WO2010045918A1 - Verbrennungskraftmaschine mit einem druckwellenlader und verfahren zum betreiben von nebenaggregaten einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine mit einem druckwellenlader und verfahren zum betreiben von nebenaggregaten einer verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Georg Glitz
Christian Smatloch
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Benteler Automobiltechnik Gmbh
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/42—Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with driven apparatus for immediate conversion of combustion gas pressure into pressure of fresh charge, e.g. with cell-type pressure exchangers
    • 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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    • F02B37/10—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump at least one pump being alternatively or simultaneously driven by exhaust and other drive, e.g. by pressurised fluid from a reservoir or an engine-driven pump
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a pressure wave supercharger according to the features in the preamble of patent claim 1 and to a method for operating ancillary components of an internal combustion engine according to the features of patent claim 6.
  • the invention is based on the object to improve the overall efficiency of internal combustion engines, which are provided with a pressure wave supercharger.
  • the part of the charge air flow not picked up by the internal combustion engine is intended to be supplied to at least one auxiliary unit of the internal combustion engine or at least indirectly to cool parts of the internal combustion engine.
  • This allows the operation of the pressure wave supercharger in its optimum operating point, wherein the largest possible energy potential of the exhaust gas driving the pressure wave supercharger can be exploited without excess charge air quantity has to be regulated.
  • the utilization of the not taken up by the internal combustion engine portion of the charge air flow leads to a significant reduction of energy losses, especially since the charge air flow can be harnessed for a variety of ancillaries. Under accessories in the context of the invention are in particular flow machines in the form of turbines to understand.
  • Such turbines can be used to drive an electric generator or a pump, in particular a compressor, an air conditioner or a power steering pump.
  • the accessory can also be a brake booster.
  • the part of the charge air flow that is not picked up by the internal combustion engine can be provided for cooling hot parts of an exhaust system of the internal combustion engine.
  • the advantage of the internal combustion engine according to the invention lies in an improved overall efficiency, which results from a lower fuel consumption, since a larger part of the energy contained in the exhaust gas is utilized.
  • the invention also has the advantage that a slower operating change of the rotor speed and a slower control edge shift are possible.
  • the invention also provides a method with the features of claim 6, wherein the charge air flow generated by the pressure wave supercharger is greater than it is absorbed on average by the internal combustion engine.
  • the part of the charge air flow not picked up by the internal combustion engine is supplied to at least one auxiliary unit of the internal combustion engine or it is used to cool the internal combustion engine, at least indirectly.
  • the 1 shows an internal combustion engine 1 with an upstream pressure wave supercharger 2.
  • the pressure wave supercharger 2 sucks fresh air via a suction pipe 3 and compresses it.
  • the compressed charge air stream 4 is supplied to the internal combustion engine 1.
  • the exhaust gas 5 from the internal combustion engine 1 is supplied via an exhaust pipe to the pressure wave supercharger 2, whereby the pressure wave supercharger 2 is driven.
  • the exhaust gas 5 is then fed to an exhaust 6.
  • Essential in the internal combustion engine according to the invention is that a partial flow 7 of the charge air 4 ancillaries 8, 9, 10, 11 is supplied.
  • the ancillaries may be, for example, an electric generator. 8 act, for example, to charge an electric battery of the motor vehicle.
  • the accessory 9 may be a compressor of an air conditioner.
  • the accessory 10 may be a power steering pump that is driven by the portion 7 of the charge air flow.
  • the accessory 11 may be a brake booster.
  • Other auxiliary units not shown in more detail are drivable via the charge air flow.
  • the invention is not limited to a specific design of an accessory.
  • An accessory within the meaning of the invention is any component of a motor vehicle that is indirectly supplied with energy via the internal combustion engine and is suitable for being driven by means of charge air.
  • control and regulating means are provided, via which the not taken up by the internal combustion engine 1 partial flow 7 metered one or more ancillary units 8-11 is supplied.
  • the recorded charge air quantity of the internal combustion engine 1 by adjusting and control elements not shown are changed (charge air flap, wastegate).

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Abstract

Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem Druckwellenlader (2), wobei die Luftmenge in einem von dem Druckwellenlader (2) erzeugten Ladeluftstrom größer ist als die im Mittel von der Verbrennungskraftmaschine aufnehmbare Luftmenge, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Verbrennungskraftmaschine (1) nicht aufgenommene Teil des Ladeluftstroms (7) dafür vorgesehen ist, wenigstens einem Nebenaggregat (8, 9, 10, 11) der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeführt zu werden oder Teile der Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest mittelbar zu kühlen.

Description

Verbrennungskraftmaschine mit einem Druckwellenlader und Verfahren zum Betreiben von Nebenaggreqaten einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Druckwellenlader gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben von Nebenaggregaten einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Es ist bekannt, dass bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere durch den Einsatz von Druckwellenladern, eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht wird. Es ist ferner bekannt, dass Druckwellenlader auf Grund ihrer hohen Leistungsfähigkeit wesentlich mehr Ladedruck erzeugen, als im Mittel von einem Motor als Verbrennungsluft aufgenommen werden kann. Die überschüssige Luftmenge muss daher mit geeigneten Mitteln geregelt werden. Dies geschieht z.B. mit Hilfe von Laderdrosselklappen und/oder Wastegates (EP 0 885 352 B1). Bei den derzeit bekannten Druckwellenladern muss die jeweils erforderliche Luftmenge für die Verbrennungskraftmaschine für einen bestimmten Betriebspunkt durch Regelung der Rotordrehzahl, Stellung der Laderdrosselklappe, des Wastegates und des Gehäuseversatzwinkels eingestellt werden. Dadurch wird ein erheblicher Anteil der im Abgasstrom enthaltenen Energie ungenutzt in den Abgasstrang abgeleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Gesamteffektivität von Verbrennungskraftmaschinen, die mit einem Druckwellenlader versehen sind, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein entsprechendes Verfahren wird in Patentanspruch 6 aufgezeigt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist vorgesehen, dass der von der Verbrennungskraftmaschine nicht aufgenommene Teil des Ladeluftstroms dafür vorgesehen ist, wenigstens einem Nebenaggregat der Verbrennungskraftmaschine zugeführt zu werden oder Teile der Verbrennungskraftmaschine zumindest mittelbar zu kühlen. Das ermöglicht den Betrieb des Druckwellenladers in seinem optimalen Betriebspunkt, wobei das größtmögliche Energiepotenzial des den Druckwellenlader antreibenden Abgases ausgenutzt werden kann, ohne dass überschüssige Ladeluftmenge weggeregelt werden muss. Die Nutzbarmachung des nicht von der Verbrennungskraftmaschine aufgenommenen Teils des Ladeluftstroms führt zu einer signifikanten Reduzierung von Energieverlusten, zumal der Ladeluftstrom für eine Vielzahl von Nebenaggregaten nutzbar gemacht werden kann. Unter Nebenaggregaten im Sinne der Erfindung sind insbesondere Strömungsmaschinen in Form von Turbinen zu verstehen. Solche Turbinen können zum Antrieb eines elektrischen Generators oder auch einer Pumpe dienen, insbesondere eines Kompressors, einer Klimaanlage oder einer Lenkhilfpumpe. Das Nebenaggregat kann auch ein Bremskraftverstärker sein. Ferner kann der von der Verbrennungskraftmaschine nicht aufgenommene Teil des Ladeluftstroms zur Kühlung von heißen Teilen einer Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine liegt in einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad, was aus einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch resultiert, da ein größerer Teil der im Abgas enthaltenen Energie ausgenutzt wird.
Zudem hat die Erfindung auch noch den Vorteil, dass eine langsamere Betriebsumstellung der Rotordrehzahl sowie eine langsamere Steuerkantenverschiebung möglich sind.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6, bei welchem der von dem Druckwellenlader erzeugte Ladeluftstrom größer ist als er im Mittel von der Verbrennungskraftmaschine aufgenommen wird. Dabei wird der von der Verbrennungskraftmaschine nicht aufgenommene Teil des Ladeluftstroms wenigstens einem Nebenaggregat der Verbrennungskraftmaschine zugeführt oder er wird dazu verwendet, die Verbrennungskraftmaschine zumindest mittelbar zu kühlen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem vorgeschalteten Druckwellenlader 2. Der Druckwellenlader 2 saugt über ein Saugrohr 3 Frischluft an und komprimiert diese. Der verdichtete Ladeluftstrom 4 wird der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt. Das Abgas 5 aus der Verbrennungskraftmaschine 1 wird über eine Abgasleitung dem Druckwellenlader 2 zugeführt, wodurch der Druckwellenlader 2 angetrieben wird. Das Abgas 5 wird anschließend einem Auspuff 6 zugeführt.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist, dass ein Teilstrom 7 der Ladeluft 4 Nebenaggregaten 8, 9, 10, 11 zugeführt wird. Bei den Nebenaggregaten kann es sich um z.B. einen elektrischen Generator 8 handeln, beispielsweise um eine elektrische Batterie des Kraftfahrzeugs aufzuladen. Das Nebenaggregat 9 kann ein Kompressor einer Klimaanlage sein. Das Nebenaggregat 10 kann eine Lenkhilfpumpe sein, die durch den Teil 7 des Ladeluftstroms angetrieben wird. Das Nebenaggregat 11 kann ein Bremskraftverstärker sein. Weitere nicht näher dargestellte Nebenaggregate sind über den Ladeluftstrom antreibbar. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Bauform eines Nebenaggregats beschränkt. Ein Nebenaggregat im Sinne der Erfindung ist jede Komponente eines Kraftfahrzeugs, die über die Verbrennungskraftmaschine mittelbar mit Energie versorgt wird und dazu geeignet ist, mittels Ladeluft angetrieben zu werden.
Die stark vereinfachte Darstellung des Erfindungsgedankens schließt nicht aus, dass nicht näher dargestellte Steuer- und Regelungsmittel vorgesehen sind, über welche der nicht von der Verbrennungskraftmaschine 1 aufgenommene Teilstrom 7 dosiert einem oder mehreren Nebenaggregaten 8-11 zugeführt wird. Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung auch die aufgenommene Ladeluftmenge der Verbrennungskraftmaschine 1 durch nicht näher dargestellte Stell- und Regelelemente verändert werden (Ladeluftklappe, Wastegate).
Bezugszeichen:
1 - Verbrennungskraftmaschine
2 - Druckwellenlader
3 - Saugrohr
4 - aufgenommener Teil des Ladeluftstroms
5 - Abgas
6 - Auspuff
7 - nicht aufgenommener Teil des Ladeluftstroms
8 - Nebenaggregat
9 - Nebenaggregat 10 - Nebenaggregat 11 - Nebenaggregat

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungskraftmaschine (1 ) mit einem Druckwellenlader (2), wobei die Luftmenge in einem von dem Druckwellenlader (2) erzeugten Ladeluftstrom größer ist als die im Mittel von der Verbrennungskraftmaschine (1 ) aufnehmbare Luftmenge, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Verbrennungskraftmaschine (1) nicht aufgenommene Teil des Ladeluftstroms (7) dafür vorgesehen ist, wenigstens einem Nebenaggregat (8, 9, 10, 11 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) zugeführt zu werden oder Teile der Verbrennungskraftmaschine (1 ) zumindest mittelbar zu kühlen.
2. Verbrennungskraftmaschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadu rch gekennzeichnet, dass das Nebenaggregat (8, 9, 10) eine Turbine zum Antrieb eines elektrischen Generators, einer Pumpe, insbesondere eines Kompressors einer Klimaanlage, oder einer Lenkhilfpumpe, umfasst.
3. Verbrennungskraftmaschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenaggregat (11 ) ein Bremskraftverstärker ist.
4. Verbrennungskraftmaschine (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht aufgenommene Teil des Ladeluftstroms (7) zur Kühlung von heißen Teilen einer Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine (1 ) vorgesehen ist.
5. Verbrennungskraftmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladeluftklappe zur Regelung des nicht von der Verbrennungskraftmaschine aufgenommenen Teils des Ladeluftstroms (7) vorgesehen ist.
6. Verfahren zum Betreiben von Nebenaggregaten (8, 9, 10, 11 ) einer Verbrennungskraftmaschine (1 ) in Verbindung mit einem Druckwellenlader (2), dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Druckwellenlader (2) erzeugte Ladeluftstrom größer ist als im Mittel von der Verbrennungskraftmaschine (1 ) aufgenommen wird, wobei der von der Verbrennungskraftmaschine (1 ) nicht aufgenommene Teil des Ladeluftstroms (7) wenigstens einem Nebenaggregat (8, 9, 10, 11 ) der Verbrennungskraftmaschine (1 ) zugeführt wird oder Teile der Verbrennungskraftmaschine (1 ) zumindest mittelbar kühlt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenaggregat (8, 9, 10) eine Turbine zum Antrieb eines elektrischen Generators, einer Pumpe, insbesondere eines Kompressors einer Klimaanlage, oder einer Lenkhilfpumpe, aufweist, wobei die Turbine von dem von der Verbrennungskraftmaschine (1 ) nicht aufgenommenen Teil des Ladeluftstroms (7) angetrieben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenaggregat (11 ) ein Bremskraftverstärker ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den nicht aufgenommenen Teil des Ladeluftstroms (7) heiße Teile einer Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine (1 ) gekühlt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des nicht von der Verbrennungskraftmaschine (1 ) aufgenommenen Teils des Ladeluftstroms (7) mittels einer Ladeluftklappe erfolgt.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch den nicht aufgenommenen Teil des Ladeluftstroms die elektrischen und elektronischen Bauteile im Motorraum gekühlt werden.
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