EP2516823A1 - Abgasturbolader für eine verbrennungskraftmaschine mit einer frischgasversorgungsvorrichtung und eine entsprechende anordnung - Google Patents

Abgasturbolader für eine verbrennungskraftmaschine mit einer frischgasversorgungsvorrichtung und eine entsprechende anordnung

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EP2516823A1
EP2516823A1 EP10798756A EP10798756A EP2516823A1 EP 2516823 A1 EP2516823 A1 EP 2516823A1 EP 10798756 A EP10798756 A EP 10798756A EP 10798756 A EP10798756 A EP 10798756A EP 2516823 A1 EP2516823 A1 EP 2516823A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
turbocharger
internal combustion
compressor
supply device
Prior art date
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Withdrawn
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EP10798756A
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English (en)
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Eduard Gerum
Manuel Marx
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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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
    • F02B37/10—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump at least one pump being alternatively or simultaneously driven by exhaust and other drive, e.g. by pressurised fluid from a reservoir or an engine-driven pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/14—Control of the alternation between or the operation of exhaust drive and other drive of a pump, e.g. dependent on speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with a fresh gas supply device.
  • the invention also relates to a corresponding arrangement for supplying fresh gas to an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 according to the prior art, the exhaust pipe 6 is connected to an exhaust gas turbine 12 of an exhaust gas turbocharger 10.
  • This exhaust gas turbine 12 drives a compressor 1 1 of the exhaust gas turbocharger 10, in which case the exhaust gas turbine 12 and the compressor 1 1 are coupled via a turbocharger shaft 13.
  • the compressor 1 1 compresses intake air from a fresh gas inlet 2 and thus increases an intake pressure in an intake passage 5 of the internal combustion engine 1.
  • an acceleration performance of a vehicle, not shown, which is equipped with the internal combustion engine 1 improved.
  • a reduction in fuel consumption is achieved.
  • Compressor wheels of exhaust gas turbochargers (ATL) in internal combustion engines are made of aluminum or aluminum alloys or titanium or titanium alloys. The reason for this lies in the low specific mass and thus also in a low mass moment of inertia.
  • This turbocharger is produced in internal combustion engines with exhaust gas turbochargers therefore, since during an acceleration process, the exhaust gas mass flow from the internal combustion engine 1 through the exhaust gas turbine 12 has to accelerate the compressor 1 1 of the exhaust gas turbocharger 10, The time until the maximum charge pressure is reached depends to a large extent on the inertia of the wheels (the exhaust gas turbine 12 and the compressor 11) . The lower the mass moment of inertia, the more the turbocharger speed is reduced during one Shifting or gear changes (especially in manual transmissions and automated manual transmissions).
  • compressed air for example, from a fed from an air compressor 9 compressed air tank 8, controlled in the intake manifold 5 of the internal combustion engine 1 is introduced to cover this with an increased intake air demand of the internal combustion engine 1 this by means of a fresh gas supply device 4, which is arranged between the compressor 1 1 of the turbocharger 10 and a downstream in the flow direction intercooler 3 and the suction line 5.
  • WO 2006/089779 A1 describes a device for supplying fresh air to a turbo-charged piston internal combustion engine and a method for operating the same.
  • an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, in particular a diesel engine, with a fresh gas supply device, wherein the exhaust gas turbocharger comprises at least one compressor; at least one exhaust gas turbine; a turbocharger shaft via which the at least one compressor and the at least one exhaust gas turbine are rotatably coupled; and an energy storage device for increasing a moment of inertia, wherein the energy store is rotatably coupled via the turbocharger shaft with the at least one compressor and the at least one exhaust gas turbine.
  • One idea of the invention is to equip the exhaust gas turbocharger with an energy store, which increases an inertia of the exhaust gas turbocharger.
  • an energy store which increases an inertia of the exhaust gas turbocharger.
  • a combination in an arrangement of exhaust gas turbocharger and fresh gas supply device has the advantage that after a gear change the exhaust gas turbocharger is synchronized with the existing engine speed so that an acceleration of the exhaust gas turbocharger to a required for the existing engine speed Turoboladerburnierewert for an associated boost pressure deleted.
  • a further advantage is that compressed air consumption of the fresh gas supply device is reduced, since acceleration of the exhaust gas turbocharger after a gear change is dispensed with.
  • the energy storage has to a flywheel. He can as a kind
  • Be formed flywheel which is rotatably mounted on the turbocharger shaft.
  • This flywheel also be at least partially integrated into the turbocharger shaft, which reduces a number of parts. It is also possible that the flywheel of the energy storage is divided so that it is at least partially integrated in rotatable parts of the at least one compressor and / or the at least one exhaust gas turbine. This is possible, for example, when the wheels of the compressor and / or exhaust gas turbine are made of steel.
  • the flywheel of the energy storage device can be set for a predetermined delay of the rotational speed of the exhaust gas turbocharger, whereby a compressed air consumption of the fresh gas supply device is reduced. At the same time, the efficiency of the internal combustion engine is increased.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a fresh gas supply device according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an exemplary embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention and a fresh gas supply device
  • 3a-c three diagrams of temporal relationships of a Gangstin- wechseis with engine speed and Turoladerburniere.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an internal combustion engine 1 with an exemplary embodiment of an exhaust gas turbocharger 10 according to the invention and a fresh gas supply device 4.
  • the exhaust-gas turbocharger 10 has an energy store 14 in the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the exhaust gas turbocharger 10 according to the invention and the fresh gas supply device 4 form an arrangement for supplying fresh gas to the internal combustion engine 1
  • the energy store 14 is coupled to the turbocharger shaft 13 and, in this example, comprises a flywheel which is connected to the compressor 11 and the exhaust gas turbine. ne 12 rotates together when the exhaust gas turbine 12 through the exhaust stream of
  • Internal combustion engine 1 is driven.
  • the energy storage increases as a flywheel in the manner of a flywheel, the inertia of the compressor 1 1 and the exhaust turbine 12.
  • An increase in inertia by the flywheel leads to a significant increase in the turbo lag during acceleration processes as well as when starting the internal combustion engine 1 associated vehicle or when accelerating from low speed without switching operation.
  • the exhaust gas turbocharger 10 provided with the energy storage device 14 with the fresh gas supply device 4 shown in FIG. 2 but also by the increased inertia of the wheels of compressor 1 1 and exhaust gas turbine 12 enlarged turbo lag by injection of compressed air by means of Frischgasver- sorgungsvorides 4 in the intake passage 5 of the internal combustion engine 1 almost completely reduced.
  • the energy storage 14 may be applied as a centrifugal mass on the turbocharger shaft 13 rotatably. It is also possible that the flywheel is distributed, for example, on two or more flywheels, which are arranged at a suitable position of the turbocharger shaft 13. The energy storage 14 may also be coupled in another way to the turbocharger shaft 13, for example via a clutch and / or a transmission. Of course, the turbocharger shaft 14 may be formed so that the energy storage is integrated in it. The flywheel of the energy accumulator 14 may be selected so that a drop in the rotational speed of the exhaust gas turbocharger, for example, during a gear change, reaches a predetermined value per unit time.
  • FIG 3a shows a diagram of gear steps G over the time t.
  • a gear stage 5 of an automatic gearbox not shown, is set before a point in time T1.
  • Tl a gear change takes place from the gear 5 in gear 7.
  • T2 the gear 7 is taken.
  • the duration of the gear stage change or the switching operation from Tl to T2 in this example is 2 s.
  • FIG. 3 b shows a diagram in which an engine speed n M is schematically plotted over time as a graph section.
  • the engine speed n MT1 is 1500 rpm.
  • the associated turbocharger speed n L is shown in FIG. 3c in a further diagram.
  • the turbocharger speed n LT1 is 150000 rpm.
  • the flywheel is predetermined so that the exhaust gas turbocharger 10 is braked during the switching operation of 2 s by 40000 U / s. In this way, after a switching operation of 2 s at time T2, the optimum turbocharger speed n ' LT2 , which is now synchronized to the existing engine speed n MT2 . It is then no unnecessary high acceleration of the exhaust gas turbocharger 10 more necessary, a turbo lag does not occur.
  • the flywheel of the energy accumulator 14 increases the turbo lag when starting from an idle speed of the internal combustion engine 1 or when accelerating from low engine speed n M without switching operation. However, this effect is completely eliminated by the fresh gas supply device 4.
  • the turbocharger speed n LT2 is synchronized with the engine speed n MT2 and no longer needs to be accelerated, the air consumption in the insufflation process of compressed air is reduced by the fresh gas supply device. It follows that a necessary adaptation of the air compressor 9 or an air drying system, for example, in a commercial vehicle is avoidable and provides a cost savings.
  • the energy store 14 may be subsequently attachable to exhaust gas turbochargers 10 prepared therefor, e.g. via a corresponding coupling, or can be mounted therein.
  • the impellers of compressor 1 1 and / or exhaust turbine 12 may be made of a heavier material than aluminum or titanium, such as steel. As a result, additional flywheel mass of the energy store 14 can be reduced.
  • turbocharger shaft 13 can be coupled in order to adapt the mass moment of inertia to different operating conditions of the internal combustion engine 1.

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Abstract

Ein Abgasturbolader (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere Dieselmotor, mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung (4), umfasst zumindest einen Verdichter (11); zumindest eine Abgasturbine (12); eine Turboladerwelle (13), über welche der zumindest eine Verdichter (11) und die zumindest eine Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt sind; und einen Energiespeicher (14) zur Erhöhung eines Massenträgheitsmoments, wobei der Energiespeicher (14) über die Turboladerwelle (13) mit dem zumindest einen Verdichter (11) und der zumindest einen Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt ist. Eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) weist einen solchen Abgasturbolader (10) und eine Frischgasversorgungsvorrichtung auf.

Description

3855 K DE 18.12.2009
ABGASTURBOLADER FÜR EINE VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE MIT EINER FRISCHGASVERSORGUNGSVORRICHTUNG UND EINE ENTSPRECHENDE ANORDNUNG
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungskraftmaschine.
Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Dieselmotoren, sind häufig mit Abgasturboladern ausgerüstet. Fig. 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 1 nach dem Stand der Technik, deren Abgasleitung 6 mit einer Abgasturbine 12 eines Abgasturboladers 10 verbunden ist. Diese Abgasturbine 12 treibt einen Verdichter 1 1 des Abgasturboladers 10 an, wobei hier die Abgasturbine 12 und der Verdichter 1 1 über eine Turboladerwelle 13 gekoppelt sind. Der Verdichter 1 1 verdichtet Ansaugluft aus einem Frischgaseinlass 2 und erhöht damit einen Ansaugdrucks in einer Ansaugleitung 5 der Verbrennungskraftmaschine 1. Dadurch wird z.B. ein Beschleunigungsverhalten eines nicht gezeigten Fahrzeugs, das mit der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgerüstet ist, verbessert. Außerdem wird eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erzielt.
Verdichterlaufräder von Abgasturboladern (ATL) in Verbrennungskraftmaschinen werden aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen oder Titan bzw. Titanlegierungen hergestellt. Die Ursache dazu liegt in der niedrigen spezifischen Masse und damit auch in einem geringen Massenträgheitsmoment. Dies begünstigt einen schnellen Hochlauf des Turboladers und verringert damit das so genannte„Turboloch". Dieses Turboloch entsteht bei Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturboladern deshalb, da bei einem Beschleunigungsvorgang der Abgasmassenstrom von der Verbrennungskraftmaschine 1 durch die Abgasturbine 12 den Verdichter 1 1 des Abgasturboladers 10 beschleunigen muss, damit dieser seinen vollen Ladedruck aufbauen kann. Die Zeit bis der maximale Ladedruck erreicht wird, hängt maßgeblich von der Massenträgheit der Laufräder (der Abgasturbine 12 und des Verdichters 1 1) ab. Je geringer das Massenträg- heitsmoment ist, desto mehr reduziert sich die Turboladerdrehzahl während eines Schaltvorgangs bzw. Gangwechsels (insbesondere bei Schaltgetrieben und automatisierten Schaltgetrieben). Die hat zur Folge, dass der Abgasturbolader 10 nach dem Einkuppeln zunächst wieder auf die notwendige Drehzahl beschleunigt werden, die zu der dann vorhandenen Motordrehzahl korrespondiert. Zur Überbrückung dieses„Turbolochs" sind Lösungsvorschläge gemacht worden, wobei Druckluft, zum Beispiel aus einem von einem Luftverdichter 9 gespeisten Druckluftbehälter 8, gesteuert in die Ansaugleitung 5 der Verbrennungskraftmaschine 1 eingeleitet wird, um bei erhöhtem Ansaugluftbedarf der Verbrennungskraftmaschine 1 diesen zu decken. Dieses erfolgt mittels einer Frischgasversorgungsvorrichtung 4, welche zwischen dem Verdichter 1 1 des Turboladers 10 bzw. einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Ladeluftkühler 3 und der Ansaugleitung 5 angeordnet ist.
Die WO 2006/089779 AI beschreibt eine Einrichtung zur Frischluftversorgung einer turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb dersel- ben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Abgasturbolader zu schaffen. Die Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demgemäß umfasst ein Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung, wobei der Abgas- turbolader zumindest einen Verdichter; zumindest eine Abgasturbine; eine Turboladerwelle, über welche der zumindest eine Verdichter und die zumindest eine Abgasturbine drehfest gekoppelt sind; und einen Energiespeicher zur Erhöhung eines Massenträgheitsmoments, wobei der Energiespeicher über die Turboladerwelle mit dem zumindest einen Verdichter und der zumindest einen Abgasturbine drehfest gekoppelt ist.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, den Abgasturbolader mit einem Energiespeicher auszurüsten, welcher ein Massenträgheitsmoment des Abgasturboladers erhöht. Im Gegensatz zu der Tatsache, dass eine Erhöhung der Massenträgheit des Abgasturboladers, d.h. der rotierenden Bauteile, zu einer deutlichen Vergrößerung des so genannten Turbolochs führt, ergibt eine Kombination in einer Anordnung von Abgasturbolader und Frischgasversorgungsvorrichtung den Vorteil, dass nach einem Gang- Wechsel der Abgasturbolader mit der vorhandenen Motordrehzahl so synchronisiert ist, dass ein Beschleunigen des Abgasturboladers auf einen für die vorhandene Motordrehzahl erforderlichen Turoboladerdrehzahlwert für einen zugehörigen Ladedruck entfällt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Druckluftverbrauch der Frischgasversor- gungsvorrichtung reduziert wird, da ein Beschleunigen des Abgasturboladers nach einem Gangwechsel entfällt.
Der Energiespeicher weist dazu eine Schwungmasse auf. Er kann als eine Art
Schwungrad ausgebildet sein, das auf die Turboladerwelle drehfest aufgebracht ist.
Diese Schwungmasse auch zumindest teilweise in die Turboladerwelle integriert sein, wodurch sich eine Teilezahl reduziert. Es ist weiterhin möglich, dass die Schwungmasse des Energiespeichers so aufgeteilt ist, dass sie zumindest teilweise in drehbare Teile des zumindest einen Verdichters und/oder der zumindest einen Abgasturbine integriert ist. Dies ist zum Beispiel dadurch möglich, wenn die Laufräder von Verdichter und/oder Abgasturbine aus Stahl hergestellt sind.
In bevorzugter Ausführung kann die Schwungmasse des Energiespeichers für eine vorbestimmte Verzögerung der Drehzahl des Abgasturboladers festgelegt sein, wodurch ein Druckluftverbrauch der Frischgasversorgungsvorrichtung reduziert wird. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erhöht.
Außerdem wird durch eine Reduzierung des Druckluftverbrauchs eine Anpassung eines Luftpressers bzw. Luftverdichters der Druckluftanlage für die Zusatzluft oder ei- nes Lufttrocknungssystems vermieden, da durch den Energiespeicher kein erhöhter Mehrbedarf an Zusatzluft besteht, der eine Anpassung bedingen würde.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Frischgasversorgungsvorrichtung nach dem Stand der Technik; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers und einer Frischgasversorgungsvorrichtung; und
Fig. 3a-c drei Diagramme von zeitlichen Zusammenhängen eines Gangstufen- wechseis mit Motordrehzahl und Turoladerdrehzahl.
Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet. Fig. 1 ist oben beschrieben und wird nicht weiter erläutert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 10 und einer Frischgasversorgungsvorrichtung 4.
Im Unterschied zu der Darstellung der Fig. 1 weist der erfindungsgemäße Abgasturbolader 10 in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Energiespeicher 14 auf.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 10 und die Frischgasversorgungsvorrichtung 4 bilden eine Anordnung zur Frischgasversorgung der Verbrennungskraftmaschine 1
Der Energiespeicher 14 ist mit der Turboladerwelle 13 gekoppelt und umfasst in diesem Beispiel eine Schwungmasse, welche mit dem Verdichter 1 1 und der Abgasturbi- ne 12 zusammen rotiert, wenn die Abgasturbine 12 durch den Abgasstrom der
Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben wird.
Dabei erhöht der Energie Speicher als Schwungmasse in der Art eines Schwungrades die Massenträgheit von Verdichter 1 1 und Abgasturbine 12. Eine Erhöhung dieser Massenträgheit durch die Schwungmasse führt allerdings zu einer deutlichen Vergrößerung des Turbolochs bei Beschleunigungsvorgängen wie auch beim Anfahren des zur Verbrennungskraftmaschine 1 zugehörigen Fahrzeugs oder beim Beschleunigen aus niedriger Drehzahl ohne Schaltvorgang. In der in Fig. 2 dargestellten Kombination des mit dem Energiespeicher 14 versehenen Abgasturboladers 10 mit der Frischgasversorgungsvorrichtung 4 wird aber auch das durch die erhöhte Massenträgheit der Laufräder von Verdichter 1 1 und Abgasturbine 12 vergrößerte Turboloch durch Einblasung von Druckluft mittels der Frischgasver- sorgungsvorrichtung 4 in die Ansaugleitung 5 der Verbrennungskraftmaschine 1 fast vollständig reduziert.
Der Energiespeicher 14 kann als Schwungmasse auf der Turboladerwelle 13 drehfest aufgebracht sein. Es ist auch möglich, dass die Schwungmasse zum Beispiel auf zwei oder mehr Schwungscheiben verteilt ist, die an geeigneter Position der Turboladerwel- le 13 angeordnet sind. Der Energiespeicher 14 kann auch auf andere Art und Weise mit der Turboladerwelle 13 gekoppelt sein, zum Beispiel über eine Kupplung und/oder ein Getriebe. Natürlich kann auch die Turboladerwelle 14 so ausgebildet sein, dass der Energiespeicher in ihr integriert ist. Die Schwungmasse des Energiespeichers 14 kann so gewählt werden, dass ein Abfall der Drehzahl des Abgasturboladers, zum Beispiel bei einem Gangwechsel, einen vorbestimmten Wert pro Zeiteinheit erreicht. Auf diese Weise kann insbesondere (aber nicht ausschließlich9 bei automatisierten Schaltgetrieben nach einem Schaltvorgang bzw. Gangwechsel die Turboladerdrehzahl mit der dann vorhandenen Motordrehzahl synchronisiert werden. Dadurch wird ein unnötiger Hochlauf des Abgasturboladers 10 vermieden bzw. minimiert. Dies soll an einem Beispiel im Zusammenhang mit Fig. 3a-c erläutert werden. In Fig. 3a-c sind drei Diagramme von zeitlichen Zusammenhängen eines Gangstufenwechsels mit Motordrehzahl nM und Turoladerdrehzahl nL dargestellt.
Fig. 3a stellt ein Diagramm von Gangstufen G über der Zeit t dar. In diesem Beispiel ist vor einem Zeitpunkt Tl eine Gangstufe 5 eines nicht gezeigten automatisierten Schaltgetriebes eingestellt. Zu dem Zeitpunkt Tl erfolgt ein Gangstufenwechsel von der Gangstufe 5 in Gangstufe 7. Im Zeitpunkt T2 ist die Gangstufe 7 eingenommen.
Die Dauer des Gangstufenwechsels bzw. des Schaltvorgangs von Tl nach T2 beträgt in diesem Beispiel 2 s.
Im zeitlichen Zusammenhang mit Fig. 3 a zeigt Fig. 3b ein Diagramm, in welchem eine Motordrehzahl nM über der Zeit als Graphabschnitt schematisch aufgetragen ist. Im Zeitpunkt Tl beträgt die Motordrehzahl nMT1 1500 U/min. Beim Auskuppeln zum Gangwechsel verringert sich die Motordrehzahl nM, bis sie beim Einkuppeln zum Zeitpunkt T2 einen Wert von nMT2 = 1 150 U/min aufweist.
Die zugehörige Turboladerdrehzahl nL zeigt Fig. 3c in einem weiteren Diagramm. Im Zeitpunkt Tl beträgt die Turboladerdrehzahl nLT1 150000 U/min. Zunächst wird der Fall eines üblichen Turboladers beschrieben. Hierbei fällt Turboladerdrehzahl nL während des Schaltvorgangs aufgrund eines sich verringernden Abgasstroms auf den Wert nLT2 = 20000 U/min im Zeitpunkt T2 ab. Dies ist durch die gestrichelte Gerade angedeutet. Um einen für die im Zeitpunkt T2 vorhandene Motordrehzahl nMT2 = 1 150 U/min erforderlichen Ladedruck zu erreichen, müsste der Turbolader eine optimale Turboladerdrehzahl von n'L = 70000 U/min aufweisen. Da dies in diesem Fall nicht zutrifft, muss der Turbolader von den 20000 U/min auf 70000 U/min beschleunigt werden.
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Turboladers 10 mit dem Energiespeicher 14 fällt die Turboladerdrehzahl nL aufgrund der erhöhten Massenträgheit auf einen Wert von „nur" n'LT2 =70000 U/min im Zeitpunkt T2 ab. Dabei ist die Schwungmasse so vorbestimmt, dass der Abgasturbolader 10 während des Schaltvorgangs von 2 s um 40000 U/s abgebremst wird. Auf diese Weise ergibt sich nach einem Schaltvorgang von 2 s im Zeitpunkt T2 die optimale Turboladerdrehzahl n'LT2, die nun zu der vorhandenen Motordrehzahl nMT2 synchronisiert ist. Es ist dann kein unnötiges Hochbeschleunigen des Abgasturboladers 10 mehr notwendig, ein Turboloch tritt nicht mehr auf.
Natürlich erhöht die Schwungmasse des Energiespeichers 14 das Turboloch beim Anfahren aus einer Leerlaufdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 bzw. beim Beschleunigen aus niedriger Motordrehzahl nM ohne Schaltvorgang. Diese Auswirkung wird aber durch die Frischgasversorgungsvorrichtung 4 vollständig eliminiert.
Da bei Erreichen des Zeitpunkts T2, d.h. bei erfolgtem Schaltvorgang, die Turboladerdrehzahl nLT2 zur Motordrehzahl nMT2 synchronisiert ist und nicht mehr beschleunigt werden muss, wird der Luftverbrauch bei dem Einblas Vorgang von Druckluft durch die Frischgasversorgungsvorrichtung reduziert. Daraus ergibt sich, dass eine notwendige Anpassung des Luftverdichters 9 oder eines Lufttrocknungssystems, z.B. in einem Nutzfahrzeug vermeidbar ist und eine Kosteneinsparung erbringt.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel schränkt die Erfindung nicht ein. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
Es ist zum Beispiel denkbar, dass der Energiespeicher 14 nachträglich an dafür vorbereitete Abgasturbolader 10 anbringbar, z.B. über eine entsprechende Kupplung, oder darin montierbar ist.
Bei dem Abgasturbolader 10 können die Laufräder von Verdichter 1 1 und/oder Abgas- turbine 12 aus einem schwereren Werkstoff als Aluminium oder Titan bestehen, wie zum Beispiel Stahl. Dadurch kann zusätzliche Schwungmasse des Energiespeichers 14 verringert werden.
Es ist denkbar, dass der Energiespeicher 14 vollständig oder auf zwei oder mehrere Abschnitte aufgeteilt durch eine oder mehrere steuerbare Kupplungen mit der Abgas- turboladerwelle 13 koppelbar ist, um das Massenträgheitsmoment an unterschiedliche Betrieb szustände der Verbrennungskraftmaschine 1 anzupassen.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungskraftmaschine
2 Frischgaseinlass
3 Ladeluftkühler
4 Frischgasversorgungsvorrichtung 5 Ansaugleitung
6 Abgasleitung
7 Abgasauslass
8 Druckluftbehälter
9 Luftverdichter
10 Abgasturbolader
1 1 Verdichter
12 Abgasturbine
13 Turboladerwelle
14 Energiespeicher
DL Druckluftleitung
G Gangstufe
nM Motordrehzahl
nL Turboladerdrehzahl
t, T1 , T2 Zeit

Claims

Patentansprüche
Abgasturbolader (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere Dieselmotor, mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung (4), wobei der Abgasturbolader (10) umfasst:
zumindest einen Verdichter (1 1);
zumindest eine Abgasturbine (12);
eine Turboladerwelle (13), über welche der zumindest eine Verdichter (1 1) und die zumindest eine Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt sind; und
einen Energiespeicher (14) zur Erhöhung eines Massenträgheitsmoments, wobei der Energiespeicher (14) über die Turboladerwelle (13) mit dem zumindest einen Verdichter (1 1) und der zumindest einen Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt ist.
Abgasturbolader (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14) eine Schwungmasse aufweist.
Abgasturbolader (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse des Energiespeichers (14) zumindest teilweise in die Turboladerwelle (13) integriert ist.
Abgasturbolader (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse des Energiespeichers (14) zumindest teilweise in drehbare Teile des zumindest einen Verdichters (1 1) und/oder der zumindest einen Abgasturbine (12) integriert ist.
Abgasturbolader (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse des Energiespeichers (14) für eine vorbestimmte Verzögerung der Drehzahl des Abgasturboladers (10) festgelegt ist.
Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere Dieselmotor, mit zumindest einer Frischgasversorgungsvorrichtung (4) und zumindest einem Abgasturbolader (10) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche.
EP10798756A 2009-12-23 2010-12-15 Abgasturbolader für eine verbrennungskraftmaschine mit einer frischgasversorgungsvorrichtung und eine entsprechende anordnung Withdrawn EP2516823A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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