Die Druckluftzufuhreinrichtung reduziert durch gesteuerte Einblasung bzw. Zufuhr von Druckluft bei erhöhter Drehmomentanforderung in die Ansaugleitung der Verbrennungsmaschine das „Turboloch" fast vollständig. Dadurch ergibt sich der Einsatz von Stahl für ein Verdichterlaufrad mit höherem Massenträgheitsmoment. Auf Aluminium oder Titan als Werkstoff mit den oben beschriebenen Nachteilen kann somit verzichtet werden. Hierdurch wir es auch möglich, den funktionalen Vorteil von Stahlverdichterrädern zu nutzen, denn das höhere Massenträgheitsmoment weist bei einem Gangwechsel bedeutende Vorteile auf. Während eines Schaltvorgangs bremst ein Aluminium- oder Titanverdichterlaufrad deutlich mehr als ein Verdichterlaufrad aus Stahl ab. Daraus folgt, dass in der nächsten Getriebeübersetzungsstufe das Verdichterrad aus
Aluminium oder Titan eine weit größere Zeit als das Verdichterrad aus Stahl benötigt, um die optimale Drehzahl zu erreichen. Hierbei ergibt sich auch eine vorteilhafte Kraftstoffersparnis.
Ein weiterer Vorteil der Verdichterlaufräder aus Stahl ist die deutlich höhere Robustheit. Das wiederum ermöglicht höhere Drehzahlen und höhere Druckverhältnisse des Turboladers. Außerdem kann es möglich sein, die Anzahl notwendiger Ladungsstufen zu verringern (z.B. Reduzierung eines zweistufigen Laders auf einen einstufigen Lader). So können weitere Kosten, Gewicht und Bauraum eingespart werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die Dmckluftzufuhreinrichtung mit Ventilen zur gesteuerten Zufuhr von Druckluft an die Verbrennungsmaschine ausgebildet ist, wenn ein Druck des vom Verdichterrad verdichteten Frischgases in zumindest einem bestimmten Betriebszustand der Verbrennungsmaschine einen vorher festgelegten Wert unterschreitet. Dazu können dass die Ventile von einer Steuereinrichtung der Druckluftzufuhreinrichtung gesteuert werden. Es ist aber auch möglich, dass die Anordnung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Druckluftzufuhreinrichtung und zur Ermittlung von Betriebsparametern des Abgasturboladers aufweist. Natürlich können dabei die im Fahrzeug vorhandenen Betriebsparameter einer Motorsteuerung benutzt werden. Es ist auch denkbar, dass eine solche Steuerung in die Motorsteuerung integrierbar ist. Die Druckluftquelle kann zum Beispiel einen Druckluftbehälter und einen diesen speisenden Druckluftkompressor aufweisen. Andere Druckluftquellen, wie beispielsweise ein elektrischer Druckluftkompressor ohne Speicher sind möglich.
Die Anordnung kann einen Ladeluftkühler, welcher zwischen dem Verdichterlaufrad des Abgasturboladers und der Druckluftzufuhreinrichtung angeordnet ist, und auch eine Abgasrückführung aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern der oben beschriebenen Anordnung weist folgende Verfahrensschritte auf: Ermitteln der jeweiligen Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine und eines Abgasturboladers durch eine Steuereinrichtung und/oder eine Motorsteuerung; Zuführen von Druckluft mittels einer von der Steuereinrichtung gesteuerten Druckluftzufuhreinrichtung zur Verbrennungsmaschine, wenn ein Ladeluftdruck des Abgasturboladers unter einem gemäß der jeweiligen ermittelten Betriebsparameter erforderlichen Druckwert liegt; oder Zuführen von Ladeluft des Abgasturboladers zur Verbrennungsmaschine.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausfuhrungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Frischgasversorgung; und
Fig. 2 eine grafische Darstellung von Motordrehmomenten.
Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
Fig. 1 illustriert eine schematische Darstellung einer Verbrennungsmaschine 1 , deren Abgasleitung 15 mit einem Antriebslaufrad 5 eines Abgasturboladers 2 gekoppelt ist. Der Abgasturbolader 2 besitzt ein Verdichterlaufrad 4, das mit dem Antriebslaufrad 5 drehfest gekoppelt ist. Das Verdichterlaufrad 4 verdichtet Frischgas aus einem Frischgaseinlass 2 zur Erhöhung eines Ansaugdrucks in einer Ansaugleitung 14 für die Verbrennungsmaschine 1, wodurch zum Beispiel ein Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs mit der Verbrennungsmaschine 1 und eine Reduzierung des Energieverbrauchs erreicht werden. Das Verdichterlaufrad 4 wird von dem Antriebslaufrad 5 angetrieben, welches zum Beispiel eine Turbine ist, die vom Abgas der Verbrennungsmaschine 1 angetrieben wird und dazu in der Abgasleitung 15 in Strömungsrichtung vor einem Abgasauslass 16 angeordnet ist.
Bevor die von dem Verdichterlaufrad 4 verdichtete Ansaugluft als Ladeluft in die Verbrennungsmaschine 1 gelangt, wird sie in diesem Ausführungsbeispiel zunächst durch einen Ladeluftkühler 6 geleitet. Dieser ist notwendig, um die beim hohen Verdichten erhitzte Ladeluft abzukühlen. Zwischen dem Ladeluftkühler 6 und der Ansaugleitung 14 ist eine Dmckluftzufuhreinrichtung 7 eingeschaltet. Sie ist mit einem Ladelufteinlass 10 mit dem Ladeluftkühler 6 und mit einem Auslass 13 mit der Saugleitung 14 verbunden. Diese Dmckluftzufuhreinrichtung 7 ist wie oben angegeben in der WO 2006/089779 Al ausführlich beschrieben und wird hier nur kurz erläutert. Zwischen dem Ladelufteinlass 10 und dem Auslass 13 befindet sich ein Klappenelement, das verstellbar ist. Weiterhin ist ein Drucklufteinlass 11 mit dem Auslass 13 und über ein Ventil über eine Druckluftleitung 12 mit einer Druckluftquelle verbunden, welche hier ein Druckluftbehälter 8, gespeist von einem von der Verbrennungsmaschine 1 angetriebenen Druckluftkompressor 9 ist. Eine nicht gezeigte Steuereinrichtung dient zur Steuerung des ebenfalls nicht gezeigten Ventils und des Klappenelementes. Sie ist hier auch mit ebenfalls nicht dargestellten Drucksensoren im Auslass 13 und Ladelufteinlass 10 verbunden. So kann in diesem Beispiel eine Drehmomentanforderung bei einem „Kick-Down" festgestellt werden. In diesem Fall öffnet das Ventil für Druckluft die Verbindung vom Drucklufteinlass 11 zum Auslass 13. Zuvor wird das gesteuerte Klappenelement geschlossen, so dass die Druckluft nicht über den Ladelufteinlass 10 in den Abgasturbolader 2 entgegen der Ansaugrichtung einströmen kann, sondern über den Auslass 13 gerichtet in die Saugleitung 14 strömt. Bei Beenden der Druckluftzufuhr wird dieses Klappenelement wieder geöffnet und das Ventil zur Druckluftleitung 12 geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Ladeluftdruck durch den Abgasturbolader 2 wieder ausreichend.
Es wird - auch auf anderem als beschriebenen Weg möglich - ein Betriebszustand der Verbrennungsmaschine und des Turboladers (hier: dessen Ladeluftdruck) ermittelt. Ist bei einer Drehmomentanforderung der Ladeluftdruck unter einem erforderlichen Wert, so wird unmittelbar Druckluft der Verbrennungsmaschine 1 zugeführt, um dies so genannte „Turboloch" zu „stopfen". Sobald der Turbolader 2 genügend Ladeluftdruck generiert, wird die Druckluftzufuhr unterbrochen und das Verdichterlaufrad 4 des Turboladers 2 wieder als Ladeluftlieferant verwendet. Dabei kann die Druckluftzufuhr die höhere Anlaufzeit eines Stahlverdicherlaufrades 4 überbrücken.
Hierzu zeigt Fig. 2 eine grafische Darstellung, welche ein Motordrehmoment der Verbrennungsmaschine 1 über der Zeit t für verschiedene Verdichterlaufräder 4 mit unterschiedlichen Werkstoffen in unterschiedlichen Kombinationen von Anordnungen zur Frischgasversorgung der Verbrennungsmaschine 1 illustriert.
Die Kurve 17 stellt einen ersten Motordrehmomentverlauf 17 dar, bei dem ein Verdichterlaufrad 4 aus Stahl eingesetzt ist und keine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Dmckluftzufuhreinrichtung 7 vorliegt. Ein 90%iges Motordrehmoment M90 wird erst bei einem Zeitpunkt t4 erreicht. Vor diesem Zeitpunkt t4 liegt ein Zeitpunkt t3, welcher durch ein Verdichterlaufrad aus Titan, ebenfalls ohne die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Druckluftzufuhreinrichtung 7, einen zweiten Motordrehmomentverlauf 18 erreicht wird. Ohne die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Druckluftzufuhreinrichtung 7 wird mittels eines Verdichterlaufrads 4 aus Aluminium mit einem dritten Motordrehmomentverlauf 19 ein noch früherer
Zeitpunkt t2 zum Erreichen des 90%igen Motordrehmoments M90 erzielt. Wird nun die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Druckluftzufuhreinrichtung 7 gleichzeitig mit einem Verdichterlaufrad 4 aus Stahl eingesetzt, so ergibt sich der vierte Motordrehmomentverlauf 20 mit dem frühesten Zeitpunkt tl zum Erreichen des 90%igen Motordrehmoments trotz eines wesentlich höheren Massenträgheitsmoments des Verdichterlaufrads 4 gegenüber den anderen Laufrädern aus dem Stand der Technik. Bei diesem vierten Motordrehmomentverlauf 20 kann das Verdichterlaufrad 4 sogar aus einem beliebigen Material sein, wobei Stahl in der oben beschriebenen Anwendung hinsichtlich Dauerfestigkeit und Temperaturfestigkeit, Kosten und Nutzen vorteilhaft ist.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar. So kann eine Steuereinrichtung auch mit gespeicherten Tabellenwerten für unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungsmaschine 1 und des Abgasturboladers 2 versehen sein, um für jeden Betriebszustand den optimalen Wert für Druckluftzufuhr und Ladeluft für die Verbrennungsmaschine 1 einzustellen.
Bezugszeichenliste
I Verbrennungsmaschine 2 Frischgaseinlass
3 Abgasturbolader
4 Verdichterlaufrad
5 Antriebslaufrad
6 Ladeluftkühler 7 Druckluftzufuhreinrichtung
8 Druckluftbehälter
9 Druckluftkompressor
10 Ladelufteinlass
I 1 Drucklufteinlass 12 Druckluftleitung
13 Auslass
14 Ansaugleitung
15 Abgasleitung
16 Abgasauslass 17 Erster Motordrehmomentverlauf
18 Zweiter Motordrehmomentverlauf
19 Dritter Motordrehmomentverlauf
20 Vierter Motordrehmomentverlauf M Motordrehmoment M90 90% des maximalen Motordrehmoments t Zeit

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine (1) mit einer Ansaugleitung (14) und einer
Abgasleitung (15), aufweisend: einen Abgasturbolader (2) mit zumindest einem Verdichterlaufrad (4) zur Verdichtung von Frischgas und Zufuhr des verdichteten Frischgases an die Verbrennungsmaschine (1), und mit zumindest einem Antriebslaufrad (5) zum Antrieb durch Abgas der Verbrennungsmaschine (1) zum Antrieb des
Verdichterlaufrads (4); und eine Druckluftzufuhreinrichtung (7) zur gesteuerten Zufuhr von verdichtetem Frischgas oder Druckluft an die Verbrennungsmaschine (1), wobei die DmcWuftzufuhreinrichtung (7) mit einem Ladelufteinlass (10) mit dem Verdichterlaufrad (4), mit einem Auslass (13) mit der Ansaugleitung (14) und mit einem Drucklufteinlass (11) mit einer Druckluftquelle verbunden ist, wobei das zumindest eine Verdichterlaufrad (4) des Abgasturboladers (2) ganz oder teilweise aus Stahl oder einer Stahllegierung besteht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckluftzufuhreinrichtung (7) mit Ventilen zur gesteuerten Zufuhr von Druckluft an die Verbrennungsmaschine (1) ausgebildet ist, wenn ein Druck des vom Verdichterrad (4) verdichteten Frischgases in zumindest einem bestimmten Betriebszustand der Verbrennungsmaschine (1) einen vorher festgelegten Wert unterschreitet.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile von einer Steuereinrichtung der Druckluftzufuhreinrichtung (7) steuerbar sind.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Druckluftzufuhreinrichtung (7) und zur Ermittlung von Betriebsparametern des Abgasturboladers (2) aufweist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle einen Druckluftbehälter (8) und einen diesen speisenden Druckluftkompressor (9) aufweist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend einen Ladeluftkühler (6), welcher zwischen dem Verdichterlaufrad (4) des Abgasturboladers (2) und der Druckluftzufuhreinrichtung (7) angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Abgasrückfuhreinrichtung.
8. Verfahren zum Steuern einer Anordnung zur Frischgasversorgung einer turboaufgeladenen Verbrennungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten: (i) Ermitteln der j eweiligen Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine
(1) und eines Abgasturboladers (2) durch eine Steuereinrichtung und/oder eine Motorsteuerung; (ii) Zuführen von Druckluft mittels einer von der Steuereinrichtung gesteuerten Dmckluftzufuhreinrichtung (7) zur Verbrennungsmaschine (1), wenn ein Ladeluftdruck des Abgasturboladers (2) unter einem gemäß der jeweiligen ermittelten Betriebsparameter erforderlichen
Druckwert liegt; oder
Zuführen von Ladeluft des Abgasturboladers (2) zur
Verbrennungsmaschine (1)
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