WO2005121524A1 - Brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader Download PDF

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WO2005121524A1
WO2005121524A1 PCT/EP2005/005718 EP2005005718W WO2005121524A1 WO 2005121524 A1 WO2005121524 A1 WO 2005121524A1 EP 2005005718 W EP2005005718 W EP 2005005718W WO 2005121524 A1 WO2005121524 A1 WO 2005121524A1
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WO
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exhaust gas
turbine
internal combustion
combustion engine
phi
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Application number
PCT/EP2005/005718
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Fledersbacher
Michael Scherrieble
Siegfried Weber
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Publication date
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    • 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
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • 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
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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
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    • F02B37/24—Control of the pumps by using pumps or turbines with adjustable guide vanes
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    • 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 internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1.
  • an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger which has a compressor in the intake tract and an exhaust gas turbine in the exhaust line of the internal combustion engine, the turbine wheel being driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine and the rotary movement via a shaft the compressor wheel is transmitted, which then sucks in ambient air and compresses it to an increased boost pressure.
  • a bypass bridging the exhaust gas turbine is provided, in which a bypass valve for controlling the flow through the bypass is arranged.
  • the exhaust gas back pressure is determined via a pressure sensor, and if a predetermined limit value is exceeded, the bypass valve is opened on the one hand, so that exhaust gas back pressure can be reduced bypassing the turbine.
  • variable turbine geometry by means of which the effective turbine inlet cross-section can be variably adjusted, can be moved in the direction of the maximum opening position, so that a larger throughput is made possible by the exhaust gas turbine and the exhaust gas back pressure is also reduced.
  • the pressure reduction by opening the variable turbine geometry also ne additional security in the event of a malfunction of the bypass valve.
  • the invention is based on the problem of using simple measures to create an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger that can be used in a wide operating range.
  • the compressor of the exhaust gas turbocharger should be characterized in particular by a low surge limit, and high exhaust gas mass flows should also be manageable.
  • a bypass bridging the turbine is provided in the exhaust line, an adjustable bypass valve being arranged in the bypass, via which the flow through the bypass can be controlled.
  • a dimensioning rule for the exhaust gas turbine as a function of a throughput parameter required by the engine at the nominal output point and a turbine-specific stuffing throughput parameter. The ratio of these throughput parameters must be in a range between 1.05 and 1.50 in order to meet the requirement for the best possible dimensioning.
  • the engine-specific throughput parameter which denotes the overall swallowing behavior of the internal combustion engine at its nominal point, exceeds the turbine-specific stuffing throughput parameter of the exhaust gas turbine at least by a factor of 1.05 and at most by a factor of 1.50.
  • a blow-off is carried out via the bypass, which ensures that the exhaust gas back pressure does not exceed a maximum permissible limit.
  • the exhaust gas turbocharger is designed small enough and has a comparatively small mass moment of inertia that ensures that the exhaust gas turbocharger responds quickly, especially at low loads and speeds of the internal combustion engine and in the transient transition area.
  • Such small-sized exhaust gas turbochargers have a surge limit that is shifted in favor of smaller mass flows.
  • the efficiency is improved at low throughputs, which has a positive effect at full load with a simultaneously low engine speed and during unsteady-state operations.
  • the combination of internal combustion engine and exhaust gas turbocharger according to the invention is particularly suitable for loaders whose exhaust gas turbine is equipped with a variable turbine geometry for variable adjustment of the effective turbine inlet cross section.
  • the turbine-specific stuffing throughput parameter relates to the maximum Open position of the variable turbine geometry, in which a maximum possible flow through the turbine is possible.
  • the variable turbine geometry enables an optimized mode of operation not only in the fired drive mode, but also in the unfired engine brake mode. In engine braking operation, the variable turbine geometry is placed in a stowed position which reduces the effective turbine inlet cross section, as a result of which an increased exhaust gas back pressure is built up, against which the internal combustion engine has to do extension work.
  • the compressor of the exhaust gas turbocharger may be equip with a variable compressor geometry for the variable adjustment of the effective compressor inlet cross section.
  • the variable compressor geometry By setting the variable compressor geometry, the surge limit in the compressor map can be shifted in favor of smaller mass flows, which can be used to increase the boost pressures at low engine speeds.
  • the boost pressure in the intake tract of the internal combustion engine is measured and the bypass valve for bypassing the exhaust gas turbine is opened for the event that the boost pressure exceeds a limit.
  • the bypass valve for bypassing the exhaust gas turbine is opened for the event that the boost pressure exceeds a limit.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, the exhaust gas turbine in the exhaust line is bridged by a bypass and
  • FIG. 2 shows a turbine diagram for the exhaust gas turbine with the representation of the throughput parameter through the turbine as a function of the pressure ratio across the turbine.
  • the internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 a gasoline engine or a diesel internal combustion engine, is equipped with an exhaust gas turbocharger 2, which comprises an exhaust gas turbine 3 in the exhaust line 4 and a compressor 5 in the intake tract 6.
  • a turbine wheel of the exhaust gas turbine 3 is driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine 1, this rotary movement being transmitted via a shaft to a compressor wheel of the compressor 5, whereupon ambient air at atmospheric pressure is sucked in and compressed to an increased boost pressure.
  • the exhaust gas turbine 3 is provided with a variable turbine geometry 7, by means of which an effective turbine inlet cross section can be adjusted between a minimum stowage position and a maximum open position.
  • variable turbine geometry 7 can be used both in the fired drive mode of operation and in the engine braking mode to improve the operating behavior and can be set as a function of state and operating variables of the internal combustion engine or other units associated with the internal combustion engine.
  • the compressor 5 is provided with a variable compressor geometry 8, by means of which the effective cross section of the compressor inlet can also be variably set depending on various condition and operating variables.
  • the variable compressor geometry 8 allows in particular a shift of the surge limit in the compressor diagram in favor of smaller mass flows.
  • the combustion air compressed in the compressor 5 is fed downstream of the compressor 5 to a charge air cooler 9 and then fed to the internal combustion engine 1 under the boost pressure p, s cylinders.
  • a bypass 10 bridging the exhaust gas turbine 3 is arranged in the exhaust gas line 4, which branches off from the exhaust gas line 4 upstream of the exhaust gas turbine 3 and flows back into the exhaust gas line downstream of the exhaust gas turbine 3.
  • An adjustable bypass valve 11 is arranged in the bypass 10.
  • An exhaust gas cleaning device 12 in particular a catalytic converter and / or a filter, is located in the exhaust gas line 4 downstream of the exhaust gas turbine 3.
  • the bypass 10 also opens into the exhaust gas cleaning device 12.
  • All adjustable aggregates of the internal combustion engine are set via a control and regulating unit 13 as a function of state and operating variables, in particular the variable turbine geometry 7, the variable compressor geometry 8 and the bypass valve 11.
  • the exhaust gas turbocharger 2 has a fixed geometry both in its exhaust gas turbine 3 and in the compressor 5.
  • the turbine 3 can also be expedient to have the turbine 3 with the variable turbine geometry 7 and to equip the compressor 5 with a fixed geometry.
  • a design with the exhaust gas turbine 3 with a fixed geometry and the compressor 5 with a variable compressor geometry 8 can also be considered.
  • the dimensioning rule for the exhaust gas turbine 3 is the ratio PHI Mot , Ne nn / PHI ⁇ , stopf from an engine-specific, given throughput parameter PHI Mot , nominal, which describes the overall swallowing behavior of the internal combustion engine in its nominal point, to a turbine-specific stuffing throughput parameter PHI T , s topf of the exhaust gas turbine ,
  • the stuffing rate parameter PHI T is the value for PHI T that is set at the supercritical turbine pressure ratio of 2.5.
  • the ratio PHI mot / nominal / PHI ⁇ , stuffing lies in a value range between 1.05 and 1.50:
  • both the lower or the upper limit value itself and also any intermediate values between the mentioned limit values can be considered, for example 1.1, 1.2, 1.3 or 1.4.
  • the exhaust gas turbine is designed in such a way that the aforementioned relationship is fulfilled, taking into account a given and known engine-specific throughput parameter PHI Mo rNenn .
  • PHI Mo rNenn engine-specific throughput parameter
  • the range of values between 1.05 and 1.50 denotes the range that must be derived by opening the bypass valve 11 above the turbine-specific stuffing throughput parameter PHI T , stop f and when the variable turbine geometry 7 is open to avoid an inadmissibly high increase in the exhaust gas back pressure ,
  • the turbine diagram shown in FIG. 2 shows an example of a design strategy for an exhaust gas turbine.
  • 2 shows the throughput parameter PHI T / which represents a measure of the exhaust gas throughput through the turbine, in dependence on the pressure ratio ⁇ T (which expresses the ratio of the exhaust gas back pressure upstream of the turbine to the relaxed exhaust gas pressure downstream of the turbine) 2 shows various characteristic curves for the throughput parameter PHI T , which varies according to the relationship
  • the turbine-specific stuffing throughput parameter PHI T ⁇ Stopf of the exhaust gas turbine 3 is also shown, which represents an upper limit for the exhaust gas turbine 3 used.
  • a dashed line is also an engine Full-load operating line 14 is entered, the lower branch of which runs along a lower limit line 16, in which the variable turbine geometry 7 of the exhaust gas turbine 3 is in its stowed position which minimizes the effective turbine inlet cross section.
  • the engine-full-load operating line 14 leaves the lower limit line 16 and rises sharply until the engine-specific throughput parameter PHI Mot , nominal has reached its maximum.
  • the engine full-load operating line penetrates the turbine-specific stuffing throughput parameter PHI T ⁇ stop of the exhaust gas turbine 3, which assumes a specific, constant value depending on the exhaust gas turbine 3 used in each case.
  • the turbine-specific stuffing throughput parameter PHI T / St0 pf represents a limit value which is reached asymptotically when the variable turbine geometry 7 is in its maximum open position, which is identified in FIG. 2 by the characteristic curve 17.
  • the exhaust gas turbine 3 is no longer able to guarantee the required throughput of exhaust gas with an acceptable exhaust back pressure.
  • the blow-off amount designated by reference numeral 15 in FIG. 2 between these two parameters represents the excess, which is blown off by means of an opening of the bypass valve 11 via the bypass 10.
  • Both the variable turbine geometry 7 and the variable compressor geometry 8 and the bypass valve 11 are set on the basis of a pressure control, the boost pressure p 2 , s in the intake tract 4 downstream of the compressor 5 being determined by means of suitable pressure sensors as the pressure to be measured.
  • This boost pressure p 2 , s also represents a measure of the currently prevailing exhaust gas back pressure, so that at a If a limit value for the boost pressure is exceeded, measures to reduce the exhaust gas back pressure can be initiated, in particular a blow-off via the bypass 10 and / or an opening of the variable turbine geometry 7.

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine (1) weist einen Abgasturbolader (2) auf, dessen Abgasturbine (3) in der Weise dimensioniert ist, dass das Verhältnis von einem gegebenen motorspezifischen Durchsatzparameter zu einem turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter in einem definierten Wertebereich liegt.

Description

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der Druckschrift DE 102 02 322 AI wird eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, der einen Verdichter im Ansaugtrakt und eine Abgasturbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine aufweist, wobei das Turbinenrad von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben wird und die Drehbewegung über eine Welle auf das Verdichterrad übertragen wird, das daraufhin Umgebungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet. Des Weiteren ist ein die Abgasturbine überbrückender Bypass vorgesehen, in welchem ein Bypassventil zur Steuerung des Durchflusses durch den Bypass angeordnet ist. Über einen Drucksensor wird der Abgasgegendruck ermittelt, wobei im Falle des Überschreitens eines vorgegebenen Grenzwertes zum einen das Bypassventil geöffnet wird, so dass Abgasgegendruck unter Umgehung der Turbine abgebaut werden kann. Zum anderen kann eine variable Turbinengeometrie, über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt veränderlich einstellbar ist, in Richtung maximaler Öffnungsstellung versetzt werden, so dass ein größerer Durchsatz durch die Abgasturbine ermöglicht ist und der Abgasgegendruck ebenfalls abgebaut wird. Der Druckabbau durch Öffnen der variablen Turbinengeometrie stellt zudem ei- ne zusätzliche Sicherheit für den Fall einer Fehlfunktion des Bypassventiles dar.
Bei der Dimensionierung von Abgasturboladern für Brennkraftmaschinen muss generell zwei gegensätzlichen Kriterien Rechnung getragen werden. Einerseits ist man bestrebt, möglichst kleine Lader zu verwenden, die sich aufgrund ihrer geringeren Massenträgheit durch ein besseres Ansprechverhalten insbesondere im unteren Last-/Drehzahlbereich sowie im transienten Bereich auszeichnen und bei denen die Pumpgrenze des Verdichters zugunsten kleinerer Massenströme verschoben ist. Andererseits werden aus Wirkungsgradgründen bevorzugt größere Abgasturbolader eingesetzt, die sich durch eine zugunsten höherer Massendurchsätze verschobene Stopfgrenze auszeichnen. Insbesondere für Abgasturbinen ist eine hohe Stopfgrenze erstrebenswert, um einen unzulässig hohen Anstieg des Abgasgegendrucks zu vermeiden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine Brennkraftmaschine mit einem in einem weiten Betriebsbereich nutzbaren Abgasturbolader zu schaffen. Der Verdichter des Abgasturboladers soll sich insbesondere durch eine niedrige Pumpgrenze auszeichnen, außerdem sollen hohe Abgasmassenströme zu bewältigen sein.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader ist ein die Turbine überbrückender Bypass im Abgasstrang vorgesehen, wobei im Bypass ein einstellbares Bypassventil angeordnet ist, über das der Durchfluss durch den Bypass steuerbar ist. Des Weiteren kann eine Dimensionierungs- regel für die Abgasturbine als Funktion eines vom Motor im Nennleistungspunkt benötigten Durchsatzparameters sowie eines turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameters angegeben werden. Das Verhältnis dieser Durchsatzparameter muss in einem Wertebereich zwischen 1,05 und 1,50 liegen, um dem Erfordernis nach bestmöglicher Dimensionierung Rechnung zu tragen. Bei dieser Dimensionierung übersteigt der motorspezifische Durchsatzparameter, der das Gesamtschluckverhalten der Brennkraftmaschine in deren Nennpunkt bezeichnet, den turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter der Abgasturbine zumindest um den Faktor 1,05 und maximal um den Faktor 1,50. In Motorbetriebsbereichen mit hoher Last und Drehzahl, in denen ein hoher Abgasmassenstrom erzeugt wird, welcher aufgrund der zu kleinen Turbine zu hohen Abgasgegendrücken führen würde, wird eine Abblasung über den Bypass durchgeführt, wodurch sichergestellt ist, dass der Abgasgegendruck einen maximal zulässigen Grenzwert nicht übersteigt. Zugleich ist der Abgasturbolader aber klein genug ausgelegt und besitzt ein verhältnismäßig kleines Massenträgheitsmoment, dass ein schnelles Ansprechen des Abgasturboladers insbesondere bereits bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine sowie im transienten Übergangsbereich sichergestellt ist. Derartige, klein dimensionierte Abgasturbolader weisen eine zugunsten kleinerer Massenströme verschobene Pumpgrenze auf. Außerdem ist bei niedrigen Durchsätzen der Wirkungsgrad verbessert, welcher sich bei Volllast bei zugleich niedriger Motordrehzahl sowie bei Instationärvorgängen positiv auswirkt.
Die erfindungsgemäße Kombination von Brennkraftmaschine und Abgasturbolader eignet sich insbesondere für Lader, deren Abgasturbine mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet ist. In diesem Fall bezieht sich der turbinenspezifische Stopfdurchsatzparameter auf die maximale Öffnungsstellung der variablen Turbinengeometrie, bei der ein maximal möglicher Durchfluss durch die Turbine möglich ist. Die variable Turbinengeometrie ermöglicht nicht nur in der befeuerten Antriebsbetriebsweise, sondern im unbefeuerten Motorbremsbetrieb eine optimierte Betriebsweise. Im Motorbremsbetrieb wird die variable Turbinengeometrie in eine den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt reduzierende Staustellung versetzt, wodurch ein erhöhter Abgasgegendruck aufgebaut wird, gegen den die Brennkraftmaschine Ausschubarbeit verrichten muss.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, den Verdichter des Abgasturboladers mit einer variablen Verdichtergeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Verdichtereintrittsquerschnitts auszustatten. Über die Einstellung der variablen Verdichtergeometrie kann die Pumpgrenze im Verdichterkennfeld zugunsten kleinerer Massenströme verschoben werden, was für eine Steigerung der Ladedrücke bei niedrigen Motordrehzahlen ausgenutzt werden kann.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, welcher entsprechend der vorgenannten Beziehung für das Verhältnis von motorspezifischem Durchsatzparameter zu turbinenspezifischem Stopf- durchsatzparameter dimensioniert ist, wird der Ladedruck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine gemessen und das Bypassventil zur Umgehung der Abgasturbine für den Fall geöffnet, dass der Ladedruck einen Grenzwert überschreitet. Für diese, auf dem Ladedruck basierende Einstellung werden lediglich Drucksensoren im Ansaugtrakt stromab des Verdichters benötigt, darüber hinaus sind keine weiteren Sensoren erforderlich. Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Abgasturbine im Abgasstrang von einem Bypass überbrückt wird und
Fig. 2 ein Turbinendiagramm für die Abgasturbine mit der Darstellung des Durchsatzparameters durch die Turbine in Abhängigkeit des Druckverhältnisses über der Turbine .
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, ein Ottomotor oder eine Diesel-Brennkraftmaschine, ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, welcher eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst . Ein Turbinenrad der Abgasturbine 3 wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetrieben, wobei diese Drehbewegung über eine Welle auf ein Verdichterrad des Verdichters 5 übertragen wird, woraufhin unter Atmosphärendruck stehende Umgebungsluft angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird. Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 7 versehen, über die ein wirksamer Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen Staustellung und einer maximalen Öffnungsstellung zu verstellen ist. Die variable Turbinengeometrie 7 kann sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb zur Verbesserung des Betriebsverhaltens eingesetzt werden und in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine bzw. sonstiger, der Brennkraftmaschine zugeordneter Aggregate eingestellt werden. Der Verdichter 5 ist mit einer variablen Verdichtergeometrie 8 versehen, über die ebenfalls in Abhängigkeit diverser Zustande- und Betriebsgrößen der wirksame Verdichtereintritts- querschnitt veränderlich einzustellen ist. Die variable Verdichtergeometrie 8 erlaubt insbesondere eine Verschiebung der Pumpgrenze im Verdichterdiagramm zugunsten kleinerer Massenströme .
Die im Verdichter 5 komprimierte Verbrennungsluf wird stromab des Verdichters 5 einem Ladeluftkühler 9 zugeführt und anschließend unter dem Ladedruck p,s Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeleitet .
Im Abgasstrang 4 ist ein die Abgasturbine 3 überbrückender Bypass 10 angeordnet, welcher stromauf der Abgasturbine 3 vom Abgasstrang 4 abzweigt und stromab der Abgasturbine 3 wieder in den Abgasstrang einmündet. Im Bypass 10 ist ein einstellbares Bypassventil 11 angeordnet.
Stromab der Abgasturbine 3 befindet sich eine Abgasreinigungseinrichtung 12, insbesondere ein Katalysator und/oder ein Filter im Abgasstrang 4. Auch der Bypass 10 mündet in die Abgasreinigungseinrichtung 12.
Über eine Steuer- und Regeleinheit 13 werden sämtliche einstellbaren Aggregate der Brennkraf maschine in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen eingestellt, insbesondere die variable Turbinengeometrie 7, die variable Verdichtergeometrie 8 sowie das Bypassventil 11.
Gemäß einer alternativen Ausführung besitzt der Abgasturbolader 2 sowohl in seiner Abgasturbine 3 als auch im Verdichter 5 jeweils eine Festgeometrie. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Turbine 3 mit der variablen Turbinengeometrie 7 und den Verdichter 5 mit Festgeometrie auszustatten. Darüber hinaus kommt aber auch eine Ausführung mit der Abgasturbine 3 mit Festgeometrie und dem Verdichter 5 mit variabler Verdichtergeometrie 8 in Betracht .
Als Dimensionierungsregel für die Abgasturbine 3 wird das Verhältnis PHIMot,Nenn/PHIτ,stopf von einem motorspezifischen, gegebenen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn der das Gesamtschluckverhalten der Brennkraftmaschine in deren Nennpunkt bezeichnet, zu einem turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter PHIT,stopf der Abgasturbine herangezogen. Der turbinenspezifische Durchsatzparameter PHIT kann als Funktion des Abgasmassenstroms rh , der Abgastemperatur T3 und des Abgasgegendrucks p3 im Abgasstrang stromauf der Abgasturbine bzw. im Bereich des Turbineneingangs gemäß der Beziehung m^ PHI-, =
beschrieben werden; als Stopfdurchsatzparameter PHIT,stopf wird der sich bei dem überkritischen Turbinendruckverhältnis von 2,5 einstellende Wert für PHIT definiert. Das Verhältnis PHIMot/Nenn/PHIτ,stopf liegt in einem Wertebereich zwischen 1,05 und 1,50:
1 , 05 < PHIMot , Nenn/ HIT, stopf < 1 , 50 ,
wobei sowohl der untere oder der obere Grenzwert selbst als auch beliebige Zwischenwerte zwischen den genannten Grenzwerten in Betracht kommen, so zum Beispiel 1,1, 1,2, 1,3 oder 1,4. Die Abgasturbine wird in der Weise ausgelegt, dass die vorgenannte Beziehung unter Berücksichtigung eines gegebenen und bekannten motorspezifischen Durchsatzparameters PHIMo rNenn erfüllt ist. Bei einer Auslegung der Abgasturbine 3 gemäß der vorgenannten Dimensionierungsregel wird ein bestmöglicher Kompromiss erzielt zwischen dem Erfordernis nach einem klein bauenden Abgasturbolader einerseits, welcher ein spontanes Ansprechverhalten aufweist, und einem Abgasturbolader mit hohem Durchsatzvermögen andererseits, der in der Lage ist, hohe Leistungen zu erzeugen. Der Wertebereich zwischen 1,05 und 1,50 bezeichnet denjenigen Bereich, der oberhalb des turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameters PHIT, stopf und bei maximal geöffneter variabler Turbinengeometrie 7 durch ein Öffnen des Bypassventils 11 abgeleitet werden muss, um einen unzulässig hohen Anstieg des Abgasgegendrucks zu vermeiden.
Das in Fig. 2 dargestellte Turbinendiagramm zeigt beispielhaft eine AuslegungsStrategie für eine Abgasturbine. Eingezeichnet ist in Fig. 2 in der y-Achse der Durchsatzparameter PHIT/ welcher eine Maßzahl für den Abgasdurchsatz durch die Turbine darstellt, in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis πT( welches das Verhältnis des Abgasgegendrucks stromauf der Turbine zum entspannten Abgasdruck stromab der Turbine ausdrückt. Eingetragen sind in Fig. 2 verschiedene Kennlinien für den Durchsatzparameter PHIT, der sich gemäß der Beziehung
Figure imgf000010_0001
allgemein in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms m , der Abgastemperatur T3 und des Abgasdrucks p3 berechnet .
Eingezeichnet ist auch der turbinenspezifische Stopfdurchsatzparameter PHITιStopf der Abgasturbine 3, der einen oberen Grenzwert für die jeweilige, eingesetzte Abgasturbine 3 darstellt. Mit strichlierter Linie ist außerdem eine Motor- Volllast-Betriebslinie 14 eingetragen, deren unterer Ast entlang einer unteren Grenzlinie 16 verläuft, bei der die variable Turbinengeometrie 7 der Abgasturbine 3 in ihrer den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt minimierenden Staustellung steht. Mit ansteigender Last verlässt die Motor- Volllast-Betriebslinie 14 die untere Grenzlinie 16 und steigt bis zum Erreichen ihres Maximums beim motorspezifischen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn stark an. Hierbei durchstößt die Motor-Volllast-Betriebslinie den turbinenspezifischen Stopf- durchsatzparameter PHITιstop der Abgasturbine 3, der in Abhängigkeit der jeweils eingesetzten Abgasturbine 3 einen bestimmten, konstanten Wert einnimmt. Der turbinenspezifische Stopfdurchsatzparameter PHIT/St0pf stellt einen Grenzwert dar, welcher asymptotisch erreicht wird, wenn die variable Turbinengeometrie 7 in ihrer maximalen Öffnungsstellung steht, was in Fig. 2 mit der Kennlinie 17 gekennzeichnet ist.
Im Wertebereich zwischen dem turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter PHIT,stopf und dem darüber liegenden motorspezifischen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn ist die Abgasturbine 3 nicht mehr in der Lage, den erforderlichen Durchsatz von Abgas mit noch akzeptablen Abgasgegendruck zu gewährleisten. Die mit Bezugszeichen 15 in Fig. 2 bezeichnete Abblasemenge zwischen diesen beiden Parametern stellt den Überschuss dar, welcher mittels einer Öffnung des Bypassventils 11 über den Bypass 10 abgeblasen wird.
Die Einstellung sowohl der variablen Turbinengeometrie 7 als auch der variablen Verdichtergeometrie 8 und des Bypassventils 11 erfolgt auf Basis einer Druckregelung, wobei als zu messender Druck der Ladedruck p2,s im Ansaugtrakt 4 stromab des Verdichters 5 mittels geeigneter Drucksensoren ermittelt wird. Dieser Ladedruck p2,s stellt zugleich ein Maß für den aktuell herrschenden Abgasgegendruck dar, so dass bei einer Überschreitung eines Grenzwertes für den Ladedruck Maßnahmen zur Reduzierung des Abgasgegendruckes eingeleitet werden können, insbesondere eine Abblasung über den Bypass 10 und/oder eine Öffnung der variablen Turbinengeometrie 7.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Abgasturbine (3) im Abgasstrang (4) und dessen Verdichter (5) im Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei im Abgasstrang (4) ein die Abgasturbine (3) überbrückender Bypass (10) mit einem einstellbaren Bypassventil (11) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (3) in der Weise dimensioniert ist, dass das Verhältnis PHIMot,Nenn/PHIτ,stopf von einem gegebenen motorspezifischen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn/ der das Gesamtschluckverhalten der Brennkraftmaschine (1) in deren Nennpunkt bezeichnet, zu einem turbinenspezifischen Stopfdurch- satzparameter PHIτ,stopf der Abgasturbine (3) , der als Funktion des Abgasmassenstroms m , der Abgastemperatur T und des Abgasgegendrucks p3, der gemäß der Beziehung m PHIT =
bei einem vorgegebenen Turbinendruckverhältnis zu ermitteln ist, in folgendem Wertebereich liegt:
1 , 5 < PHIMoC / Nenn/ PHIτ, stopf < 1 0
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Turbinendruckverhältnis 2,5 beträgt. . Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine
(3) mit variabler Turbinengeometrie (7) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts ausgestattet ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfdurchsatzparameter PHIT,stopf auf die maximale Öffnungsstellung der variablen Turbinengeometrie (7) bezogen ist .
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) mit variabler Verdichtergeometrie (8) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Verdichtereintrittsquerschnitts ausgestattet ist.
6. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck (p2,s) im Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1) gemessen und für den Fall der Überschreitung eines Grenzwerts das Bypassventil (11) zur Umgehung der Abgasturbine (3) geöffnet wird.
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