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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Registeraufladung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Bei
einer allgemein bekannten Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
mit Registeraufladung sind zwei Abgasturbolader vorgesehen, deren
Abgasturbinen im Sinne der
DE
198 22 874 A1 bzw. der
DE 198 11 782 A1 in einem gemeinsamen Turbinengehäuse aufgenommen
sind. Die Abgasturbinen werden über
voneinander getrennte Abgasleitungen mit Abgas beaufschlagt, wobei
der Gaswechsel der Brennkraftmaschine auslassseitig mittels zweier
Auslassventile je Brennraum gesteuert wird. Dabei wird in einer
ersten Betriebsstufe der Registeraufladung, dem sogenannten „einstufigen” Betrieb, lediglich
ein erstes Auslassventil je Brennraum geöffnet, so dass das gesamte
Abgas aus den Brennräumen
der Brennkraftmaschine ausschließlich über die Abgasturbine eines
ersten Abgasturboladers geführt wird.
Die Abgasturbine des zweiten Turboladers wird hier dagegen nicht
mit Abgas beaufschlagt. Im höheren
Drehzahl- und/oder Lastbereich der Brennkraftmaschine werden nunmehr
in einer sogenannten zweiten Betriebsstufe zusätzlich zu den ersten Auslassventilen
auch die zweiten Auslassventile voll geöffnet, so dass das Abgas sowohl über die
Abgasturbine des ersten Abgasturboladers als auch über die Abgasturbine
des zweiten Abgasturboladers strömt und
dementsprechend der Ladedruck erhöht wird.
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Problematisch
bei einem derartigen Aufbau ist jedoch, dass es bei der Verwendung
eines gemeinsamen Turbinengehäuses
im einstufigen Laderbetrieb zu Thermospannungen kommen kann, die wiederum
das Risiko von Bauteilschäden
am Turbinengehäuse
erhöhen.
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Aus
der
DE 10 2007
046 657 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem mindestens
zwei Auslassventile für
je einen Zylinder aufweisenden Zylinderkopf bekannt, wobei eine
erste Auslasskanalanordnung vorgesehen ist, die Auslassventile der
Zylinder mit einem Abgas-Einlass eines ersten Abgasturboladers verbindet.
Ferner ist ein zweiter Turboabgaslader vorgesehen, der mit weiteren
Auslassventilen anderer Zylinder verbunden ist. Die Auslasskanalanordnungen
sind jeweils einstückig
mit dem Zylinderkopf ausgebildet, wobei die erste Auslasskanalanordnung
die ersten Auslassventile aller Zylinder mit dem Abgas-Einlass des
ersten Abgasturboladers verbindet, während die zweite Auslasskanalanordnung
die zweiten Auslassventile aller Zylinder mit dem Abgas-Einlass
des zweiten Abgasturboladers verbindet.
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Weiter
ist aus der
DE
10 2007 046 655 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit
einem mehrere Zylinder aufweisende Zylinderkopf bekannt, wobei bei
niedrigen Brennkraftmaschinen-Drehzahlen Abgase durch das erste
Auslassventil einem ersten Abgasturbolader und bei hohen Brennkraftmaschinen-Drehzahlen
Abgase zusätzlich durch
das zweite Auslassventil einem zweiten Abgasturbolader zugeführt werden.
Das Abgas des ersten Auslassventil wird wenigstens zum Teil mittels
einer zumindest teilweise geöffneten
Abgas-Bypassleitung an dem ersten Abgasturbolader vorbeigeleitet, wobei
beim Übergang
von niedrigen zu hohen Brennkraftmaschinen-Drehzahlen der Abgas-Bypass
zumindest zeitweise geschlossen wird. Dabei soll das Drehmoment
der Brennkraftmaschine beim Übergang
durch eine Verstellung des Zündwinkels und/oder
des Öffnungswinkels
von wenigstens einem Einlassventil eines Zylinders im Wesentlichen
konstant gehalten werden.
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Die
DE 10 2004 030 259
A1 betrifft eine Turbo-Registeraufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine
mit zwei Abgasturboladevorrichtungen. Dabei ist vorgesehen, dass
mindestens eine der Abgasturboladevorrichtungen eine derart weit
verstellbare Turbinengeometrie aufweist, dass sie bei entsprechender
Einstellung keinen wesentlichen Beitrag mehr zur Zylinderaufladung
der Brennkraftmaschine liefert.
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Die
DE 102 43 473 A1 betrifft
schließlich
eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, die pro Zylinder
ein erstes und ein zweites Auslassventil aufweist, wobei eine erste
Gruppe von Auslassventilen und eine zweite Gruppe von Auslassventilen über einen
Ventiltrieb unabhängig
voneinander gesteuert werden können.
Beiden Gruppen ist jeweils eine eigene Abgaszuführung zugeordnet, die beide
zu einem gemeinsamen Abgasstrang zusammengeführt sind. In einer der Abgasabführleitungen
ist ein Turbinenrad angeordnet, das ein in einem Luftzufuhrkanal der
Brennkraftmaschine angeordnetes Verdichterrad antreibt. Weiter ist
vorgeschlagen, dass beiden Abgasabführungen stromaufwärts des
gemeinsamen Abgasstranges ein Abgasturbolader zugeordnet ist, deren
Turbinenräder
in Abhängigkeit
vom Lastzustand bzw. der Drehzahl der Brennkraftmaschine durch einen
variablen Ventiltrieb angetrieben sind.
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Dementsprechend
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine
mit Registeraufladung vorzuschlagen, mittels der Thermospannungen
in einem gemeinsamen Turbinengehäuse
vorteilhaft reduziert werden können
und/oder die ein verbessertes Ansprechverhalten, insbesondere im Übergangsbereich
von der einstufigen zur mehrstufigen Aufladung aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch
1 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer
Brennkraftmaschine mit Registeraufladung, vorgesehen, wobei weiter
mehrere, insbesondere zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, deren
bevorzugt in einem gemeinsamen Turbinengehäuse aufgenommene Abgasturbinen über voneinander
getrennte Abgasleitungen mit Abgas beaufschlagt werden, wobei der
Gaswechsel der Brennkraftmaschine auslassseitig mittels zumindest
zweier Auslassventile je Brennraum gesteuert wird. In einer ersten
Betriebsstufe wird das Abgas der Abgasturbine eines ersten Abgasturboladers
zugeführt
und in einer zweiten Betriebsstufe wird die Abgasturbine wenigstens eines
Zuschalt-Abgasturboladers zugeschaltet, so dass das Abgas sowohl über den
ersten Abgasturbolader als auch über
den Zuschalt-Abgasturbolader strömt.
Erfindungsgemäß wird in
der ersten Betriebsstufe zudem wenigstens ein Teil derjenigen Auslassventile,
die die Abgasmenge beaufschlagt ist, die in einem definierten Maße kleiner
ist als eine durch den ersten Abgasturbolader strömende Hauptabgasmenge.
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Mit
einer derartigen Verfahrensführung,
bei der die Abgasturbine des Zuschalt-Abgasturboladers auch im sogenannten „einstufigen” Betrieb
dauerhaft mit einer definierten Abgasmenge beaufschlagt wird, wird
sichergestellt, dass auch in diesem „einstufigen” Betrieb
ein heißer
Abgasstrom durch den der Zuschalt-Abgasturbine zugeordneten Gehäuseteil
eines gemeinsamen Turbinengehäuses
strömt,
wodurch die auftretenden Thermospannungen zwischen den beiden den
jeweiligen Abgasturbinen bzw. Abgasturboladern zugeordneten Turbinengehäuseteilen
vorteilhaft unter einem im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit kritischen
Niveau gehalten werden können.
Wie erfinderseitige Versuche gezeigt haben, bringt das dauerhafte
Anströmen
der Abgasturbine des Zuschalt-Abgasturboladers mit einem kleinen Abgasmassenstrom
im sogenannten „einstufigen” Betrieb
der Abgasturbolader im gesamtheitlich betrachteten thermodynamischen
Prozess keine Nachteile mit sich.
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Vielmehr
wird mit einer derartigen Betriebsweise ein weiterer besonderer
Vorteil erreicht: So erhöht
sich die Betriebsbereitschaft des Zuschalt-Abgasturboladers wesentlich, da dieser
bei der erfindungsgemäßen kontinuierlichen
Versorgung schneller anspricht, das heißt der Turbinenläufer schneller hochdreht,
da der Abgasturbolader durch das dauerhafte Anströmen schon
mit einer gewissen Grunddrehzahl bewegt ist und dadurch der Hochlauf schneller
vonstatten geht, wie dies bei stehendem bzw. ruhendem Lager gemäß dem derzeitigen
Stand der Technik der Fall ist. Der Zuschalt-Abgasturbolader kann
damit nahezu übergangslos
und damit auf besonders funktionssichere Weise zugeschalten werden.
Die hinsichtlich der Steuerzeiten variable Steuerung der die Abgasturbine
des Zuschalt-Abgasturboladers
versorgenden Zuschalt-Auslassventile verbessert den Übergang
im Ladebetrieb von der einstufigen zur mehrstufigen Aufladung zusätzlich.
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Besonders
bevorzugt kann das Zuschalt-Auslassventil wenigstens eines Brennraums der
Brennkraftmaschine zeitlich wesentlich später öffnen als das der Abgasturbine
des ersten Abgasturboladers zugeordnete, erste Auslassventil, wodurch eine
gezielt steuerbare Abzweigung einer definierten Abgasmenge über den
Zuschalt-Abgasturbolader im „einstufigen” Laderbetrieb
erzielbar ist.
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Insbesondere
kann das Zuschalt-Auslassventil im Wesentlichen bei Auslassschluss
des ersten Auslassventils öffnen
und damit in nur geringem Umfang die Druckpulsationen der Aufladung
in der ersten Stufe beeinträchtigen.
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Die
Zuschalt-Auslassventile können
dabei bevorzugt zwischen 30 Grad Kurbelwinkel (KW) bis 180 Grad
Kurbelwinkel (KW), abhängig
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, geöffnet werden.
Dadurch gelingt es u. a., dass bei zunehmender Überschneidungsphase der jeweils
zwei Auslassventile die im einstufigen Betrieb über den Zuschalt-Abgasturbolader zu
führende
Restgasmenge zunimmt und schließlich
einen günstigen Übergang
zur mehrstufigen Aufladung sicherstellt.
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Des
Weiteren können
die Zuschalt-Auslassventile im Betrieb der ersten Stufe eine relativ
große Überschneidung
mit dem zumindest jeweils einen Einlassventil je Brennraum der Brennkraftmaschine aufweisen.
Dies ermöglicht
eine innere Abgasrückführung bereits
im einstufigen Ladebetrieb, ohne jedoch den Wirkungsgrad des ersten
Abgasturboladers zu beeinträchtigen.
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In
einer weiteren bevorzugten konkreten Ausgestaltung der Erfindung
kann alternativ oder zusätzlich
der Ventilhub des jeweiligen Zuschalt-Auslassventils in der ersten Betriebsstufe
geringer sein als der Ventilhub der jeweiligen ersten Auslassventile,
u. a., um bei kurzen Öffnungszeiten
der Zuschalt-Auslassventile die Ventilbeschleunigungen in zulässigen Grenzen
zu halten.
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Wie
bereits zuvor dargestellt, ermöglicht
die dauerhafte Beaufschlagung der Abgasturbine des Zuschalt-Abgasturboladers
mit einer definierten kleineren Abgasmenge in besonderem Maße, dass
die Turbinengehäuse
der beiden Abgasturbolader zu einem einstückigen Gehäuse zusammenbaubar sind, wobei
je Abgasturbine eine Einströmöffnung für die erste
Abgasturbine und die Zuschalt-Abgasturbine sowie bevorzugt getrennt
vom Gehäuse
weggeführte Abgasleitungen
vorgesehen sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die
schematische Zeichnung zeigt in:
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1 ein
Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Registeraufladung,
mit zwei ausgehend von zwei Auslassventilen je Brennraum in getrennten
Abgasführungen
anströmbaren
Abgasturbinen zweier Abgasturbolader, und
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2 ein
Steuerdiagramm der Öffnungsquerschnitte
der beiden Auslassventile über
einen Bereich von ca. 540 Grad KW (UT) bis ca. 15 Grad KW (nach
OT) der Brennkraftmaschine.
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Das
grob schematische Blockschaltbild in 1 zeigt
beispielhaft eine Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine 10 mit
Registeraufladung, bei der der Gaswechsel über je Brennraum ein Einlassventil 12 und
zwei Auslassventile 14, 16 gesteuert ist.
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Die
Versorgung der Brennkraftmaschine 10 mit Verbrennungsluft
erfolgt über
zwei Abgasturbolader 18, 20, deren Verdichter 18a, 20a wie
mit den Pfeilen 22 angedeutet Verbrennungsluft ansaugen und über Verbrennungsluft leitungen 24, 26 einem
gemeinsamen Ansaugverteiler 28 zuführen. In die Verbrennungsluftleitung 26 ist
hier beispielhaft ein Ladedruckregler 30 integriert. Dies
kann zusätzlich
oder alternativ auch bei der Verbrennungsluftleitung 24 vorgesehen
sein.
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Die
pro Brennraum zwei Auslassventile 14, 16 sind über voneinander
getrennte Auslasskanäle (nicht
dargestellt) und Abgasleitungen 32, 34 mit einer
jeweils zugeordneten und in einem gemeinsamen Turbinengehäuse 36 aufgenommenen
Abgasturbine 18b bzw. 20b der beiden Abgasturbolader 18, 20 strömungsverbunden.
Wie lediglich schematisch dargestellt, weist das gemeinsame Turbinengehäuse 36 getrennte
Einströmöffnungen
für das
den Abgasturbinen 18b, 20b über die Abgasleitungen 32, 34 zugeführte Abgas
sowie getrennte Austrittsöffnungen für das abströmende Abgas
auf.
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Die
Abgasturbolader 18, 20 und die Abgasleitungen 32, 34 sowie
die Verbrennungsluftleitungen 24, 26, 28 sind
soweit nicht anders beschrieben bekannter Bauart bzw. Konstruktion.
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Die
vom Turbinengehäuse 36 kommenden Abgasströme vereinigen
sich hier dann bevorzugt zu einem gemeinsamen Abgasstrom 38,
der über
einen Katalysator 40 geführt wird, damit das Abgas gereinigt
an die Umgebungsluft abgeführt
werden kann.
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Gemäß der ausgeführten Registeraufladung werden
in einer ersten Ladestufe im Wesentlichen die ersten Auslassventile 14 der
im Viertaktverfahren betriebenen Brennkraftmaschine aufgesteuert
und somit nahezu das gesamte Abgas über die Abgasleitungen 32 dem
ersten Abgasturbolader 18 bzw. dessen Abgasturbine 18b zugeführt. Dies
stellt sicher, dass im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich der Brennkraftmaschine 10 über den
Verdichter 18a des ersten Abgasturboladers 18 bereits
ausreichend Verbrennungsluft mit hohem Ladedruck über die
Verbrennungsluftleitung 24 und den Ansaugverteiler 28 bereitgestellt
wird.
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Im
höheren
Drehzahl- und/oder Lastbereich der Brennkraftmaschine 10 können nunmehr
auch die zweiten Auslassventile 16 je Brennraum der Brennkraftmaschine
in üblicher
Weise geöffnet
werden, so dass der zweite Abgasturbolader 20 dazugeschaltet
ist und zusätzlich
Verbrennungsluft über
die Verbrennungsluftleitung 26 und den Ansaugverteiler 28 unter
einem ausreichend hohen Ladedruck zur Brennkraftmaschine 10 gefördert wird.
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Die
jeweils zweiten Auslassventile 16 der Brennkraftmaschine 10 werden über eine
variable Ventilsteuerung betätigt,
mittels der wenigstens ein Teil der zweiten Auslassventile 16 auch
in der ersten Ladestufe bzw. in der einstufigen Aufladung so ansteuerbar
bzw. so geöffnet
ist, dass stets eine definierte Restgasmenge des aus den Brennräumen ausgestoßenen Abgases
auch zum zweiten Abgasturbolader 20 bzw. zu dessen Abgasturbine 20b strömen kann
und diese sowohl zur Reduzierung von Thermospannungen am gemeinsamen
Turbinengehäuse 36 auf
einer gewünschten
Temperatur als auch zum schnelleren Ansprechen beim Hochdrehen des
Abgasturboladers 20 auf einer definierten Grunddrehzahl
hält.
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Die
variable Ventilsteuerung kann dem Stand der Technik entsprechen
und ist deshalb nicht dargestellt. Sie kann so ausgeführt sein,
dass sowohl der Ventilhub, als auch der zeitliche Öffnungs- und/oder
Schließpunkt
zumindest der zweiten Auslassventile 16 entsprechend verstellbar
ist.
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Die 2 zeigt
dazu aufgetragen über
den Kurbelwinkel KW der Brennkraftmaschine 10 den Öffnungsquerschnitt
der Auslassventile 14, 16 sowie den Öffnungsbeginn
der Einlassventile 12 eines beliebigen Zylinders bei einstufiger
Aufladung.
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Dabei öffnet das
jeweils erste Auslassventil 14 etwa bei 540 Grad KW des
Viertaktzyklus bzw. bei UT mit einem definierten Ventilhub VH und weist einen Auslassschluss AS auf, der hier zeitlich vor dem Öffnungszeitpunkt
des Einlassventiles 12 liegt.
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Das
jeweils zweite Auslassventil 16 öffnet etwa bei Auslassschluss
AS des zugeordneten ersten Auslassventils 14,
weist einen hier lediglich beispielhaft dargestellten, durch die
variable Ventilsteuerung eingestellten, geringeren Ventilhub VH auf und schließt mit einer definierten Überschneidung
von ca. 30 Grad KW nach dem Öffnungszeitpunkt
des Einlassventiles 12.
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Die Öffnungsdauer
des Auslassventiles 16 beträgt dabei bevorzugt ca. 100
Grad KW bei einer entsprechend geringeren Öffnungsquerschnittsfläche.
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Die
etwa horizontal verlaufende Linie 42 zeigt den Ladedruck
in der Verbrennungsluftleitung 24, 28 im einstufigen
Ladebetrieb, die ansteigende und abfallende Linie 44 den
Abgasgegendruck des ersten Abgasturboladers 18 und die
darunter eingezeichnete Linie 46 den Abgasgegendruck des
im „einstufigen” Ladebetriebs
zweiten, nur mit einer reduzierten, definierten Restgasmenge angeströmten Abgasturboladers 20.
Die schraffiert dargestellte Fläche 48 im Überschneidungsbereich
bildet eine Spülfläche, in
der sich ausströmendes
Abgas und einströmende
Verbrennungsluft im Brennraum vermischen können und eine innere Abgasrückführung begünstigen.
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Im
mehrstufigen Aufladebetrieb sind auch die zweiten Auslassventile 16 konform
zu den Auslassventilen 14 gesteuert, wobei gegebenenfalls
ein stetiger Übergang
mit zunehmender Restgasmenge bis hin zur vollen Beaufschlagung auch
des zweiten Abgasturboladers 20 gesteuert sein kann. Gegebenenfalls
können
auch die ersten Auslassventile 14, insbesondere deren Auslassschluss
AS variabel derart gesteuert sein, dass
der Auslassschluss AS der ersten Auslassventile 14 mit
dem Auslassschluss AS der zweiten Auslassventile 16 im
OT-Bereich zusammenfällt,
gegebenenfalls mit Überschneidung
zum Einlassventil 12.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Anstelle
der ca. 100 Grad KW Öffnungsdauer
der zweiten Auslassventile 16 kann die Öffnungsdauer zwischen 30 Grad
KW und 180 Grad KW variieren, gegebenenfalls sogar mit variabler
Einstellung während
des einstufigen Ladebetriebs und abhängig von Betriebsparametern der
Brennkraftmaschine.