Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung geht aus von einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6.
Es ist bereits ein Abgasturbolader bekannt (Publication-No. JP 2003254051 A, Application-No. 2002058839), dessen Turbine mittels eines Bypasses umgangen werden kann. In dem Bypass ist ein Ladedruck-Regelventil, ein sogenanntes Waste-Gate- Ventil, angeordnet, welches den Bypass öffnen oder schließen kann. In Offenstellung des Waste-Gate-Ventils erfolgt eine Umgehung der Turbine des Abgasturboladers, wobei das Abgas direkt in eine der Turbine nachgeschaltete
Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere Katalysator, strömen kann. Derartige Waste-Gate-Ventile sind bekannt, um den Abgasturbolader durch bypassieren des Abgases um die Turbine herum bei hohen Abgasmengen zu schützen. Es ist aber auch bekannt, das Waste-Gate-Ventil in einem Kaltstartbetrieb der Brennkraftmaschine zu öffnen, um so eine Temperaturerniedrigung des Abgases durch eine ansonsten stattfindende Expansion in der Turbine zu vermeiden. Damit lässt sich in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine ein relativ hohes Temperaturniveau des Abgases erhalten, welches in einem nachgeschalteten Katalysator zu einem schnelleren Anspringen führt. Durch die Umgehung der Turbine mittels des Waste-Gate-Ventils ergibt sich jedoch, dass kein Betrieb des
von der Turbine angetriebenen Verdichters mehr erfolgt. In der kritischen Kaltstartphase der Brennkraftmaschine ist so • keine entsprechende Druckerhöhung der angesaugten Luft möglich. Dies hat eine nicht optimale Betriebsweise der Brennkraftmaschine zur Folge, welche neben einem erhöhten Kraftstoffverbrauch auch erhöhte Kohlenwasserstoffemissionen im Abgas bewirkt. Des Weiteren ist das dynamische Verhalten des Abgasturboladers nicht optimal, so dass der Fahrkomfort ebenfalls beeinträchtigt wird.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6 hat demgegenüber den Vorteil, dass neben der Erzielung einer hohen Abgastemperatur im Betriebsbereich der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine auch eine Verdichtung der angesaugten Luft der Brennkraftmaschine gewährleistet wird. Dies führt zu einer optimalen Betriebsweise der Brennkraftmaschine in der kritischen Kaltstartphase, wodurch neben einem verringerten Kraftstoffverbrauch auch verringerte
Kohlenwasserstoffemissionen im Abgas die Folge sind. Des Weiteren erfolgt die Erhöhung der Abgastemperatur in verbrauchsgünstiger Weise im Vergleich zu herkömmlichen Aufheizmaßnahmen für das Abgas. Vorteilhafterweise wird dabei auch das dynamische Verhalten des Abgasturboladers verbessert, so dass auch der Fahrkomfort in der kritischen Kaltstartphase und auch in der nachfolgenden Warmlaufphase der Brennkraftmaschine verbessert ist.
Besonders vorteilhaft ist gemäß Anspruch 6 das Vorsehen eines zweiten, separat angetriebenen Verdichters, wodurch neben der Aufrechterhaltung der Verdichtung in der Kaltstartphase der
Brennkraftmaschine auch die Durchführung einer zweistufigen Aufladung der angesaugten Verbrennungsluft in den anderen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine möglich ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 bzw. Anspruch 6 angegebenen Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine in schematisch vereinfachter Funktionsdarstellung,
Fig. 2 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine in schematisch vereinfachter Funktionsdarstellung und
Fig. 3 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine in schematisch vereinfachter Funktionsdarstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, der über einen Verdichter 2 und eine Turbine 3 verfügt. Der Verdichter 2 und die Turbine 3 sind drehfest über eine Welle 8 miteinander verbunden. Bei der Brennkraftmaschine 1 kann es sich um eine Otto- Brennkraftmaschine oder um eine Diesel-Brennkraftmaschine handeln. Die Turbine 3 treibt in bekannter Weise über die Welle 8 den Verdichter 2 an. Der Verdichter 2 fördert Ansaugluft aus einem nicht näher dargestellten Luftfilter in einen Ansaugtrakt 4 der Brennkraftmaschine 1. Der Betrieb der Turbine 3 erfolgt bekanntermaßen über die Abgase der Brennkraftmaschine 1, welche aus einem Abgasstrang 5 der Brennkraftmaschine 1 der Turbine 3 zugeführt werden.
Zum Umgehen der Abgase um die Turbine 3 herum, ist ein Bypass 12 im Abgasstrang 5 vorgesehen, in welchem ein Ventil, ein sogenanntes Waste-Gate-Ventil 10, eingebracht ist. Derartige Ventile dienen zur Ladedruckregelung, in dem sie die in die Turbine 3 eintretende bzw. um die Turbine 3 herumgeführte Abgasmenge durch mehr oder weniger öffnen bzw. schließen des Bypasses 12 steuern können, wodurch sich ein entsprechender Betrieb des Verdichters 2 einstellt. In einer Offenstellung des Waste-Gate-Ventils 10 ist der Bypass 12 geöffnet, so dass die Abgase der Brennkraftmaschine 1 aus dem Abgasstrang 5 unter Umgehung der Turbine 3 direkt in eine stromab der Turbine 3 vorgesehene Abgasreinigungseinrichtung 25, insbesondere einem Katalysator, strömen können. Derartige Waste-Gate-Ventile 10 dienen neben der Ladedruckregelung auch dem Schutz der Turbine. Sie werden beispielsweise geöffnet, wenn ein Überangebot an Abgas vorliegt, das zu einem Überdrehen der Turbine führen könnte.
Es ist nun vorgesehen, auch in der Kaltstartphase und ggf. kurzzeitig auch in der nachfolgenden Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 die Turbine 3 zu umgehen, wozu hierzu das Waste-Gate-Ventil 10 in seine Offenstellung gebracht wird. Damit wird die Turbine 3 außer Funktion gestellt und das Abgas gelangt ohne eine Expansion in der Turbine 3 direkt in den Katalysator 25. Damit ergibt sich eine hohe Abgastemperatur, da eine Temperaturerniedrigung durch die Expansion der Abgase in der Turbine 3 nicht erfolgt. Dies führt zu einem schnelleren Anspringen des Katalysators 25. Weitere, nicht näher dargestellte emissionsmindernde Maßnahmen die auf einer Zudosierung eines zusätzlichen Reduktionsmittels im Abgas, wie z. B. eine wässrige Harnstofflösung, sind in ihrer Funktionalität auf eine Mindesttemperatur im Abgas angewiesen. Durch Umgehen der Turbine 3 im Kaltstart können diese Maßnahmen eingesetzt werden, da die Mindestabgastemperatur schnell erreicht wird.
Bei Umgehung der Turbine 3 erfolgt kein Antrieb des mit der Turbine 3 gekoppelten Verdichters 2. Um die Aufladung der von der Brennkraftmaschine 1 angesaugten Luft in diesem Zustand dennoch gewährleisten zu können, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, den Verdichter 2 über einen zusätzlichen Antrieb 14 anzutreiben. Dieser Antrieb kann, wie in Figur 1 angedeutet, als elektrischer Antrieb 14 ausgestaltet sein, welcher beispielsweise direkt auf eine nicht näher dargestellte Verdichterwelle des Verdichters 2 wirkt. Der elektrische Antrieb 14 kann beispielsweise über eine Kupplung 16 an den Verdichter 2 bzw. dessen Verdichterwelle angekoppelt werden.
Zum Betrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters 2 muss die elektrische Energie innermotorisch, zum Beispiel über
einen Generator der Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung gestellt werden. Dies hat eine Lasterhöhung für die Brennkraftmaschine 1 zur Folge, die wiederum zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung im Abgas führt. Diese zusätzliche Abgastemperaturerhöhung ist in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 erwünscht, da sie aufgrund der Erhöhung der Abgastemperatur zu einer verbesserten Wirkung des Katalysators 25 bzw. zu einem schnelleren Anspringen desselben führt. Die Abgastemperaturerhöhung kann noch verstärkt werden, indem andere, nicht näher dargestellte, weitere elektrische Verbraucher der Brennkraftmaschine bzw. eines Kraftfahrzeugs zugeschaltet werden. Beispielsweise können hierzu die elektrischen Heizeinrichtungen einer nicht näher dargestellten Harnstoff-Dosiereinrichtung für die Abgasreinigungseinrichtung 25 Verwendung finden.
Nach der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 in der nachfolgenden Warmlaufphase, wird das Waste-Gate-Ventil 10 in seine Schließstellung bzw. Ladedruck-Regelstellung gebracht, so dass die Abgase im Wesentlichen wieder über die Turbine 3 zum Katalysator 25 gelangen. In diesem Zustand bei von Abgas beaufschlagter Turbine 3 erfolgt ein herkömmlicher Antrieb des Verdichters 2 über die Welle 8, so dass es möglich ist, den zusätzlichen Antrieb 14 wieder abzuschalten. Der elektrische Antrieb 14 ist, wie ausgeführt, nur in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen. Möglich ist aber auch, den zusätzlichen elektrischen Antrieb 14 zur kurzfristigen Ladedruckerhöhung im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 einzusetzen bzw. kurzzeitig zu aktivieren.
Die Figur 2 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Abgasturboladers, der über den zusätzlichen, von der Turbine 3 unabhängigen Antrieb 15
verfügt. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels gekennzeichnet. Bei dem Antrieb 15 kann es sich um einen mechanischen Antrieb handeln, beispielsweise in Form einer Kurbelwelle 15, die über die Kupplung 16 an eine nicht näher dargestellte Verdichterwelle des Verdichters 2 angekoppelt wird. Der mechanische Antrieb 15, 16 des Verdichters 2 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel auf den
Betriebsbereich der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 beschränkt. In der nachfolgenden Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 kann der mechanische Antrieb 15 über die Kupplung 16 wieder vom Verdichter 2 abgekoppelt werden. Möglich ist aber auch, den zusätzlichen mechanischen Antrieb 15 zur kurzfristigen Ladedruckerhöhung im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 einzusetzen bzw. kurzzeitig zu aktivieren.
Die Figur 3 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen des ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels gekennzeichnet worden sind. Anstelle eines zusätzlichen elektrischen oder mechanischen Antriebs des Verdichters 2 ist ein zweiter Verdichter 20 vorgesehen. Der zweite Verdichter 20 ist stromab des ersten Verdichters 2 im Ansaugtrakt 4 der Brennkraftmaschine 1 untergebracht und dient quasi als Ersatz des ersten, in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 antriebslosen Verdichters 2. In der Kaltstartphase erfolgt über das Waste-Gate-Ventil 10 ein Überbrücken der Turbine 3, die daher als Antrieb für den ersten Verdichter 2 ausfällt. Der zweite Verdichter 20 verfügt über einen zweiten Bypass 22, welcher den zweiten Verdichter 20 umgeht. In dem zweiten Bypass 22 ist ein zweites Ventil 30 nach Art des Waste-Gate-Ventils 10
untergebracht, welches in einer Offenstellung den zweiten Bypass 22 öffnet und in einer Schließstellung den zweiten Bypass 22 schließt. In der Offenstellung des zweiten Ventils 30 erfolgt eine Umgehung des zweiten Verdichters 20, der dann wirkungslos ist. Nur in der Schließstellung des zweiten Ventils 30 erfolgt eine Beaufschlagung des zweiten Verdichters 20 mit der über den ersten, in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 nicht aktiven Verdichter 2 her strömenden Luft. Die Beaufschlagung bzw. Schließstellung des zweiten Ventils 30 ist erfindungsgemäß insbesondere in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen.
Zum Antrieb des zweiten Verdichters 20 kann ein in Figur 3 gestrichelt angedeuteter elektrischer Antrieb 14 vorgesehen sein, der wie im ersten Ausführungsbeispiel ggf. über eine Kupplung 16 zuschaltbar ist. Möglich ist aber auch, wie in Figur 3 mit durchgezogener Linie dargestellt ist, den zweiten Verdichter 20 mechanisch anzutreiben, beispielsweise über eine Kurbelwelle 15, die über eine Kupplung 16 dem zweiten Verdichter 20 zuschaltbar ist.
Selbstverständlich ist es mit dieser Anordnung auch möglich, außerhalb der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine eine herkömmliche zweistufige Verdichtung der von der Brennkraftmaschine 1 angesaugten Luft durchzuführen. Das zweite Ventil 30 befindet sich dabei in seiner Schließstellung. Der zweite Verdichter 20 verdichtet dann die vom ersten, aktiven Verdichter 2 zugeführte, vorverdichtete Luft weiter, die dann über den Ansaugtrakt 4 in die Brennkraftmaschine 1 gelangt.
Wie in den Figuren 1 bis 3 angedeutet, kann in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Steuerung des ersten Ventils 10, des zweiten Ventils 30 sowie des elektrischen
Antriebs 14 und/oder der Kupplung 16 von einem elektrischen Steuergerät 40 übernommen werden.