WO2006032402A1 - Brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader und verfahren für eine brennkraftmaschine mit abgasturbolader - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader und verfahren für eine brennkraftmaschine mit abgasturbolader Download PDF

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WO2006032402A1
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combustion engine
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bypass
compressor
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Peter Fledersbacher
Siegfried Sumser
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a method for an internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1 and of claim 13.
  • an internal combustion engine is described with an exhaust gas turbocharger having an exhaust gas turbine and a compressor.
  • An additional, air-driven turbine is rotatably connected to the compressor.
  • the air-driven turbine can be supplied with combustion air via an adjustable blocking element.
  • the blocking element is set via a control signal generating control and regulating element.
  • For the air inlet of the air-driven turbine an upstream of the compressor in the intake manifold branching additional channel is provided, wherein the air supply is adjustable in the additional channel via the blocking member.
  • the blocking element is adjusted so that the air is supplied either to the compressor only or only to the air-driven turbine or both.
  • the speed of the exhaust gas turbocharger is already raised in the low load range so far that the compressor a significant Can produce compressor power or within a short time the speed of the exhaust gas turbocharger can be raised.
  • the rotational speed of the exhaust gas turbocharger is also maintained at a comparatively high level, in operating points with low load and low rotational speed. 1 of the internal combustion engine, in such a way that the transient behavior of the gas turbocharger is improved.
  • the intake air is preheated in front of the air-driven turbine, thereby reducing the pressure drop on the air-driven turbine in an efficiency-promoting manner.
  • the invention is based on the problem with simple means to further increase the turbine efficiency of the air-driven turbine in order to achieve an improved response of the exhaust gas turbocharger. Furthermore, it is the task of specifying a method for this purpose.
  • the internal combustion engine according to the invention comprises an exhaust gas turbocharger with an exhaust gas turbine and a compressor, wherein the compressor also constitutes an air-driven turbine and has a charge air cooler and a bypass for bypassing the charge air cooler.
  • the bypass offers the advantage in certain operating points to bypass the intercooler.
  • the internal combustion engine supplied combustion air at a certain temperature level in particular during operation of the air-driven turbine, are maintained. Due to the higher temperature level downstream of the air-driven turbine results in a pressure increase, whereby the air-driven turbine in a cheaper High-speed range is operable and the efficiency of the air-driven turbine is favored.
  • An advantageous further development of the internal combustion engine according to the invention represents the thermal insulation of the bypass of the intercooler.
  • a non-isolated bypass heat due to the heat transfer coefficient of the bypass line material from the combustion air through the bypass inner wall and bypass outside wall are discharged to the environment, whereby the combustion air cools.
  • Due to the thermal insulation of the bypass the combustion air within the bypass can keep their temperature as far as possible, so that the combustion air has almost the same temperature after exiting the air-driven turbine and / or after exiting the compressor and at the inlet to the cylinders of the internal combustion engine.
  • the insulation may, for example, be in the form of a sheath of the bypass.
  • the bypass input of the bypass near an outlet of the air-powered turbine in the intake tract and the bypass outlet of the bypass near intake valves of the internal combustion engine are provided in the intake tract.
  • An advantageous further development of the internal combustion engine according to the invention represents a first valve, which is vorgeselien between a bypass input of the bypass and the charge air cooler in the intake. Because of this - A -
  • the first valve is the bypassing of the charge air cooler of the combustion air regulated or controlled.
  • An advantageous further development of the internal combustion engine according to the invention provides a second valve which is provided between a bypass outlet of the bypass and the charge air cooler in the intake tract. Dxirch this second valve is a backflow of Verbrenirungs Kunststoff in the intercooler regularly or steuexbar.
  • the second valve is provided near the bypass outlet downstream of a junction of an exhaust gas recirculation line into the intake tract.
  • the additional channel in front of the air-driven turbine to a heat source may result in an increase in turbocharger efficiency due to the reduction of edge losses due to vane opening in front of a turbine wheel of the air driven turbine.
  • the heat source has heating wires. This form of heat source is easy to assemble and has a low energy requirement.
  • the heat source is electrically connected to a motor vehicle battery and is powered by this with energy. Due to this design, no additional energy source is needed.
  • the bypass is provided in a charge air cooler housing of the intercooler. It is also possible to provide the bypass at least partially in the charge air cooler housing of the intercooler.
  • the bypass has a total volume V By , which is smaller than a stroke volume V H
  • the boost pressure P2 downstream of the compressor is less than or equal to the pressure p Umg upstream of the compressor, at least a portion of the compressed combustion air bypasses the charge air cooler.
  • the first and second valves are closed or partially open. This case occurs essentially at low loads and low engine speeds.
  • the air-driven turbine is switched on and their efficiency can be increased due to the uncooled air (running speed increase), so that there is a speed increase of the exhaust gas turbocharger.
  • the combustion air is almost completely passed through the intercooler.
  • the first and second valves are fully open. This case occurs essentially in the middle and upper load and speed range of the internal combustion engine.
  • the air-driven turbine is out of operation and the combustion air is passed through the intercooler for cooling and thus to increase the efficiency of the internal combustion engine.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second
  • Fig. 3 is a partial sectional view of a compressor with an air-driven turbine and an additional channel with preheating.
  • the same components or the same components are provided with the same reference numerals.
  • An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 which may be both a gasoline engine and a diesel engine, comprises an exhaust gas turbocharger 2 with an exhaust gas turbine 3 in an exhaust line 4 of the internal combustion engine 1 and a compressor 5 in an intake tract 6 of the internal combustion engine 1 for generating compressed combustion air ,
  • the internal combustion engine 1 has a stroke volume V H , which results from the addition of stroke volume V H , z of the cylinder of the internal combustion engine 1, not shown.
  • the exhaust gas turbine 3 is driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine 1.
  • the rotation of a not-shown turbine wheel of the exhaust gas turbine 3 is transmitted via a rotatably connected to the turbine shaft 7 to a compressor 3 shown in detail in Fig. 3 compressor 51 of the compressor 5, which is also rotatably connected to the shaft 7.
  • a compressor 3 shown in detail in Fig. 3 compressor 51 of the compressor 5 which is also rotatably connected to the shaft 7.
  • combustion air is sucked in at a pressure p Umg from the environment of the compressor 5 and compressed to a higher pressure p 2 .
  • the compressor 5 has an upstream air-driven turbine 8 with an additional duct 9 arranged upstream of the compressor inlet 5a of the compressor 5 shown in FIG.
  • the compressor 5 can also take over the function of the air-driven turbine and according to the flow of the Compressor 51 are operated in a cold air turbine mode.
  • the additional channel 9 opens directly into the compressor inlet 5a shown in more detail in FIG. 3 in the region of the compressor wheel 51 of the compressor 5 shown in more detail in Fig. 3 in the additional channel 9 is optionally a heat source 10 is arranged as an electrical heater, for example in the form of heating wires 45 is formed.
  • the heat source 10 is connected to a power source 10a.
  • the power source 10a may be a motor vehicle battery.
  • the heat source 10 can also be controlled or regulated via a regulating and control unit 13 of the internal combustion engine 1.
  • the heat source 10 may also be designed as a heat exchanger.
  • the temperature of the combustion air upstream of the air driven turbine 8 can be raised, so that the power of the air driven turbine 8 increases, since the power of the air driven turbine 8 increases in proportion to the turbine inlet temperature of the combustion air, provided that the turbine efficiency and the pressure ratio are kept constant. Since the power of the air-driven turbine 8 increases, there is an increase in the rotational speed of the air-driven turbine 8. Due to the connection of the air-driven turbine 8 with the compressor 5 results in an increase in the speed of the exhaust gas turbocharger 2. In addition to the positive effect on the response of the exhaust gas turbocharger 2, this device is also advantageous in terms of the efficiency of the internal combustion engine 1 during a cold start. Furthermore, it also results for the operating range of the internal combustion engine 1 at low loads as a result of the air preheating a performance advantage of the exhaust gas turbine 3, since the power of an exhaust gas turbine increases in proportion to the turbine inlet temperature of the exhaust gas.
  • the combustion air is conducted from the environment into the intake tract 6 and first cleaned in an air filter 11. Downstream of the air filter 11, an air flow meter or air mass meter 12 is arranged, with which the air flow rate is measured.
  • the measured air flow rate is supplied as an information signal of the control and control unit 13 of the internal combustion engine 1.
  • a blocking member 14 is disposed in the intake tract 6, can be distributed over the sucked combustion air proportionally to the additional channel 9 and a line section 15 between the locking member 14 and compressor 5.
  • the blocking member 14 can also be adjusted in such a way that the additional channel 9 is completely blocked and the entire combustion air is passed completely through the line section 15 in the compressor 5 or that the line section 15 is locked and the entire combustion air passed only through the additional channel 9 and the compressor 5 is running in the cold air turbine mode.
  • a charge air cooler 16 Downstream of the compressor 5, a charge air cooler 16 is arranged in the intake tract 6.
  • a bypass 20 is provided with a bypass input 21 downstream of the compressor 5 and upstream of the intercooler 16 and with a bypass outlet 22 downstream of the intercooler 16 in the intake manifold 6.
  • the insulation 35 of the bypass 20 results in a further reduction of the heat loss.
  • the insulation may be in the form of a sheath of the bypass 20.
  • the bypass 20 may also be provided in an intercooler housing not shown in detail of the intercooler 16 or on the intercooler housing of the charge air cooler 16.
  • Advantage of this embodiment is the compact arrangement of the internal combustion engine. 1
  • bypass input 21 immediately after the compressor 5 and the bypass outlet 22 would be formed directly in front of intake ports of the internal combustion engine.
  • the bypass input is 21 as close to the compressor 5 and downstream of the compressor 5 and the bypass outlet 22 as close as possible to the intake ports of the internal combustion engine 1 and formed upstream of the intake ports of the internal combustion engine 1. This arrangement of bypass input 21 and bypass output 22 results in the lowest possible heat loss of the combustion air.
  • the configuration of the bypass 20 is to be carried out so that both the length and the diameter of the bypass 20 are dimensioned as small as possible.
  • This small dimensioning results in a small volume between the compressor 5 of the internal combustion engine 1 and the intake valves of the internal combustion engine 1, whereby the response of the exhaust gas turbocharger 2 can be improved in the transition from the engine mode with air-driven turbine 8 to the supercharged engine operation.
  • the Gesatntvolumen the bypass 20 V By should be smaller than the stroke volume of a not-shown cylinder V H , z of the internal combustion engine 1 dimensioned.
  • a first valve 23 is arranged in the intake tract 6, via which the compressed combustion air can be proportionally distributed to the bypass 20 and the charge air cooler 16.
  • the first valve 23 may be set, for example, in such a way that the entire combustion air is only passed through the bypass 20 or that, for example, the bypass 20 is completely blocked and the combustion air is passed only through the charge air cooler 16.
  • a second valve 24 is arranged in the intake tract 6. Through this second valve 24, a possible backflow of the combustion air into the intercooler 16 can be prevented.
  • an exhaust gas recirculation line 25 with an exhaust gas recirculation valve 26 and an exhaust gas recirculation cooler 27 is provided upstream of the exhaust line 3.
  • the exhaust gas recirculation valve 26 is disposed upstream of the exhaust gas recirculation cooler 27 in the exhaust gas recirculation line 25.
  • the exhaust gas recirculation line 25 connects the exhaust gas line 4 with the intake tract 6 in such a way that the exhaust gas return line 25 between the second valve 24 and the bypass outlet 22 opens into the intake tract 6 at a junction 25a.
  • the second valve 24 can also be arranged in the immediate vicinity of the bypass outlet downstream of the junction 25 a of the exhaust gas return line 25 into the intake tract 6. With this arrangement, no combustion air can enter the exhaust gas return line 25 due to backflow when the valve 24 is closed. Thus, the volume of Ansaugtrakites 6 between the first valve 23 and the second valve 24 and the exhaust gas recirculation line 25 are shut down for the flow of combustion air, which may result in a volume reduction of the combustion air required in certain operating points of more than 80%.
  • the exhaust gas turbine 3 has a blow-off line 28 with a controllable blow-off valve 29.
  • the blow-off line 28 branches off upstream of the exhaust gas turbine 3 from the exhaust line 4 and flows downstream of the exhaust gas turbine 3 back into the exhaust line 4.
  • it can also be an exhaust turbine with variable turbine geometry in the exhaust turbine 3.
  • a catalyst 30 for cleaning the exhaust gas of the internal combustion engine 1 in the exhaust gas 4 is provided downstream of the exhaust gas turbine 3 and downstream of the junction of the Abblasele ⁇ tung 28 in the exhaust line 4.
  • the valves to be controlled 23, 24, exhaust gas recirculation valve 26 and blow-off valve 29, the heat source 10 and the blocking member 14 are, as well as the air flow meter or the air mass meter 12, connected to the control and control device 13 of the Brennkraftmascriine 1 and can be controlled and regulated by this become.
  • the first and second valves 23, 24 are formed as self-regulating control devices.
  • first and the second valve 24 each have a membrane-enclosed space 40, 41. In this space 40 and 41, a certain amount of combustion air with the boost pressure p 2 is introduced via a line 42 and 43, respectively.
  • the first valve 23 and the second valve 24 can be controlled in uncomplicated manner in each case via a spring, not shown.
  • the first and the second valve 23, 24 may also be connected to the control and control unit 13 and controlled or regulated by this operating point dependent.
  • ⁇ valve 24 is closed when valve 23 is opened.
  • the combustion air is in the event that the boost pressure p 2 is less than the Umgetoungstik pu m g / at least partially or completely passed to the intercooler 16 past. Furthermore, if the charge pressure p 2 exceeds the ambient pressure p Um g, the lacquer air is conducted completely through the charge air cooler 16.
  • FIG. 2 a second embodiment of the invention of the internal combustion engine 1 according to FIG. 1 is shown.
  • the first valve 23 is dispensed with. If the second valve 24 is closed, the combustion air flows through the bypass 20.
  • the second valve 24 is, as shown in FIG. 1, designed to be self-regulating. Likewise, the second valve 24 can be controlled or regulated via the control and regulation unit 13.
  • the heat source 10 is formed by heating wires 45 in bundled form, which are powered by a current source 10a.
  • the heat source 10 is in the additional channel 9 before air-driven turbine 8 is provided.
  • the heat source 10 is supported by a spring element 57 via a spring-loaded shut-off 53.
  • the shut-off element 53 receives a guide grid 54 and is mounted: Lm compressor 5 in the compressor housing 56 via a bearing 55.
  • the heat source 10 is arranged on the shut-off element 53, between the bearing 55 of the shut-off element 53 and a web 58 carrying the spring element 57.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbine (3) in einem Abgasstrang (4) und einen Verdichter (5) zur Erzeugung komprimierter Verbrennungsluft in einem Ansaugtrakt (6) umfasst, wobei der Verdichter (5) auch eine luftgetriebene Turbine (8) mit einem Zusatzkanal (9) darstellt und einen Ladeluftkühler (16) zum Kühlen der komprimierten Verbrennungsluft aufweist. Erfindungsgemäss ist zur Umgehung des Ladeluftkühlers (16) stromab des Verdichters (5) im Ansaugtrakt (6) ein Bypass (20) vorgesehen. Die Erfindung wird überwiegend im Personenkraftwagenbau eingesetzt.

Description

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Verfahren für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und ein Verfahren für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 13.
In der gattungsgemäßen Patentschrift DE 199 55 508 Cl ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, der eine Abgasturbine und einen Verdichter aufweist. Eine zusätzliche, luftgetriebene Turbine ist mit dem Verdichter drehfest verbunden. Der luftgetriebenen Turbine ist über ein einstellbares Sperrorgan Verbrennungsluft zuführbar. Das Sperrorgan wird über ein Stellsignal erzeugendes Regel- und Steuerelement eingestellt. Zum Lufteinlass der luftgetriebenen Turbine ist ein stromauf des Verdichters im Ansaugtrakt abzweigender Zusatzkanal vorgesehen, wobei die Luftzufuhr in den Zusatzkanal über das Sperrorgan einstellbar ist. Je nach Lastbereich wird das Sperrorgan so eingestellt, dass die Luftzufuhr entweder nur zum Verdichter oder nur zur luftgetriebenen Turbine oder zu beiden erfolgt . Dadurch wird die Drehzahl des Abgasturboladers bereits im niedrigen Lastbereich soweit angehoben, dass der Verdichter eine nennenswerte Verdichterleistung erzeugen kann beziehungsweise innerhalb kurzer Zeit die Drehzahl des Abgasturboladers angehoben werden kann. Dies ermöglicht, dass sich der gewünschte Ladedruck rasch einstellen, kann. Die Drehzahl des Abgasturboladers wird auch, in Betriebspunkten mit niedriger Last und niedriger Drehzah.1 der Brennkraftmaschine auf einem vergleichsweise hohen Niveau gehalten, derart, dass das transiente Verhalten des A±»gasturboladers verbessert wird. Zur Erhöhung des Ladedruck.es stromauf der luftgetriebenen Turbine wird die Ansauglufft vor der luftgetriebenen Turbine vorgewärmt, wodurch das Dr-uckgefälle an der luftgetriebenen Turbine wirkungsgradbegünstigend reduziert wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Mitteln den Turbinenwirkungsgrad der luftgetriebenen Turbine weiter anzuheben, um ein verbessertes Ansprechverhalten des Abgasturboladers zu erzielen. Ferner ist es Aufgabe hierfür ein Verfahren anzugeben.
Dieses Problem wird erfinclungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 13 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter, wobei der Verdichter auch eine luftgetriebene Turbine darstellt und einen Ladelmftkühler sowie einen Bypass zur Umgehung des Ladeluftkühlers aufweist . Der Bypass bietet den Vorteil in bestimmten Betriebspunkten den Ladeluftkühler zu umgehen. Somit kann die der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft auf einem bestimmten Temperaturniveau, insbesondere im Betrieb der luftgetriebenen Turbine, gehalten werden. Infolge des höheren Temperaturniveaus stromab der luftgetriebenen Turbine ergibt sich eine Druckanhebung, wodurch die luftgetriebene Turbine in einem günstigeren Schnelllaufzahlbereich betreibbar ist und der Wirkungsgrad der luftgetriebenen Turbine begünstigt wird.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine stellt die Wärmeisolation des Bypasses des Ladeluftkühlers dar. Bei einem nicht isolierten Bypass kann aufgrund des Wärmeübergangskoeffizienten des Bypassleitungsmaterials Wärme von der Verbrennungsluft über die BypassInnenwand und Bypassaussenwand an die Umgebung abgegeben werden, wodurch die Verbrennungsluft abkühlt. Durch die Wärmeisolation des Bypasses kann die Verbrennungsluft innerhalb des Bypasses ihre Temperatur weitestgehend halten, so dass die Verbrennungsluft nach dem Austritt aus der luftgetriebenen Turbine und/oder nach dem Austritt aus dem Verdichter und am Eintritt in die Zylinder der Brennkraftmaschine nahezu die gleiche Temperatur aufweist . Die Isolation kann zum Beispiel in Form einer Ummantelung des Bypasses dargestellt sein.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ±st der Bypasseingang des Bypasses nahe einem Austritt der ILuftgetriebenen Turbine im Ansaugtrakt und der Bypassausgang <des Bypasses nahe Einlassventilen der Brennkraftmaschine im Ansaugtrakt vorgesehen. Durch diese Anordnung wird, die Möglichkeit des Temperaturverlustes der Verbrennungsluft infolge einer Durchströmung von nicht isolierten Leitungen im Ansaugtrakt gering gehalten.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine stellt ein erstes Ventil dar, welches zwischen einem Bypasseingang des Bypasses und dem Ladeluftkühler im Ansaugtrakt vorgeselien ist. Durch dieses - A -
erste Ventil wird die Bypassierung des LadeluftZkühlers der Verbrennungsluft regel- beziehungsweise steuerbar.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine stellt ein zweites Ventil daur, welches zwischen einem Bypassausgang des Bypasses und dem Ladeluftkühler im Ansaugtrakt vorgesehen ist. Dxirch dieses zweite Ventil wird ein Rückströmen von Verbrenirungsluft in den Ladeluftkühler regel- beziehungsweise steuexbar.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist das zweite Ventil in nahe dem Bypassausgang stromab einer Einmündung einer Abgasrückführleitung in den Ansaugtrakt vorgesehen. Durch diese Positionierung des zweiten Ventils kann auch die Abgasrückführleitung bei geschlossenem zweiten Ventil nicht mehr von zurückströmender Verbrennungsluft durchströmt werden. Eine Volumenreduzierung der benötigten Verbrennungsluft kann dabei in bestimmten Betriebspunkten etwa 80% betragen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist der Zusatzkanal vor der luftgetriebenen Turbine eine Wärmequelle auf. Die Erwärmung der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die luftgetriebene Turbine kann eine Erhöhung des Turboladerwirkungsgrades infolge der Reduktion von Randverlusten durch ein Leitgitteröffnen vor einem Turbinenrad der luftgetriebenen Turbine ergeben..
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist die Wärmequelle Heizdrähte auf. Diese Form der Wärmequelle lässt sich einfach montieren und weist einen geringen Energiebedarf auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die Wärmequelle mit einer Kraftfahrzeugbatterie elektrisch verbunden und wird von dieser mit Energie gespeist. Aufgrund dieser Ausführung wird keine zusätzliche Energiequelle benötigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Bypass in einem Ladeluftkühlergehäuse des Ladeluftkühlers vorgesehen. Es ist auch möglich den Bypass zumindest teilweise in dem Ladeluftkühlergehäuse des Ladeluftkühlers vorzusehen. Der Vorteil dieser Ausführungsformen ist ein kompaktes Bauteil, wodurch der benötigte Bauraum der Brennkraftmaschine verringert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung besitzt der Bypass ein Gesamtvolumen VBy, das kleiner ist als ein Hubvolumen VH|z eines Zylinders der Brennkraftmaschine. Bei einem Lastsprung der Brennkraftmaschine ist dieses Bypassvolumen in einem vernachlässigbaren Zeiraum durch die von dem Verdichter gelieferte komprimierte Verbrennungsluft auffüllbar, so dass das Instationärverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden kann.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach Anspruch L 3 wird in den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, in denen. der Ladedruck P2 stromab des Verdichters kleiner oder gleich dem Druck pUmg stromauf des Verdichters ist, mindestens ein Teil der komprimierten Verbrennungsluft am Ladeluftkühler vorbeigeleitet. In diesen Betriebspunkten sind das erste uncL das zweite Ventil geschlossen oder teilweise geöffnet. Dieser Fall tritt im Wesentlichen bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine auf. In den Betriebspunkten niedriger Last und niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine ist die luftgetriebene Turbine zugeschaltet und ihr Wirkungsgrad kann aufgrund der ungekühlten Luft erhöht werden (Laufzahl-Erhöhung) , so dass sich daraus eine Drehzahlerhöhung des Abgasturboladers ergibt. Des Weiteren wird in den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine in denen der Ladedruck p2 stromab des Verdichters größer ist als der Druck pUmg stromauf des Verdichters die Verbrennungsluft nahezu vollständig durch den Ladeluftkühler geleitet. In diesen Betriebspunkten sind das erste und das zweite Ventil vollständig offen. Dieser Fall tritt im Wesentlichen im mittleren und oberen Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine auf. In diesem Fall ist die luftgetriebene Turbine außer Betrieb und die Verbrennungsluft wird zur Kühlung und damit zur Wirkungsgradsteigerung der Brennkraftmaschine durch den Ladeluftkühler geleitet .
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Bypassierung eines Ladeluftkühlers,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Bypassierung des Ladeluftkühlers und
Fig. 3 eine teilweise Schnittdarstellung eines Verdichters mit einer luftgetriebenen Turbine und einem Zusatzkanal mit Vorwärmung. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind gleiche Bauteile beziehungsweise gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, die sowohl ein Ottomotor als auch ein Dieselmotor sein kann, umfasst einen Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 in einem Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine 1 und einen Verdichter 5 in einem Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine 1 zur Erzeugung komprimierter Verbrennungsluft. Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Hubvolumen VH auf, das sich aus der Addition von Hubvolumen VH,z der nicht näher dargestellten Zylinder der Brennkraftmaschine 1 ergibt.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird die Abgasturbine 3 von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetrieben. Die Rotation eines nicht näher dargestellten Turbinenrades der Abgasturbine 3 wird über eine drehfest mit dem Turbinenrad verbundene Welle 7 auf ein in Fig. 3 näher dargestelltes Verdichterrad 51 des Verdichters 5 übertragen, welches ebenfalls drehfest mit der Welle 7 verbunden ist. Durch die Rotation des Verdichterrades 51 wird Verbrennungsluft mit einem Druck pUmg aus der Umgebung von dem Verdichter 5 angesaugt und auf einen höheren Druck p2 verdichtet .
Zur Verbesserung des transienten Betriebsverhaltens des Abgasturboladers 2 weist der Verdichter 5 eine vorgeschaltete luftgetriebene Turbine 8 mit einem stromauf des in Fig. 3 dargestellten Verdichtereintritts 5a des Verdichters 5 angeordneten Zusatzkanal 9 auf. Beispielsweise kann der Verdichter 5 auch die Funktion der luftgetriebenen Turbine übernehmen und entsprechend der Anströmung des Verdichterrades 51 in einer Kaltluft-Turbinenbetriebsweise betrieben werden. Der Zusatzkanal 9 mündet unmittelbar in den in Fig. 3 näher dargestellten Verdichtereinlass 5a im Bereich des in Fig. 3 näher dargestellten Verdichterrades 51 des Verdichters 5. Im Zusatzkanal 9 ist optional eine Wärmequelle 10 angeordnet, die als elektrische Heizung zum Beispiel in Form von Heizdrähten 45 ausgebildet ist. Die Wärmequelle 10 ist mit einer Stromquelle 10a verbunden. Über ein elektronisches Element 10b, welches innerhalb der Wärmequelle 10 angeordnet ist, ist die Wärmestromabgabe der Wärmequelle 10 an die Verbrennungsluft Steuer- beziehungsweise regelbar. Die Stromquelle 10a kann eine Kraftfahrzeugbatterie sein. Die Wärmequelle 10 kann auch über eine Regel- und Steuereinheit 13 der Brennkraftmaschine 1 gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Die Wärmequelle 10 kann auch als Wärmetauscher ausgebildet sein.
Mit Hilfe der Wärmequelle 10 kann die Temperatur der Verbrennungsluft stromauf der luftgetriebenen Turbine 8 angehoben werden, so dass die Leistung der luftgetriebenen Turbine 8 steigt, da die Leistung der luftgetriebenen Turbine 8 proportional zur Turbineneintrittstemperatur der Verbrennungsluft ansteigt, unter der Voraussetzung, dass der Turbinenwirkungsgrad und das Druckverhältnis konstant gehalten sind. Da die Leistung der luftgetriebenen Turbine 8 steigt, ergibt sich eine Erhöhung der Drehzahl der luftgetriebenen Turbine 8. Infolge der Verbindung der luftgetriebenen Turbine 8 mit dem Verdichter 5 ergibt sich eine Anhebung der Drehzahl des Abgasturboladers 2. Neben der positiven Auswirkung auf das Ansprechverhalten des Abgasturboladers 2 ist diese Vorrichtung auch in Bezug auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 bei einem Kaltstart vorteilhaft. Des Weiteren ergibt sich auch für den Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 bei niedrigen Lasten infolge der Luftvorwärmung ein Leistungsvorteil der Abgasturbine 3, da die Leistung einer Abgasturbine proportional zur Turbineneintrittstemperatur des Abgases ansteigt.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird die Verbrennungsluft aus der Umgebung in den Ansaugtrakt 6 geleitet und zunächst in einem Luftfilter 11 gereinigt. Stromab des Luftfilters 11 ist ein Luftmengenmesser oder Luftmassenmesser 12 angeordnet, mit dem der Luftdurchsatz gemessen wird. Der gemessene Luftdurchsatz wird als Informationssignal der Regel- und Steuereinheit 13 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Weiterhin ist im Ansaugtrakt 6 stromauf des Verdichters 5 ein Sperrorgan 14 angeordnet, über das angesaugte Verbrennungsluft anteilig auf den Zusatzkanal 9 und einen Leitungsabschnitt 15 zwischen Sperrorgan 14 und Verdichter 5 verteilt werden kann. Das Sperrorgan 14 kann auch in der Weise eingestellt werden, dass der Zusatzkanal 9 vollständig gesperrt ist und die gesamte Verbrennungsluft vollständig durch den Leitungsabschnitt 15 in den Verdichter 5 geleitet wird oder dass der Leitungsabschnitt 15 gesperrt ist und die gesamte Verbrennungsluft nur durch den Zusatzkanal 9 geleitet wird und der Verdichter 5 in der Kaltluft- Turbinenbetriebsweise läuft.
Stromab des Verdichters 5 ist ein Ladeluftkühler 16 im Ansaugtrakt 6 angeordnet. Zur Umgehung des Ladeluftkühlers 16 ist ein Bypass 20 mit einem Bypasseingang 21 stromab des Verdichters 5 und stromauf des Ladeluftkühlers 16 und mit einem Bypassausgang 22 stromab des Ladeluftkühlers 16 im Ansaugtrakt 6 vorgesehen. Durch die Umgehung des Ladeluftkühlers 16 können die thermodynamisehen Größen Druck p2 und Temperatur T2 der Verbrennungsluft stromab der luftgetriebenen Turbine 8 weitestgehend aufrecht erhalten werden. In den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 mit der luftgetriebenen Turbine 8, dies sind die Betriebspunkte bei niedriger Last und niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine, ist eine Erhöhung des Druckes p2 und der Temperatur T2 stromab der luftgetriebenen Turbine 8 erwünscht, da sich hieraus eine Steigerung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers 2 aufgrund der Anhebung der Schnell- Laufzahl und damit eine Verbesserung des
Instationärverhaltens des Abgasturboladers 2 ergibt. Die Steigerung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers 2 aufgrund des höheren Ladedruckes p2 und der höheren Ladelufttemperatur T2 erfolgt erstens durch eine erhöhte Abgastemperatur, die direkt auf das Enthalpiegefälle an der Abgasturbine 3 wirkt und zweitens durch die Wirkungsgraderhöhung der luftgetriebenen Turbine 8.
Damit der Wärmeverlust im Bypass 20 gering gehalten wird, sind als Werkstoffe der Bypassleitung Werkstoffe mit einem geringen Wärmeübergangskoeffizienten einzusetzen. Eine Isolierung 35 des Bypasses 20 ergibt eine weitere Reduktion des Wärmeverlustes. Die Isolierung kann zum Beispiel die Form einer Ummantelung des Bypasses 20 aufweisen.
Der Bypass 20 kann auch in einem nicht näher dargestellten Ladeluftkühlergehäuse des Ladeluftkühlers 16 oder an dem Ladeluftkühlergehäuse des Ladeluftkühlers 16 vorgesehen sein. Vorteil dieser Ausführung ist die kompakte Anordnung der Brennkraftmaschine 1.
Idealerweise wäre der Bypasseingang 21 unmittelbar nach dem Verdichter 5 und der Bypassausgang 22 unmittelbar vor Einlasskanälen der Brennkraftmaschine ausgebildet. In einer realistischen Ausbildungsform ist der Bypasseingang 21 möglichst nahe am Verdichter 5 und stromab des Verdichters 5 und der Bypassausgang 22 möglichst nahe zu den Einlasskanälen der Brennkraftmaschine 1 und stromauf der Einlasskanäle der Brennkraftmaschine 1 ausgebildet. Durch diese Anordnung von Bypasseingang 21 und Bypassausgang 22 ergibt sich ein möglichst geringer Wärmeverlust der Verbrennungsluft.
Des Weiteren ist die Ausgestaltung des Bypasses 20 so durchzuführen, dass sowohl die Länge als auch der Durchmesser des Bypasses 20 möglichst klein dimensioniert sind. Durch diese kleine Dimensionierung ergibt sich ein kleines Volumen zwischen dem Verdichter 5 der Brennkraftmaschine 1 und den Einlassventilen der Brennkraftmaschine 1, wodurch sich das Ansprechverhalten des Abgasturboladers 2 im Übergang von der Motorbetriebsweise mit luftgetriebener Turbine 8 zur aufgeladenen Motorbetriebsweise verbessern lässt. Das Gesatntvolumen des Bypasses 20 VBy sollte kleiner als das Hubvolumen eines nicht näher dargestellten Zylinders VH,z der Brennkraftmaschine 1 dimensioniert werden.
Zwischen dem Bypasseingang 21 und dem Ladeluftkühler 16 ist im Ansaugtrakt 6 ein erstes Ventil 23 angeordnet, über das die verdichtete Verbrennungsluft anteilig auf den Bypass 20 und den Ladeluftkühler 16 verteilt werden kann. Das erste Ventil 23 kann zum Beispiel in der Weise eingestellt sein, dass die gesamte Verbrennungsluft nur durch den Bypass 20 geleitet wird oder dass beispielsweise der Bypass 20 vollständig gesperrt ist und die Verbrennungsluft nur durch den Ladeluftkühler 16 geleitet wird.
Zwischen dem Ladeluftkühler 16 und dem Bypassausgang 22 ist im Ansaugtrakt 6 ein zweites Ventil 24 angeordnet. Durch dieses zweite Ventil 24 kann ein eventuelles Rückströmen der Verbrennungsluft in den Ladeluftkühler 16 verhindert werden. Im Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine 1 ist stromauf der Abgasturblne 3 eine Abgasrückführleitung 25 mit einem Abgasrückfführventil 26 und einem Abgasrückführkühler 27 vorgesehen. Das Abgasrückführventil 26 ist stromauf des Abgasrückfführkühlers 27 in der Abgasrückführleitung 25 angeordnet. Die Abgasrückführleitung 25 verbindet den Abgasstrang 4 mit dem Ansaugtrakt 6 derart, dass die Abgasrückfführleitung 25 zwischen dem zweiten Ventil 24 und dem Bypassausgang 22 in den Ansaugtrakt 6 an einer Einmündung 25a mündet . Das zweite Ventil 24 kann ebenso in nächster Nähe zum Bypassausgang stromab der Einmündung 25a der Abgasrückfführleitung 25 in den Ansaugtrakt 6 angeordnet sein. Bei dieser Anordnung kann bei geschlossenem Ventil 24 keine Verbrennungsluft aufgrund von Rückströmung in die Abgasrückfführleitung 25 gelangen. Damit kann das Volumen des Ansaugtrakites 6 zwischen dem ersten Ventil 23 und dem zweiten Ventil 24 und die Abgasrückführleitung 25 für die Strömung der Verbrennungsluft stillgelegt werden, wodurch sich eine Volumenreduktion der in bestimmten Betriebspunkten benötigten Verbrennungsluft von mehr als 80% ergeben kann.
Die Abgasturbine 3 weist eine Abblaseleitung 28 mit einem regelbaren Abblaseventil 29 auf. Die Abblaseleitung 28 zweigt stromauf «der Abgasturbine 3 vom Abgasstrang 4 ab und mündet stromab der Abgasturbine 3 wieder in den Abgasstrang 4. Beispielsweise kann es sich bei der Abgasturbine 3 auch um eine Abgasturbine mit veränderlicher Turbinengeometrie handeln.
Stromab der Abgasturbine 3 und stromab der Einmündung der Abblaseleάtung 28 in den Abgasstrang 4 ist ein Katalysator 30 zur Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine 1 im Abgasstraxig 4 vorgesehen. Die zu regelnden Ventile 23, 24, Abgasrückführventil 26 und Abblaseventil 29, die Wärmequelle 10 und das Sperrorgan 14 sind, wie auch der Luftmengenmesser beziehungsweise der Luftmassenmesser 12, an die Regel- und Steuereinrichtung 13 der Brennkraftmascriine 1 angeschlossen und können von dieser gesteuert und geregelt werden.
In Fig. 1 sind das erste und zweite Ventil 23, 24 als selbstregelnde Steuervorrichtungen ausgebildet. Die Ventile
23 und 24 weisen je einen membranumschlossenen Raum 40, 41 auf. In diesem Raum 40 und 41 wird über eine Leitung 42 beziehungsweise 43 eine bestimmte Verbrennungsluftmenge mit dem Ladedruck p2 eingeleitet. In Abhängigkeit von dem aktuellen Ladedruck p2 sind das erste Ventil 23 und das zweite Ventil 24 in umkomplizierter Weise jeweils über eine nicht näher dargestellte Feder regelbar. Ebenso können das erste und das zweite Ventil 23, 24 auch an die Regel- und Steuereinheit 13 angeschlossen sein und von dieser betriebspunktabhängig gesteuert beziehungsweise geregelt werden.
Bei der Betriebswelse des ersten und des zweiten Ventils 23,
24 ist eine simultane, gegenläufige Schaltfolge denkbar. So wird zum Beispiel <das Ventil 24 geschlossen, wenn das Ventil 23 geöffnet wird.
Ebenso ist eine nichtsimultane Schaltfolge denkbar. So könnte beim Vorgang des Amfbaus des Ladedrucks vorteilhaft der Zeitpunkt des Schließens des Ventils 23 nach dem Öffnungszeitpunkt des Ventils 24 liegen. Durch diese Schaltfolge ist eine Dämpfung beziehungsweise Verzögerung des Auffüllvorganges des im Betrieb der luftgetriebenen Turbine 8 stillgelegten Ansaiαgtraktes 6 im Bereich des Ladeluftkühlers 16 mit Verbrennungsluft erzielbar, wodurch sich das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 1 verbessern lässt. Das heißt, dass die Verbrennungsluft bis zu einem bestimmten Druck p2 durch den Bypass 20 strömt und nach Erreichen des bestimmten Druckes p2 der* Bypass 20 durch Öffnen des ersten Ventils 23 stillgelegt w±rd, wobei die gesamte Verbrennungsluft durch den Ladeluftkühler 16 strömt.
Die Verbrennungsluft wird für den Fall, dass der Ladedruck p2 kleiner ist als der Umgetoungsdruck pumg/ mindestens teilweise oder auch vollständig am Ladeluftkühler 16 vorbei geleitet. Des Weiteren wird die Lacäeluft, sofern der Ladedruck p2 den Umgebungsdruck pUmg übersteigt, vollständig durch den Ladeluftkühler 16 geleitet.
In Fig 2. ist ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 entsprechend Fig. 1 dargestellt. In dieser Variante wird auf das erste Ventil 23 verzichtet. Ist das zweite Ventil 24 geschlossen, strömt die Verbrennungsluft durch den Bypass 20. Das zweite Ventil 24 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, selbstregelnd ausgeführt. Ebenso kann das zweite Ventil 24 über die Steuer- und Regeleinheit 13 steuerbar beziehungsweise regelbar sein. Durch eine bestimmte Querschnittsauslegung des Bypasses 20 und seiner Druckverlustcharakteristik wird der Anteil der Verbrennungsluft, der nicht durch den Ladeluftkühler 16 geleitet werden soll, festgelegt.
In Fig. 3 ist der Verdichter 5, der auch als luftgetriebene Turbine 8 arbeiten kann, mit dem Zusatzkanal 9 mit der Wärmequelle 10 dargestellt. In dieser Ausführung wird die Wärmequelle 10 von HeizcLrähten 45 in gebündelter Form gebildet, die über eine Stromquelle 10a mit Energie versorgt werden. Die Wärmequelle 10 ist im Zusatzkanal 9 vor der luftgetriebenen Turbine 8 vorgesehen. Die Wärmequelle 10 wird von einem über ein Federelement 57 federbeaufschlagtes Absperrelement 53 getragen. Das Absperrelement 53 nimmt ein Leitgitter 54 auf und ist :Lm Verdichter 5 im Verdichtergehäuse 56 über eine Lagerung 55 gelagert. Die Wärmequelle 10 ist auf dem Absperrelement 53, zwischen der Lagerung 55 des Absperrelementes 53 und einem das Federelement 57 tragenden Steg 58 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der eine Abgasturbine (3) in einem Abgasstrang (4) und einen Verdichter (5) zur Erzeugung komprimierter Verbrennungsluft in einem Ansaugtrakt (6) umfasst, wobei der Verdichter (5) auch eine luftgetriebene Turbine (8) mit einem Zusatzkanal (9) darstellt und mit einem Ladeluftkühler (16) zum Kühlen der komprimierten Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umgehung des Ladeluftkühlers (16) stromab des Verdichters (5) im Ansaugtrakt (6) ein Bypass (20) vorgesehen ist .
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (20) wärmeisoliert ausgeführt ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasseingang (21) des Bypasses (20) nahe der luftgetriebenen Turbine (8) und stromab der luftgetriebenen Turbine (8) im AnsaugtraKt (6) und ein Bypassausgang (22) des Bypasses (20) nahe Einlassventilen der Brennkraftmaschine (1) und stromauf der Einlassventile der Brennkraftmaschine (1 ) im Ansaugtrakt (6) vorgesehen ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bypasseingang (21) und dem Ladeluftkühler (16) ein erstes Ventil (23) im Ansaugtrakt (6) vorgesehen ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ladeluftkühler (16) und. dem Bypassausgang (22) ein zweites Ventil (24) im Ansaugtrakt (6) vorgesehen ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (24) zwischen dem Bypassausgang (22) und stromab einer Einmündung (25a) einer Abgasrückführleitung (25) in den Ansaugtxakt (6) nahe dem Bypassausgang (22) vorgesehen ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkanal (9) zur luftgetriebenen Turbine (8) eine Wärmequelle (10) aufweist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (10) Heizdrähte (45) aufweist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (10) mit einer Kraftfahrzeugbatterie elektrisch verbunden ist und von dieser mit Energie gespeist wird.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (20) in einem Ladeluftkürilergehäuse des Ladeluftkühlers (16) angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (20) mindestens teilweise in einem Ladeluftkühlergehäuse des Ladeluftkühlers (16) angeordnet ist.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (20) ein Gesamtvolumen VBy besitzt, das kleiner ist als ein Hubvolumen VH/z eines Zylinders der Brennkraftmaschine (1) .
13. Verfahren für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einer Abgasturbine (3) in einem Abgasstrang (4) , mit einem Verdichter (5) zur Erzeugung komprimierter Verbrennungsluft in einem .Ansaugtrakt (6) , wobei der Verdichter (5) auch eine luftgetriebene Turbine
(8) mit einem Zusatzkanal (9) darstellt und mit einem Ladeluftkühler (16) zum Kühlen der kompr±mierten Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, dass in den Betriebpunkten der Brennkraftmaschine (1) bei denen der Ladedruck p2 stromab des Verdichters (5) kleiner oder gleich ist als der Druck pUtαg stromauf des Verdichters (5) die komprimierte Verbrennungsluft mindestens teilweise am Ladeluftkühler (3.6) vorbeigeleitet wird, wobei hierfür das erste und. das zweite Ventil (23, 24) geschlossen oder teilweise geöffnet sind und dass in den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (1) bei denen der Ladedruck p2 stromab des Verdichters (5) größer ist als der Druck pαmg stromauf des Verdichters (5) , die komprimierte Verbrennungsluft nahezu vollständig durch den Ladeluftkühler (IS ) geleitet wird, wobei hierfür das erste und das zweite Ventil (23, 24) sich in einer Offenstellung befinden.
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