EP2981699B1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP2981699B1
EP2981699B1 EP14706622.9A EP14706622A EP2981699B1 EP 2981699 B1 EP2981699 B1 EP 2981699B1 EP 14706622 A EP14706622 A EP 14706622A EP 2981699 B1 EP2981699 B1 EP 2981699B1
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EP
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section
wall elements
cross
wall
compressor
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EP14706622.9A
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Michael Greiner
Oliver Hinrichs
Jasper Kammeyer
Peter Alberti
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine having an internal combustion engine, an exhaust system, a fresh gas train, an exhaust gas turbocharger with a turbine integrated into the exhaust system and a compressor integrated in the fresh gas train, and with a trim plate, by means of which the cross section of the compressor inlet can be changed.
  • the fresh gas supplied via the fresh gas train of the internal combustion engine is compressed.
  • the pressure increase is dependent on the speed of the impeller of the compressor as well as the mass flow of the guided over the impeller fresh gas.
  • the surge limit of the compressor map the inflow of the leading edges of the impeller vanes takes place on the pressure side as a result of the inflow velocity decreasing relative to the peripheral velocity. the incidence of the flow increases steadily. From an operating point-dependent limit value of the incidence, the surge line, the flow at the entry edges triggers and the flow in the compressor becomes unstable.
  • a trim controller is used to shift the surge limit of a compressor map in the direction of low mass flows at high pressure conditions.
  • a trim control can increase the compressor efficiency in the area of the pumping limit.
  • a trim plate comprises a device by means of which the inflow cross-section, in which the impeller of the compressor is impinged, can be changed. Due to the nozzle effect of the trim adjuster achieved in this way, with increasing control engagement (reduction of the inflow cross-section), the compressor inflow can be focused more strongly on the hub-near flow cross-section of the compressor impeller. As a result, less fluid flows into the low-pulse and lossy region of the backflow bubble, and the core flow in the region near the hub is accelerated and thereby additionally stabilized.
  • the acceleration of the flow in the The near-compressor region of the compressor additionally results in a suction-side displacement of the compressor inflow, which can contribute to a further stabilization of the flow.
  • the stabilization of the core flow leads to the desired shift of the surge limit of the compressor map to lower mass flows of the exhaust gas. If not desired control intervention (Trimsteller fully open) as far as possible, the entire cross section of the fresh gas line is released before the compressor, so that in the compressor flow as possible no additional friction or throttle losses.
  • the compressor efficiency and the width of the compressor map are therefore not significantly adversely affected in the direction of Stopfgrenze by the Trimsteller.
  • the dynamic response as well as the partial load operation of supercharged internal combustion engines can be improved. Due to the improved system efficiency, the exhaust back pressure can be lowered in the partial load range, whereby the consumption of the internal combustion engine decreases. Due to the increase in efficiency and the shift of the surge limit, the maximum engine torque can already be achieved at lower engine speeds and thus the transient response of the internal combustion engine can be improved.
  • a generic internal combustion engine is from the DE 10 2010 026 176 A1 known.
  • the trim controller there comprises a cone, which in one embodiment consists of a plurality of lamellae.
  • the lamellae are arranged in two layers, wherein the lamellae of each layer are spaced apart from one another and the two layers are offset in relation to each other in rotation so that the lamellae of one layer cover the distances between the lamellae of the respective other layer.
  • LP-EGR low-pressure exhaust gas recirculation
  • the exhaust gas taken downstream of a turbine of an exhaust-gas turbocharger is introduced via a feed upstream of the compressor of the exhaust-gas turbocharger and drawn in by it with the fresh gas.
  • the introduction of the recirculated exhaust gas should be as close as possible in front of the compressor in order to avoid or keep unwanted condensate formation in the fresh gas.
  • a control valve is usually integrated into the LP EGR introduction prior to compressor entry.
  • Both the supply of the LP EGR and the Trimsteller should function as closely as possible be arranged in front of the impeller of the compressor, resulting in a competing space situation result.
  • the present invention seeks to provide an advantageous way to integrate a LP-EGR in a generic internal combustion engine.
  • ND-EGR low-pressure exhaust gas recirculation
  • the inventive design of an internal combustion engine further advantages can be achieved, as shown below.
  • the integration of the mouth and the design of the trim plate or the cross section of the compressor flow changing element is selected such that by means of the trim setter and the amount of introduced into the fresh gas exhaust gas is controlled or regulated.
  • the movable compressor inflow varying member may preferably be arranged and configured to serve as a control valve or control valve for the LP EGR.
  • This embodiment is in particular advantageously implementable, because the operating ranges of the internal combustion engine, in which a LP EGR is usefully used, regularly correlate with a corresponding operation of the compressor in the vicinity of the surge limit.
  • an increase in the LP EGR rate may correlate with a shift in the operating point of the compressor in the compressor map in the direction of the surge limit, so that it may preferably be provided that the trim plate increases a passage cross section for the exhaust gas as the cross section of the compressor inlet is reduced.
  • the amount of exhaust gas recirculated via the LP EGR can be increased in proportion to the reduction of the inflow section by the trim plate.
  • the trim plate can have a funnel-shaped wall system arranged inside a tubular housing (a section of the fresh gas line), wherein an outlet cross section of the wall system is variable by a more or less spreading of the wall system and wherein the passage cross section for the exhaust gas between the wall system and the housing is formed.
  • the mouth of the LP-EGR can be arranged in the region of the wall system.
  • the wall system may serve as a valve body of an EGR valve for the LP EGR, with the wall system at full spread, i. the largest possible flow cross-section of the compressor impeller, a portion of the housing uses as a valve seat.
  • the wall system may comprise a plurality of first wall elements circumferentially spaced apart from one another annularly and a plurality of second wall elements circumferentially spaced apart from each other in an annular manner, the second wall elements covering the distances between the first wall elements.
  • the trim plate can have an adjusting device (for example, electrically, pneumatically or hydraulically actuated), by means of which the ends of the first and / or second wall elements forming the outlet cross section are in Radial direction are displaced.
  • an adjustable, funnel-shaped wall system can be created in a structurally simple manner, which makes do without the use of highly elastic materials, such as elastomers.
  • the wall elements can thus advantageously be formed from a substantially rigid material and in particular metal (s) (eg steel).
  • the adjusting device may have a position detection, which can confirm the respective position of the wall system to a control electronics (for example engine control) of the internal combustion engine, in order to set a targeted adjustment of the trim adjuster to the operating point of the internal combustion engine.
  • a control electronics for example engine control
  • the wall elements are rotatably mounted on the end forming an inlet cross section of the wall system.
  • the wall elements are mounted rocker-like, so that in a radial, inwardly directed displacement of the outlet cross-section forming ends of these wall elements, the inlet cross-section forming ends of these wall elements are displaced radially outward, resulting in an elastic Bias (at least) connected to a spring element.
  • a rotatable mounting can be realized with a spring action of the wall system in its open position in a simple manner.
  • the wall elements can (at least partially) also be firmly clamped on the end forming the inlet cross section of the wall system, wherein the angular change is absorbed by an elastic deformation of the wall elements. Since the deformation in this case is comparatively small, this can also be achieved with wall elements made of e.g. Metal (s) can be realized. This may optionally account for an additional spring element for acting on the wall system in its open position.
  • the wall elements have a U-shaped cross-section, wherein the ends of the free legs of each first wall element rest on a respective second wall element (and vice versa).
  • the resistance for the sliding relative movement between the first wall elements and the second wall elements can be kept small.
  • this can limit the maximum spread of the wall system.
  • a preferred because structurally simple embodiment of the adjusting device may comprise an adjusting ring with one or more guide grooves, wherein the first and / or second wall elements are guided in the guide grooves such that a rotation of the adjusting ring to a radial displacement of the outlet cross-section forming ends of the first and / or second wall elements leads.
  • Fig. 1 and 3 show in a schematic longitudinal section a radial compressor 10 and a first embodiment of a Trimstellers 12 for an internal combustion engine according to the invention.
  • the trim plate 12 comprises a tubular housing 14 which can be integrated upstream of the centrifugal compressor 1 into a fresh gas line of the internal combustion engine.
  • the housing 14 is connected downstream with the radial compressor 10 directly on the inlet side.
  • a wall system 16 is arranged, which comprises in the present embodiment, two half-shell or paddle-shaped wall elements 18 which are rotatably mounted at its upstream end to the inside of the housing 14. At these ends, both wall elements 18 have a substantially semicircular cross-section.
  • the lengths of the part-circular cross sections of the wall elements 18 decrease continuously, wherein the length reduction of the in the Fig. 1 to 4 Wall element 18 shown above is higher than that of the lower wall element 18.
  • the reduction of the outlet cross section leads to a focus of the fresh gas flowing through the trim plate 12 on the central portion of an impeller 22 of the centrifugal compressor 10 and thus to a reduction of the inflow cross section of the centrifugal compressor 10 in comparison to the fully open position of the trim adjuster 12th
  • the lower wall element 18 also serves as an EGR valve of a LP EGR, which opens into the housing 14 in the region of the wall system 16 of the trim actuator 12.
  • LP EGR a LP EGR
  • the lower wall element 18 completely covers the mouth 24 of the LP-EGR, so that essentially no exhaust gas recirculation takes place.
  • the lower wall element 18 releases a widening, part-circular annular gap through which exhaust gas from the LP EGR can flow into the centrifugal compressor 10.
  • FIGS. 5 and 6 show a radial compressor 10 and a trim plate 12 in a respect to the embodiment according to the Fig. 1 to 4 modified embodiment.
  • the trim plate 12 comprises a housing 14, which is arranged immovably in a housing formed by a housing 26 of the radial compressor 10 receptacle.
  • a funnel-shaped wall system 16 is arranged, which is formed from a plurality of strip-shaped wall elements 28, 30 with part-circular cross-sections.
  • the wall system 16 corresponds to the wall system 16, as shown in the FIGS. 7 and 8 is shown.
  • the wall elements 28, 30 are arranged in two coaxial, circular layers and have a U-shaped cross-section, that is, these each comprise in addition to a strip-shaped, in cross-section part-circular base portion still two thereof approximately at a right angle extending leg, wherein the legs the (first) wall elements 28 of the first, inner layer are directed radially outwards, while the legs of the (second) wall elements 30 of the second, outer layer are directed radially inwards.
  • the wall elements 28, 30 of each of the two layers are also spaced apart from each other with a rotational offset between the two layers so that the wall elements 28, 30 of each layer cover the interstices of the other layer. This results in a substantially closed, funnel-shaped wall system 16.
  • the wall elements 28, 30 of the two layers contact each other over the relatively small-area end edges of the legs, whereby a relatively low-resistance sliding of the wall elements 28, 30 can be achieved.
  • the legs of the wall elements 28, 30 form end stops which limit the spreading of the wall system 16.
  • a more or less successful spreading of the funnel-shaped wall system 16, even in the completely open state, ie a radial displacement of the free, downstream ends of the wall elements 28, 30 takes place in the embodiment according to FIGS FIGS. 5 and 6 by means of a sliding ring 32, which surrounds the wall elements 28, 30 on the outside and by means of an adjusting device 34 in the direction of its longitudinal axis is displaceable.
  • the upstream ends of the wall elements 28, 30 are rotatably or pivotably mounted, so that the adjusting by the radial displacement of the free ends angle change is not compensated by means of a deformation of the wall elements 28, 30.
  • bearing element for the rotatable or rocker-like storage is a bearing ring 36 which has a number of wall elements 28, 30 corresponding number of slot-shaped openings through which narrow end portions of the wall elements 28, 30 extend.
  • a spring ring 38 for example made of an elastomer, the wall system 16 is in its fully open position (see. Fig. 5 ).
  • the spring ring 38 is encompassed by the end portions of each of the first wall elements 28 approximately semicircular.
  • an orifice passage 40 which is provided for connection to a LP EGR of an internal combustion engine according to the invention.
  • the mouth channel 40 opens in the region of the wall system 16 in the housing 14 of the Trimstellers 12. Exiting the mouth channel 40 exhaust gas can thus spread in a ring surrounding the wall system 16 annular space 42. In the fully open state of the trimmer 12, the free ends of the wall elements 28, 30 bear against an edge 44 of an inlet channel of the radial compressor 10. An overflow of the exhaust gas from the annular space 42 in the inlet channel of the centrifugal compressor 10 is thereby largely avoided.
  • FIGS. 7 and 8 an alternative embodiment of an adjusting 34 is shown, as in a Trimsteller 12 according to the FIGS. 5 and 6 can be used.
  • the adjusting device 34 comprises an adjusting ring 46, which has a number of second wall elements 30 corresponding number of obliquely extending guide grooves 48.
  • a guide pin 50 is slidably mounted in each of the guide grooves 48.
  • the guide pins 50 are connected via a respective fastening arm 52 with one of the second wall elements 30.
  • a rotation of the adjusting ring 46 leads to a radial displacement of the guide pins 50 and thus of the second wall elements 30.
  • the second wall elements 30 take with a radial displacement inwardly the first wall elements 28 with.
  • the application of the spring ring 38 ensures that the first wall elements 28 follow the movement of the second wall elements 30.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang, einem Frischgasstrang, einem Abgasturbolader mit einer in den Abgasstrang integrierten Turbine und einem in den Frischgasstrang integrierten Verdichter, sowie mit einem Trimsteller, durch den der Querschnitt der Verdichteranströmung veränderbar ist.
  • In einem Verdichter wird das über den Frischgasstrang des Verbrennungsmotors zugeführte Frischgas verdichtet. Dabei ist die Druckanhebung von der Drehzahl des Laufrads des Verdichters sowie von dem Massenstrom des über das Laufrad geführten Frischgases abhängig. In Richtung der Pumpgrenze des Verdichterkennfelds erfolgt die Anströmung der Eintrittskanten der Laufradschaufeln infolge der gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit abnehmende Anströmgeschwindigkeit zunehmend druckseitig, d.h. die Inzidenz der Anströmung nimmt stetig zu. Ab einem betriebspunktabhängigen Grenzwert der Inzidenz, der Pumpgrenze, löst die Strömung an den Eintrittskanten ab und die Strömung im Verdichter wird instabil.
  • Im Bereich der Pumpgrenze bildet sich im Bereich der Gehäusekontur des Verdichters ein Rückströmgebiet impulsarmen Fluids. Diese sogenannte Rückströmblase führt durch Drall- und Mischungsverluste in Richtung der Pumpgrenze zu einem Abfall des Verdichterwirkungsgrads. Im Bereich der Nabenkontur des Laufrads verläuft aber auch nahe der Pumpgrenze eine impulsreiche und verlustärmere Kernströmung durch den Verdichter, die den Massendurchsatz und den Druckaufbau bestimmt.
  • Ein Trimsteller dient der Verschiebung der Pumpgrenze eines Verdichterkennfelds in Richtung niedriger Massenströme bei hohen Druckverhältnissen. Gleichzeitig kann ein Trimsteller im Bereich der Pumpgrenze einen Anstieg des Verdichterwirkungsgrads bewirken. Hierzu umfasst ein Trimsteller eine Vorrichtung, durch die der Anströmquerschnitt, in dem das Laufrad des Verdichters angeströmt wird, veränderbar ist. Durch die so erreichte Düsenwirkung des Trimstellers kann mit zunehmendem Regeleingriff (Verkleinerung des Anströmquerschnitts) die Verdichteranströmung stärker auf den nabennahen Strömungsquerschnitt des Verdichterlaufrads fokussiert werden. Dadurch strömt weniger Fluid in den impulsarmen und verlustbehafteten Bereich der Rückströmblase und die Kernströmung im nabennahen Bereich wird beschleunigt und dadurch zusätzlich stabilisiert. Die Beschleunigung der Strömung im nabennahen Bereich des Verdichters hat zusätzlich eine saugseitige Verschiebung der Verdichteranströmung zur Folge, was zu einer weiteren Stabilisierung der Strömung beitragen kann. Die Stabilisierung der Kernströmung führt zu der gewünschten Verschiebung der Pumpgrenze des Verdichterkennfelds zu geringeren Massenströmen des Abgases. Bei nicht gewünschtem Regeleingriff (Trimsteller vollständig geöffnet) wird möglichst der gesamte Querschnitt des Frischgasstrangs vor dem Verdichter freigegeben, so dass in der Verdichteranströmung möglichst keine zusätzlichen Reibungs- oder Drosselverluste entstehen. Der Verdichterwirkungsgrad und die Breite des Verdichterkennfelds werden deshalb in Richtung der Stopfgrenze nicht wesentlich negativ durch den Trimsteller beeinflusst.
  • Durch die Verschiebung der Pumpgrenze und den gleichzeitigen Anstieg des Verdichterwirkungsgrads mittels eines Trimstellers können das dynamische Ansprechverhalten sowie der Teillastbetrieb von aufgeladenen Brennkraftmaschinen verbessert werden. Durch den verbesserten Systemwirkungsgrad lässt sich der Abgasgegendruck im Teillastbereich absenken, wodurch der Verbrauch der Brennkraftmaschine sinkt. Durch den Wirkungsgradanstieg und die Verschiebung der Pumpgrenze kann das maximale Motordrehmoment bereits bei niedrigeren Motordrehzahlen erreicht und somit das transiente Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden.
  • Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2010 026 176 A1 bekannt. Der dortige Trimsteller umfasst einen Konus, der in einer Ausführungsform aus einer Mehrzahl von Lamellen besteht. Die Lamellen sind in zwei Schichten angeordnet, wobei die Lamellen jeder Schicht zueinander beabstandet und die zwei Schichten zueinander rotatorisch versetzt sind, so dass die Lamellen einer Schicht die Abstände zwischen den Lamellen der jeweiligen anderen Schicht überdecken. Mittels eines in längsaxialer Richtung verschiebbaren, die Lamellen außenseitig umgebenden Rings können die den Austrittsquerschnitt des Konus ausbildenden Enden der Lamellen radial verschoben werden. Dadurch verändert sich die Größe des Austrittsquerschnitt und damit des Anströmquerschnitts, in dem das Laufrad des Verdichters angeströmt wird.
  • Bei heutigen Verbrennungsmotoren wird zunehmend eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) eingesetzt, um gesetzlich vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte zu erreichen. Das stromab einer Turbine eines Abgasturboladers entnommene Abgas wird dabei über eine Zuführung vor dem Verdichter des Abgasturboladers eingeleitet und von diesem mit dem Frischgas angesaugt. Dabei sollte die Einleitung des rückgeführten Abgases möglichst nahe vor dem Verdichter erfolgen, um eine nicht gewünschte Kondensatbildung im Frischgas zu vermeiden oder gering zu halten. Für die Regelung der ND-AGR-Rate wird in die ND-AGR-Einleitung vor dem Verdichtereintritt meist ein Regelventil integriert.
  • Sowohl die Zuleitung der ND-AGR als auch der Trimsteller sollten funktionsbedingt so dicht wie möglich vor dem Laufrad des Verdichters angeordnet sein, was eine konkurrierende Bauraumsituation zur Folge hat.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Möglichkeit zur Integration einer ND-AGR in eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
  • Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit (mindestens) einem Verbrennungsmotor, (mindestens) einem Abgasstrang, (mindestens) einem Frischgasstrang, (mindestens) einem Abgasturbolader mit (mindestens) einer in den Abgasstrang integrierten Turbine und (mindestens) einem in den Frischgasstrang integrierten Verdichter (insbesondere Radialverdichter), sowie mit (mindestens) einem Trimsteller, durch den der Querschnitt der Verdichteranströmung veränderbar ist, weist erfindungsgemäß (mindestens) eine Niederdruckabgasrückführung (ND-AGR) auf, durch die Abgas stromab der Turbine aus dem Abgasstrang entnommen und stromauf des Verdichters in den Frischgasstrang einleitbar ist, wobei (mindestens) eine Mündung der ND-AGR im Bereich des Trimstellers, d.h. in demselben Abschnitt des Frischgasstrangs wie der Trimsteller bzw. das den Querschnitt der Verdichteranströmung verändernde Element des Trimstellers, angeordnet ist.
  • Durch die Integration der Mündung der ND-AGR in den Trimsteller kann erreicht werden, dass sowohl der Trimsteller als auch die Mündung der ND-AGR möglichst nah an der Eintrittsseite des Verdichterlaufrads angeordnet sind. Die Bauraumkonkurrenz dieser beiden Komponenten wird dadurch gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine können noch weitere Vorteile erreicht werden, wie dies nachfolgend aufgezeigt wird. Insbesondere kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Integration der Mündung und die Ausgestaltung des Trimstellers bzw. des den Querschnitt der Verdichteranströmung verändernden Elements derart gewählt ist, dass mittels des Trimstellers auch die Menge des in den Frischgasstrang eingeleiteten Abgases steuerbar oder regelbar ist. Das bewegliche, die Verdichteranströmung verändernde Element kann demnach bevorzugt so angeordnet und ausgebildet sein, dass dieses als Steuerventil oder Regelventil für die ND-AGR dient. Diese Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft umsetzbar, weil die Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors, in denen eine ND-AGR sinnvoll einsetzbar ist, regelmäßig mit einem entsprechenden Betrieb des Verdichters in der Nähe der Pumpgrenze korrelieren. Insbesondere kann eine Erhöhung des ND-AGR-Rate mit einer Verschiebung des Betriebspunkts des Verdichters im Verdichterkennfeld in Richtung der Pumpgrenze korrelieren, so dass vorzugsweise vorgesehen sein kann, dass der Trimsteller bei einer Verkleinerung des Querschnitts der Verdichteranströmung einen Durchlassquerschnitt für das Abgas vergrößert. Demnach kann die Menge des über die ND-AGR rückgeführten Abgases proportional zur Verkleinerung des Anströmquerschnitts durch den Trimsteller erhöht werden.
  • In Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, in denen eine Verkleinerung des Anströmquerschnitts für den Betrieb des Verdichters nicht mehr erforderlich ist und somit auch vermieden werden sollte, um Drosselverluste zu vermeiden, ist regelmäßig auch keine Abgasrückführung über die ND-AGR mehr erforderlich. Vorzugsweise kann daher vorgesehen sein, dass der Durchlassquerschnitt mittels des Trimstellers vollständig verschließbar ist.
  • Der Trimsteller kann in einer bevorzugten Ausgestaltung ein innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses (ein Abschnitt des Frischgasstrangs) angeordnetes, trichterförmiges Wandsystem aufweisen, wobei ein Austrittsquerschnitt des Wandsystems durch ein mehr oder weniger erfolgendes Spreizen des Wandsystems veränderbar ist und wobei der Durchlassquerschnitt für das Abgas zwischen dem Wandsystem und dem Gehäuse ausbildet ist. Besonders bevorzugt kann die Mündung der ND-AGR dabei im Bereich des Wandsystems angeordnet sein. Demnach kann das Wandsystem als Ventilkörper eines AGR-Ventils für die ND-AGR dienen, wobei das Wandsystem bei voller Spreizung, d.h. größtmöglichem Anströmquerschnitt des Verdichterlaufrads, einen Abschnitt des Gehäuses als Ventilsitz nutzt. Dies stellt eine konstruktiv einfache und daher kostengünstige Realisierung einer Regelung des rückgeführten Abgases mittels des Trimstellers dar. Jedoch kann selbst dann, wenn der Trimmsteller die Funktion eines AGR-Ventils übernehmen kann, ein separates AGR-Ventil vorgesehen sein. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine von dem Trimmsteller bzw. von dessen Beeinflussung der AGR-Rückführrate unabhängige Regelung der ND-AGR erreicht werden soll.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Wandsystem eine Mehrzahl erster Wandelemente, die in Umfangsrichtung beabstandet voneinander ringförmig angeordnet sind, und eine Mehrzahl zweiter Wandelemente aufweisen, die in Umfangsrichtung beabstandet voneinander ringförmig angeordnet sind, wobei die zweiten Wandelemente die Abstände zwischen den ersten Wandelemente überdecken. Weiterhin kann der Trimsteller eine (z.B. elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigte) Verstellvorrichtung aufweisen, mittels der die den Austrittsquerschnitt ausbildenden Enden der ersten und/oder zweiten Wandelemente in radialer Richtung verschiebbar sind. Auf diese Weise kann in konstruktiv einfacher Weise ein verstellbares, trichterförmiges Wandsystem geschaffen werden, das ohne den Einsatz von hochelastischen Werkstoffen, wie z.B. Elastomeren, auskommt. Die Wandelemente können somit vorteilhafterweise aus einem weitgehend steifen Werkstoff und insbesondere Metall(en) (z.B. Stahl) ausgebildet sein.
  • Die Verstellvorrichtung kann eine Positionserkennnung aufweisen, die die jeweilige Stellung des Wandsystems an eine Regelelektronik (z.B. Motorsteuerung) der Brennkraftmaschine rückmelden kann, um eine zielgerichtete Einstellung des Trimstellers an den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors einzustellen.
  • Um die Winkelveränderung, die sich aus der Veränderung des Austrittsquerschnitts des Wandelements ergibt, aufnehmen zu können, kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die Wandelemente an dem einen Eintrittsquerschnitt des Wandsystems ausbildenden Ende drehbar gelagert sind.
  • Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass zumindest einige der Wandelemente wippenartig gelagert sind, so dass bei einer radialen, nach innen gerichteten Verschiebung der den Austrittsquerschnitt ausbildenden Enden dieser Wandelemente die den Eintrittsquerschnitt ausbildenden Enden dieser Wandelemente radial nach außen verschoben werden, was mit einer elastischen Vorspannung (mindestens) eines Federelements verbunden ist. Dadurch kann auf einfache Weise eine drehbare Lagerung mit einer Federbeaufschlagung des Wandsystems in seine geöffnete Stellung realisiert werden.
  • Die Wandelemente können (zumindest teilweise) an dem den Eintrittsquerschnitt des Wandsystems ausbildenden Ende auch fest eingespannt sein, wobei die Winkelveränderung durch eine elastische Deformation der Wandelemente aufgenommen wird. Da die Verformung hierbei vergleichsweise klein ist, kann dies auch bei Wandelementen aus z.B. Metall(en) realisiert werden. Dadurch kann gegebenenfalls auf ein zusätzliches Federelement zur Beaufschlagung des Wandsystems in seine geöffnete Stellung entfallen.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Wandelemente einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Enden der freien Schenkel jedes ersten Wandelements auf jeweils einem zweiten Wandelement (und andersherum) aufliegen. Dadurch kann der Widerstand für die gleitende Relativbewegung zwischen den ersten Wandelementen und den zweiten Wandelementen klein gehalten werden. Zudem kann dadurch die maximale Aufspreizung des Wandsystems begrenzt werden.
  • Eine bevorzugte weil konstruktiv einfache Ausgestaltung der Verstellvorrichtung kann einen Verstellring mit einer oder mehreren Führungsnuten umfassen, wobei die ersten und/oder zweiten Wandelemente derart in den Führungsnuten geführt sind, dass ein Verdrehen des Verstellrings zu einer radialen Verschiebung der den Austrittsquerschnitt ausbildenden Enden der ersten und/oder zweiten Wandelemente führt.
  • Die Ausgestaltungen des Trimstellers gemäß den Patentansprüchen 7 bis 11 ist unabhängig von der Mündung der ND-AGR im Bereich des Trimstellers und weist gegenüber den bekannten Trimstellern relevante Vorteile dar. Diese Ausgestaltungen stellen somit davon unabhängige Erfindungen dar.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
    • Fig. 1:
    in einer schematischen Darstellung einen Trimsteller mit vollständig geöffnetem Austrittsquerschnitt sowie einen Verdichter einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform;
    Fig. 2:
    einen Querschnitt durch den Trimsteller gemäß Fig. 1 entlang der Schnittebene II - II in Fig. 1;
    Fig. 3:
    die Einheit aus Trimsteller und Verdichter gemäß Fig. 1, jedoch mit verkleinertem Austrittsquerschnitt des Trimstellers;
    Fig. 4:
    einen Querschnitt durch den Trimsteller gemäß Fig. 3 entlang der Schnittebene IV - IV in Fig. 3;
    Fig. 5:
    einen Trimsteller mit vollständig geöffnetem Austrittsquerschnitt sowie einen Verdichter einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsform;
    Fig. 6:
    die Einheit aus Trimsteller und Verdichter gemäß Fig. 5, jedoch mit verkleinertem Austrittsquerschnitt des Trimstellers;
    Fig. 7:
    in einer ersten perspektivischen Darstellung ein verstellbares Wandsystem und eine Verstellvorrichtung eines Trimsteller für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführungsform; und
    Fig. 8:
    die Einheit aus Wandsystem und Verstellvorrichtung gemäß Fig. 7 in einer zweiten perspektivischen Darstellung.
  • Die Fig. 1 und 3 zeigen in einem schematischen Längsschnitt einen Radialverdichter 10 sowie eine erste Ausführungsform eines Trimstellers 12 für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
  • Der Trimsteller 12 umfasst ein rohrförmiges Gehäuse 14, das stromaufwärts des Radialverdichters 1 in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integrierbar ist. Dabei ist das Gehäuse 14 stromabwärtig direkt eintrittsseitig mit dem Radialverdichter 10 verbunden. Innerhalb des Gehäuses 14 ist ein Wandsystem 16 angeordnet, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei halbschalen- bzw. schaufelförmige Wandelemente 18 umfasst, die an ihrem stromaufwärtigen Ende drehbar an der Innenseite des Gehäuse 14 gelagert sind. An diesen Enden weisen beiden Wandelemente 18 einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt auf. In Richtung des stromabwärtigen Endes verringern sich die Längen der teilkreisförmigen Querschnitte der Wandelemente 18 kontinuierlich, wobei die Längenverringerung des in den Fig. 1 bis 4 oben dargestellten Wandelements 18 höher als diejenige des unteren Wandelements 18 ist. Dies ermöglicht ein Eintauchen des oberen Wandelements 18 in das untere Wandelement 18 (vgl. Fig. 4), wenn die Wandelemente 18 mittels einer nicht dargestellten Verstellvorrichtung nach innen verschwenkt werden, wodurch sich die freien, stromabwärtigen Enden radial (bezüglich der Längsachse 20 des Trimstellers) nach innen bewegen. Durch das Verschwenken wird die Größe des Austrittsquerschnitts des Wandsystems 16 bzw. des Trimstellers 12 gegenüber der voll geöffneten Stellung, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, verringert (vgl. Fig. 3). Gleichzeitig erfolgt eine Veränderung der Form des Austrittsquerschnitts von im Wesentlichen kreisförmig zu elliptisch. Die Verkleinerung des Austrittsquerschnitts führt zu einer Fokussierung des durch den Trimsteller 12 strömenden Frischgases auf den zentralen Abschnitt eines Laufrads 22 des Radialverdichters 10 und somit zu einer Verkleinerung des Anströmquerschnitts des Radialverdichters 10 im Vergleich zur vollständig geöffneten Stellung des Trimstellers 12.
  • Das untere Wandelement 18 dient auch als AGR-Ventil einer ND-AGR, die im Bereich des Wandsystems 16 des Trimstellers 12 in dessen Gehäuse 14 mündet. Bei voll geöffnetem Trimsteller 12 verdeckt das untere Wandelement 18 die Mündung 24 der ND-AGR vollständig, so dass im Wesentlichen keine Abgasrückführung erfolgt. Mit zunehmender Verkleinerung des Austrittsquerschnitts des Trimstellers 12 gibt das untere Wandelement 18 einen sich verbreiternden, teilkreisförmigen Ringspalt frei, durch den Abgas aus der ND-AGR in den Radialverdichter 10 strömen kann.
  • Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Radialverdichter 10 und einen Trimsteller 12 in einer gegenüber der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 4 abgewandelten Ausführungsform.
  • Der Trimsteller 12 umfasst ein Gehäuse 14, das in einer von einem Gehäuse 26 des Radialverdichters 10 ausgebildeten Aufnahme unbeweglich angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses 14 des Trimstellers 12 ist ein trichterförmiges Wandsystem 16 angeordnet, das aus einer Mehrzahl von streifenförmigen Wandelementen 28, 30 mit teilkreisförmigen Querschnitten ausgebildet ist. Das Wandsystem 16 entspricht dem Wandsystem 16, wie es in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Die Wandelemente 28, 30 sind in zwei koaxialen, kreisförmigen Schichten angeordnet und weisen einen U-förmigen Querschnitt auf, d.h. diese umfassen jeweils neben einem streifenförmigen, im Querschnitt teilkreisförmigen Grundabschnitt noch zwei sich davon ca. in einem rechten Winkel erstreckende Schenkel, wobei die Schenkel der (ersten) Wandelemente 28 der ersten, innen liegenden Schicht radial nach außen gerichtet sind, während die Schenkel der (zweiten) Wandelemente 30 der zweiten, außen liegenden Schicht radial nach innen gerichtet sind. Die Wandelemente 28, 30 jeder der zwei Schichten sind zudem beabstandet zueinander angeordnet, wobei ein rotatorischer Versatz zwischen den beiden Schichten vorgesehen ist, so dass die Wandelemente 28, 30 jeder Schicht die Zwischenräume der jeweils anderen Schicht überdecken. Dadurch ergibt sich ein im Wesentlichen geschlossenes, trichterförmiges Wandsystem 16. Die Wandelemente 28, 30 der beiden Schichten kontaktieren sich über die vergleichsweise kleinflächigen Endkanten der Schenkel, wodurch ein relativ widerstandsarmes Gleiten der Wandelemente 28, 30 aufeinander erreicht werden kann. Zudem bilden die Schenkel der Wandelemente 28, 30 Endanschläge aus, die ein Aufspreizen des Wandsystems 16 begrenzen.
  • Ein mehr oder weniger erfolgendes Spreizen des auch im vollständig geöffneten Zustand trichterförmigen Wandsystems 16, d.h. ein radiales Verschieben der freien, stromabwärtigen Enden der Wandelemente 28, 30 erfolgt in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 mittels eines Schieberings 32, der die Wandelemente 28, 30 außenseitig umgreift und mittels einer Verstellvorrichtung 34 in Richtung seiner Längsachse verschiebbar ist. Die stromaufwärtigen Enden der Wandelemente 28, 30 sind dreh- bzw. verschwenkbar gelagert, so dass die sich durch das radiale Verschieben der freien Enden einstellende Winkelveränderung nicht mittels einer Deformation der Wandelemente 28, 30 ausgeglichen wird. Als Lagerelement für die drehbare bzw. wippenartige Lagerung dient ein Lagerring 36, der eine der Anzahl an Wandelementen 28, 30 entsprechende Anzahl an schlitzförmigen Öffnungen aufweist, durch die sich schmale Endabschnitte der Wandelemente 28, 30 erstrecken. Mittels eines Federrings 38, z.B. aus einem Elastomer, wird das Wandsystem 16 in seine vollständig geöffnete Stellung (vgl. Fig. 5) beaufschlagt. Der Federring 38 wird von den Endabschnitten jedes der ersten Wandelemente 28 ca. halbkreisförmig umgriffen. Infolge der wippenartigen Lagerung der Wandelemente 28, 30 in dem Lagerring 36 führt ein nach innen gerichtetes, radiales Verschieben der freien Enden der Wandelemente 28, 30 zu einem nach außen gerichteten, radialen Verschieben der Endabschnitte und damit zu einer elastischen Umfangsvergrößerung in Verbindung mit einer (zunehmenden) elastischen Vorspannung des Federrings 38.
  • In dem Gehäuse 26 des Radialverdichters 10 verläuft ein Mündungskanal 40, der für einen Anschluss an eine ND-AGR einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Der Mündungskanal 40 mündet im Bereich des Wandsystems 16 in das Gehäuse 14 des Trimstellers 12. Aus dem Mündungskanal 40 austretendes Abgas kann sich somit in einem ringförmig das Wandsystem 16 umgebenden Ringraum 42 ausbreiten. Im vollständig geöffneten Zustand des Trimstellers 12 liegen die freien Enden der Wandelemente 28, 30 an einer Kante 44 eines Einlasskanals des Radialverdichters 10 an. Ein Überströmen des Abgases aus dem Ringraum 42 in den Einlasskanal des Radialverdichters 10 wird dadurch weitgehend vermieden. Mit zunehmender Verkleinerung des Austrittsquerschnitts des Trimstellers 12 infolge eines Verschiebens der freien Enden der Wandelemente 28, 30 radial nach innen wird ein sich verbreiternder, kreisförmigen Ringspalt freigegeben, durch den Abgas aus dem Ringraum 42 in den Radialverdichter 10 strömen kann.
  • In den Fig. 7 und 8 ist eine alternative Ausgestaltung einer Verstellvorrichtung 34 dargestellt, wie sie bei einem Trimsteller 12 gemäß den Fig. 5 und 6 zum Einsatz kommen kann. Die Verstellvorrichtung 34 umfasst einen Verstellring 46, der eine der Anzahl an zweiten Wandelementen 30 entsprechende Anzahl an schräg verlaufenden Führungsnuten 48 aufweist. In jeder der Führungsnuten 48 ist ein Führungsbolzen 50 verschiebbar gelagert. Die Führungsbolzen 50 sind über jeweils einen Befestigungsarm 52 mit einem der zweiten Wandelemente 30 verbunden. Infolge der schrägen Ausrichtung der Führungsnuten 48 führt ein Verdrehen des Verstellrings 46 zu einer radialen Verschiebung der Führungsbolzen 50 und damit der zweiten Wandelemente 30. Die zweiten Wandelemente 30 nehmen bei einem radialen Verschieben nach innen die ersten Wandelemente 28 mit. Bei einem radialen Verschieben nach außen sorgt dagegen die Beaufschlagung mittels des Federrings 38 dafür, dass die ersten Wandelemente 28 der Bewegung der zweiten Wandelemente 30 folgen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Radialverdichter
    12
    Trimsteller
    14
    Gehäuse
    16
    Wandsystem
    18
    Wandelement
    20
    Längsachse
    22
    Laufrad
    24
    Mündung
    26
    Gehäuse
    28
    erstes Wandelement
    30
    zweites Wandelement
    32
    Schiebering
    34
    Verstellvorrichtung
    36
    Lagerring
    38
    Federring
    40
    Mündungskanal
    42
    Ringraum
    44
    Kante
    46
    Verstellring
    48
    Führungsnut
    50
    Führungsbolzen
    52
    Befestigungsarm

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang, einem Frischgasstrang, einem Abgasturbolader mit einer in den Abgasstrang integrierten Turbine und einem in den Frischgasstrang integrierten Verdichter, sowie mit einem Trimsteller (12), durch den der Querschnitt der Verdichteranströmung veränderbar ist, gekennzeichnet durch eine Niederdruckabgasrückführung, durch die Abgas stromab der Turbine aus dem Abgasstrang entnommen und stromauf des Verdichters in den Frischgaststrang einleitbar ist, wobei eine Mündung der Niederdruckabgasrückführung im Bereich des Trimstellers (12) angeordnet ist.
  2. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Trimstellers (12) auch die Menge des in den Frischgasstrang eingeleiteten Abgases regelbar ist.
  3. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trimsteller (12) bei einer Verkleinerung des Querschnitts der Verdichteranströmung einen Durchlassquerschnitt für das Abgas vergrößert.
  4. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlassquerschnitt mittels des Trimstellers (12) vollständig verschließbar ist.
  5. Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trimsteller (12) ein innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses (14) angeordnetes, trichterförmiges Wandsystem (16) aufweist, wobei ein Austrittsquerschnitt des Wandsystems (16) durch ein mehr oder weniger erfolgendes Spreizen des Wandsystems (16) veränderbar ist und wobei der Durchlassquerschnitt für das Abgas zwischen dem Wandsystem (16) und dem Gehäuses (14) ausgebildet ist.
  6. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (24) der Niederdruckabgasrückführung außenseitig im Bereich des Wandsystems (16) angeordnet ist und/oder dass das Wandsystem (16) eine Mehrzahl erster Wandelemente (28) aufweist, die in Umfangsrichtung beabstandet voneinander ringförmig angeordnet sind, und eine Mehrzahl zweiter Wandelemente (30) aufweist, die in Umfangsrichtung beabstandet voneinander ringförmig angeordnet sind, wobei die zweiten Wandelemente (30) die Abstände zwischen den ersten Wandelementen (28) überdecken und dass der Trimsteller (12) eine Verstellvorrichtung (34) aufweist, mittels der die den Austrittsquerschnitt ausbildenden Enden der ersten Wandelemente (28) und/oder zweiten Wandelemente (30) in radialer Richtung verschiebbar sind.
  7. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandelemente (28, 30) an dem einen Eintrittsquerschnitt des Wandsystems (16) ausbildenden Ende drehbar gelagert sind.
  8. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Wandelemente (28, 30) wippenartig gelagert sind, so dass bei einer radialen, nach innen gerichteten Verschiebung der den Austrittsquerschnitt ausbildenden Enden dieser Wandelemente (28, 30) die den Eintrittsquerschnitt ausbildenden Enden dieser Wandelemente (28, 30) radial nach außen verschoben werden, was mit einer elastischen Vorspannung eines Federelements verbunden ist.
  9. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandelemente (28, 30) einen U-förmigen Querschnitt aufweisen.
  10. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (34) einen Verstellring (46) mit einer oder mehreren Führungsnuten (48) umfasst, wobei die ersten und/oder zweiten Wandelemente (28, 30) derart in einer oder mehreren der Führungsnuten (48) geführt sind, dass ein Verdrehen des Verstellrings (46) zu einer radialen Verschiebung der den Austrittsquerschnitt ausbildenden Enden der ersten Wandelemente (28) und/oder zweiten Wandelemente (30) in radialer Richtung führt.
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