DE102016200918B3

DE102016200918B3 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Verdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016200918B3
Application number: DE102016200918.4A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Hanno Friederichs; Franz J. Brinkmann; Frank Kraemer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-23
Also published as: US10612562B2; US20170211588A1; CN107023383A; CN107023383B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und – einem Verdichter (1), der im Ansaugsystem (2) angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse (1b) auf einer drehbaren Welle (1a) angeordnetes und mit Laufschaufeln (1d) ausgestattetes Laufrad (1c) umfasst. Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, deren Aufladeverhalten bei kleinen Ladeluftmengen verbessert ist Erreicht wird dies mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – das Ansaugsystem (2) stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (1c) einen Abschnitt (2a) aufweist, der quer zu einer virtuellen Verlängerung (1a´) der Welle (1a) des Verdichters (1) verläuft und in dem eine verschwenkbare Klappe (4) angeordnet ist, wobei sich dieser Abschnitt (2a) zumindest auf der dem mindestens einen Laufrad (1c) abgewandten Seite in bogenförmige Kanäle (3a, 3b) gabelt, die unter Ausbildung eines Ringkanals (3), welcher auf der dem mindestens einen Laufrad (1c) zugewandten Seite offen ausgebildet ist, zusammenführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und
– einem Verdichter, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle angeordnetes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors, bei dem die Einstellung der angeforderten Last bzw. Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zum Einsatz kommt. So lässt sich mittels Direkteinspritzung eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
Die Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs bietet ebenfalls die Möglichkeit der Entdrosselung. Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Eine weitere Maßnahme, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern bzw. den Kraftstoffverbrauch zu mindern, besteht in der Aufladung der Brennkraftmaschine, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird.
Das Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen ist bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen von grundsätzlicher Bedeutung, da auch bei kleinen Ladeluftmengen ausreichend hohe Ladedrücke bereitgestellt werden sollen, um auf diese Weise eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch bei niedrigen Drehzahlen zu realisieren.
Prinzipbedingt nimmt die absolute Strömungsgeschwindigkeit c der Ladeluft im Ansaugsystem bei kleinen Ladeluftmengen stark ab. Die Anströmgeschwindigkeit w relativ zu dem mindestens einen mit Umfangsgeschwindigkeit u rotierenden Laufrad verschlechtert sich gemäß dem Stand der Technik so weit, dass sich eine Druckerhöhung mittels Umlenken der Ladeluftströmung beim Durchströmen des Laufrades nur begrenzt bzw. nicht realisieren lässt. Vielmehr reißt die Ladeluftströmung von den Laufschaufeln ab, ein teilweises Rückströmen stellt sich ein und der Verdichter fängt an, zu pumpen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 058 603 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, bei der stromaufwärts des Verdichters eine Luftführungsvorrichtung im Ansaugsystem vorgesehen ist, mit der auf die Anströmung des Verdichters Einfluss genommen werden kann. Die Luftführungsvorrichtung umfasst einen Wirbelkanal und einen Leistungskanal, die via Ansaugsystem mit Luft versorgt und beaufschlagt werden, wobei der Luftstrom mittels einer verschwenkbaren Schaltklappe, die vorzugsweise verdichternah angeordnet ist, zwischen dem Wirbelkanal und dem Leistungskanal aufgeteilt werden kann. Der Luft wird beim Durchströmen des Wirbelkanals ein Drall in Drehrichtung des Verdichterlaufrades aufgezwungen, wohingegen die durch den Leistungskanal geleitete Luft das Verdichterlaufrad drallfrei anströmt.
Mit der Erzeugung und anteiligen Verwendung einer drallbehafteten Anströmung lässt sich die Drehzahl der Verdichterwelle erhöhen und das Ansprechverhalten der Aufladung bei einem Lastwechsel verbessern.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 052 256 A1 beschreibt ebenfalls eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, bei der stromaufwärts des Verdichters eine schaltbare Vorrichtung im Ansaugsystem vorgesehen ist, welche eine vorbestimmte Fläche des Ansaugströmungsquerschnitts derart überdeckt, dass ein Segment der Querschnittsfläche des Verdichterlaufrades von der anströmenden Luft abgeschirmt ist, wobei das abgeschirmte Segment kleiner ist als die gesamte Querschnittsfläche des Verdichterlaufrades. Dies soll das Betriebsverhalten des Verdichters betreffend die Pumpgrenze bzw. das Pumpverhalten verbessern.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Aufladeverhalten bei kleinen Ladeluftmengen verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und
– einem Verdichter, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle angeordnetes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– das Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades einen Abschnitt aufweist, der quer zu einer virtuellen Verlängerung der Welle des Verdichters verläuft und in dem eine verschwenkbare Klappe angeordnet ist, wobei sich dieser Abschnitt zumindest auf der dem mindestens einen Laufrad abgewandten Seite in bogenförmige Kanäle gabelt, die unter Ausbildung eines Ringkanals, welcher auf der dem mindestens einen Laufrad zugewandten Seite offen ausgebildet ist, zusammenführen.

Der Verdichter der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann ein mechanischer Lader sein oder aber der Verdichter eines Abgasturboladers.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist einlassseitig mit einer verschwenkbaren Klappe ausgestattet, welche der Erzeugung mindestens eines Dralls dient und hierzu stromaufwärts des mindestens einen Laufrades in einem Abschnitt des Ansaugsystems angeordnet ist, der quer zu einer virtuellen Verlängerung der Welle des Verdichters verläuft.
Dieser erfindungsgemäß vorgesehene Abschnitt des Ansaugsystems mündet in einen Ringkanal, dessen bogenförmige Kanäle mit entgegengesetzter Krümmung verlaufen, sich vorzugsweise um die virtuelle Verlängerung der Verdichterwelle legen und auf der dem Abschnitt abgewandten Seite zusammenführen.
Der Ringkanal ist einseitig, d. h. auf der dem mindestens einen Laufrad zugewandten Seite offen ausgebildet, wobei die dem Ringkanal via Ansaugsystem bzw. via Abschnitt zugeführte Ladeluft vom Ringkanal aus via einem Eintrittsbereich des Verdichters dem mindestens einen Laufrad zugeführt wird.
Diese konstruktiven Maßnahmen dienen – insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen – dazu, auf die Anströmung des mindestens einen rotierenden Laufrades in vorteilhafter Weise Einfluss zu nehmen und auf diese Weise das Aufladeverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Die Klappe lässt ein Vorbeiströmen von Ladeluft beidseitig der Klappe zu, so dass sowohl Ladeluft in den einen bogenförmigen Kanal des Ringkanals als auch in den anderen bogenförmigen Kanal des Ringkanals eingeleitet werden kann. Die durch die beiden Kanäle geführten Ladeluftströme haben einen unterschiedlich orientierten Drall, nämlich einmal einen Drall im Uhrzeigersinn und ein anderes Mal einen Drall entgegen des Uhrzeigersinns bzw. einmal einen Drall in Drehrichtung des mindestens einen Laufrades und ein anderes Mal einen Drall entgegen der Drehrichtung des mindestens einen Laufrades.
Durch geeignetes Verschwenken der Klappe wird auf die Verteilung der Ladeluft auf die beiden bogenförmigen Kanäle Einfluss genommen. D. h. die Ladeluft kann in unterschiedlich große Ladeluftströme aufgeteilt werden. Den beiden Kanälen des Ringkanals werden dann unterschiedlich große Ladeluftströme zugeleitet.
Die eine Ladeluftströmung mit ihrem Drall beeinflusst die andere Ladeluftströmung mit ihrem anders orientierten Drall und umgekehrt, d. h. die beiden Ladeluftströme der beiden bogenförmigen Kanäle mit unterschiedlich orientiertem Drall beeinflussen sich gegenseitig bzw. wechselseitig. Insbesondere schwächt der Drall der einen Ladeluftströmung den Drall der jeweils anderen Ladeluftströmung ab. Insofern kann durch entsprechendes Verschwenken der Klappe nicht nur Einfluss genommen werden auf die Orientierung des Dralls der dem mindestens einen Laufrad zugeführten Ladeluftströmung, sondern auch auf die Stärke bzw. das Ausmaß dieses Dralls.
Der in das mindestens eine Laufrad eintretenden Ladeluftströmung kann damit eine unterschiedlich große zum Laufrad bzw. zur Welle des Verdichters tangential ausgerichtete Geschwindigkeitskomponente verliehen, d. h. aufgeprägt werden.
Die Anströmung des mindestens einen rotierenden Laufrades wird dadurch in entscheidender Weise verbessert, denn die Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung wird gegenüber der Welle des Verdichters in der Art gedreht, dass sich in Kombination mit der Umfangsgeschwindigkeit u des mindestens einen rotierenden Laufrades eine besser verwertbare relative Anströmgeschwindigkeit w der Ladeluft relativ zu den rotierenden Laufschaufeln ergibt bzw. einstellt.
Auf die Art und den Umfang der Drehung der Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung gegenüber der Welle des Verdichters kann mittels Verschwenken der Klappe Einfluss genommen werden.
Auf eine komplexe Leiteinrichtung zur Beeinflussung der Anströmung, die der Ladeluftströmung beispielsweise einen Drall aufzwingt, d. h. eine Geschwindigkeitskomponente quer zur Welle des Verdichters bzw. in Umfangsrichtung, kann verzichtet werden. Mit der Leiteinrichtung entfallen auch die Kosten für die regelmäßig verstellbare Leiteinrichtung sowie deren Steuerung. Die Problematik, dass eine im Ansaugsystem vorgesehene Leiteinrichtung insbesondere bei hohen Drehzahlen bzw. großen Ladeluftmengen lediglich einen unerwünschten Strömungswiderstand darstellt und den Druck in der Ladeluftströmung mindert, entfällt ebenfalls. Ein dichtes Packaging der gesamten Verdichtereinheit wird damit ermöglicht.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Aufladeverhalten bei kleinen Ladeluftmengen verbessert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Klappe in der Art verschwenkbar ist, dass die gesamte Ladeluft im Wesentlichen nur einem der beiden Kanäle des Ringkanals zugeführt werden kann. Vorzugsweise kann die gesamte Ladeluft sowohl dem einen Kanal als auch dem anderen Kanal des Ringkanals zugeführt werden. Letzteres gestattet die Realisierung eines starken Dralls und zwar sowohl in die eine Drehrichtung als auch in die andere Drehrichtung.
Die konstruktiven Maßnahmen, die erfindungsgemäß vorgeschlagen werden, eignen sich nicht nur zum Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Ladeluftmengen und damit zur Verbesserung des Aufladeverhaltens der Brennkraftmaschine bei kleinen Ladeluftmengen.
Durch Optimieren der Anströmbedingungen des mindestens einen Laufrades lässt sich der Wirkungsgrad des Verdichters grundsätzlich und damit das Aufladeverhalten der Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen, insbesondere auch bei mittelgroßen und größeren Ladeluftmengen, verbessern.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Abschnitt die virtuelle Verlängerung der Welle des Verdichters schneidet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Abschnitt senkrecht zu der virtuellen Verlängerung der Welle des Verdichters verläuft.
Die beiden vorstehenden Ausführungsformen betreffen die Anordnung bzw. die Ausrichtung des relevanten Abschnitts des Ansaugsystems, in dem die verschwenkbare Klappe angeordnet ist.
Die Ausführungsformen erleichtern die Ausbildung eines zum Laufrad bzw. zur virtuellen Verlängerung der Welle koaxial verlaufenden Ringkanals. Damit vereinfacht sich die Ausbildung einer Drallströmung, d. h. einer Ladeluftanströmung mit Drall.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die verschwenkbare Klappe im Wesentlichen mittig in dem Abschnitt angeordnet ist, so dass beidseitig der Klappe Ladeluft vorbeiführbar ist.
Die mittige Anordnung der Klappe lässt ein Vorbeiströmen von Ladeluft beidseitig der Klappe zu und schafft damit die Voraussetzung, die Ladeluft auf die beiden bogenförmigen Kanäle des Ringkanals aufteilen und Ladeluftströme mit unterschiedlich orientiertem Drall ausbilden zu können. Durch geeignetes Verschwenken der Klappe wird die Ladeluft auf die beiden Kanäle aufgeteilt bzw. unterschiedlich große Ladeluftströme mit unterschiedlich orientiertem Drall generiert.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe um eine Achse verschwenkbar ist, die im Wesentlichen parallel zur Welle des Verdichters verläuft. Diese Ausführungsform erleichtert die Ausbildung einer Drallströmung, die koaxial zur Welle des Verdichterlaufrades verläuft, d. h. einer Ladeluftanströmung mit einem Drall um die virtuelle Verlängerung der Welle.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Ringkanal zumindest abschnittsweise kreisförmig ausgebildet ist. Diese zumindest teilweise kreisförmige Ausbildung des Ringkanals korrespondiert in vorteilhafter Weise mit der kreisförmigen Ausbildung des mindestens einen umlaufenden Laufrades. Zu der Rotation des mindestens einen Laufrades passt eine zumindest teilweise rotationssymmetrische Ausbildung des Ringkanals. Zu berücksichtigen ist dabei, dass der Ringkanal maßgeblich für die Generierung des Dralls bzw. der Ladeluftströmung mit Drall verantwortlich ist.
Vorteilhaft sind aus den genannten Gründen auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Ringkanal um die virtuelle Verlängerung der Welle des Verdichters herum verläuft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Ringkanal beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem Ringkanal und dem mindestens einen Laufrad ein Eintrittsbereich des Verdichters angeordnet ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Eintrittsbereich koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuführung der Ladeluft zum Verdichterlaufrad auch im Wesentlichen axial erfolgen kann. Die Ladeluft muss dann beim Durchströmen des Eintrittsbereichs nicht umgelenkt werden, um dem Verdichter axial zugeführt zu werden. Da eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Eintrittsbereich unterbleibt, werden unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden. Der Wirkungsgrad und das Ladedruckverhältnis können gesteigert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem angeordnet ist.
Es kann sinnvoll sein, eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem vorzusehen, um im Rahmen einer Quantitätsregelung die Last in weiten Bereichen einstellen zu können, insbesondere bei sehr kleinen Ladeluftmengen, oder um die Luftzufuhr zu den Zylindern unterbinden zu können.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Drosselvorrichtung eine Drosselklappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Die Temperatur der Ladeluft wird durch Kühlung abgesenkt und damit die Dichte gesteigert. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung. Der Kühler trägt auf diese Weise zu einer besseren Füllung der Zylinder bei.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter ein Axialverdichter ist, bei dem die Abströmung im Wesentlichen axial erfolgt. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform bietet insbesondere Vorteile hinsichtlich eines dichten Packagings, wenn der mindestens eine Verdichter der Verdichter eines Abgasturboladers ist. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter der Verdichter des Abgasturboladers ist.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter ein mechanischer Lader ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, kann eine Abgasrückführung eingesetzt werden, d. h. eine Rückführung von Abgasen vom Abgasabführsystem in das Ansaugsystem, bei der mit zunehmender Rückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Kühler vorgesehen ist, der die Temperatur im heißen Abgasstrom senkt und damit die Dichte der Abgase steigert. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch abgesenkt, wodurch auch dieser Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die stromaufwärts des mindestens einen Laufrades im Ansaugsystem angeordnete Klappe verschwenkt wird, um einen Anströmwinkel α der dem Verdichter zugeführten Ladeluft relativ zu den Laufschaufeln des mindestens einen Laufrades zu beeinflussen.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die unterschiedlichen Brennkraftmaschinen erfordern teils verschiedene Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der dem Verdichter zugeführten Ladeluft unter Verwendung der Klappe ein Drall aufgezwungen wird, sobald die Ladeluftmenge eine vorgebbare Ladeluftmenge unterschreitet, und zwar in der Art, dass der Anströmwinkel α verbessert wird.
Die Klappe verleiht der in das Laufrad eintretenden Ladeluftströmung eine zum Laufrad bzw. zur Welle des Verdichters tangential ausgerichtete Geschwindigkeitskomponente, d. h. einen Drall, wodurch der Verdichter auch kleinere Ladeluftmengen ohne die Gefahr eines Pumpens komprimieren kann.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der dem Verdichter zugeführten Ladeluft unter Verwendung der Klappe ein Drall aufgezwungen wird, sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine n_mot eine vorgebbare Drehzahl unterschreitet.
Die Ladeluftmenge nimmt grundsätzlich mit der Drehzahl n_mot zu. Bei einem traditionellen Ottomotor mit Quantitätsregelung steigt die Ladeluftmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Ladeluftmenge bei einem traditionellen Dieselmotor mit Qualitätsregelung in erster Näherung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine, so dass zusätzlich der Ladedruck auf der Ansaugseite zu berücksichtigen ist, der sich mit der Last und/oder der Drehzahl ändern kann und Einfluss auf die Ladeluftmenge hat. Die vorstehend dargelegten Zusammenhänge betreffend die Ladeluftmenge und die Last bzw. Drehzahl gelten folglich in dieser allgemeinen Form nur bedingt. Daher kann es vorteilhaft sein, zunächst auf die Ladeluftmenge abzustellen und nicht direkt auf die Drehzahl.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der dem Verdichter zugeführten Ladeluft unter Verwendung der Klappe ein Drall aufgezwungen wird, sobald die Last der Brennkraftmaschine T_mot eine vorgebbare Last unterschreitet. Bei einer Quantitätsregelung steigt die Ladeluftmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a, 1b, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten und mit Blick in Richtung der Verdichterwelle,
1b schematisch den in 1a dargestellten Verdichter, um 90° gedreht und entlang der Verdichterwelle geschnitten,
2a schematisch die Laufschaufeln des in den 1a und 1b dargestellten Verdichters in der Abwicklung mitsamt dem Geschwindigkeitsdreieck einer drallbehafteten Anströmung, und
2b das zu 2a gehörende Geschwindigkeitsdreieck einer drallfreien Anströmung.
1a zeigt schematisch den im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten und mit Blick in Richtung der Verdichterwelle 1a. 1b zeigt den in 1a dargestellten Verdichter 1, um 90° gedreht und entlang der Verdichterwelle 1a geschnitten.
Der Verdichter 1 ist im Ansaugsystem 2 der Brennkraftmaschine angeordnet und verfügt über ein Laufrad 1c, welches in einem Verdichtergehäuse 1b auf einer drehbaren Welle 1a angeordnet und mit Laufschaufeln ausgestattet ist.
Das Ansaugsystem 2 stromaufwärts des Laufrades 1c weist einen Abschnitt 2a auf, der vorliegend senkrecht zur virtuellen Verlängerung 1a´ der Welle 1a des Verdichters 1 verläuft und diese virtuelle Verlängerung 1a´ beabstandet zum Laufrad 1c schneidet.
In dem Abschnitt 2a des Ansaugsystems 2 ist mittig eine verschwenkbare Klappe 4 angeordnet, die um eine Achse 4a verschwenkbar ist, welche parallel zur Welle 1a des Verdichters 1 verläuft, so dass beidseitig der Klappe 4 Ladeluft vorbeigeführt werden kann.
Der Abschnitt 2a gabelt sich in bogenförmige Kanäle 3a, 3b, die unter Ausbildung eines Ringkanals 3 zusammenführen. Der Ringkanal 3 verläuft um die virtuelle Verlängerung 1a´ der Welle 1a des Verdichters 1 herum, ist kreisförmig und auf der dem Laufrad 1c zugewandten Seite offen ausgebildet ist.
Der Verdichter 1 weist einen Eintrittsbereich 1e auf, der zwischen dem Ringkanal 3 und dem Laufrad 1c angeordnet ist und koaxial zur Welle 1a des Verdichters 1 verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuführung der Ladeluft zum Verdichter 1 ohne weitere Maßnahmen axial erfolgt. Der Eintrittsbereich 1e sowie der Ringkanal 3 sind vorliegend integral mit dem übrigen Verdichtergehäuse 1b ausgebildet.
Durch geeignetes Verschwenken der Klappe 4 wird auf die Verteilung der Ladeluft auf die beiden bogenförmigen Kanäle 3a, 3b Einfluss genommen, d. h. die Ladeluft in unterschiedlich große Ladeluftströme aufgeteilt.
Die beiden Ladeluftströme sind Ladeluftströme mit unterschiedlich orientiertem Drall, die sich gegenseitig beeinflussen, insbesondere abschwächen (durch Pfeile kenntlich gemacht). In 1a umfasst die Ladeluftströmung im rechten Kanal 3a die größere Ladeluftmenge. Der dem Laufrad 1c zugeführten Ladeluftströmung wird dadurch ein entsprechend orientierter Drall aufgeprägt.
Die Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung wird gegenüber der Welle 1a des Verdichters 1 gedreht und zwar in der Art, dass sich in Kombination mit der Umfangsgeschwindigkeit u des Laufrades 1c bzw. der Laufschaufeln 1d eine verbesserte relative Anströmgeschwindigkeit w der Ladeluft relativ zu den rotierenden Laufschaufeln 1d einstellt. Auf die Art und den Umfang der Drehung der Absolutgeschwindigkeit c der Ladeluftanströmung gegenüber der Welle 1a des Verdichters 1 kann mittels Verschwenken der Klappe 4 Einfluss genommen werden.
2a zeigt schematisch die rotierenden Laufschaufeln 1d des in den 1a und 1b dargestellten Verdichters 1 in der Abwicklung mitsamt dem Geschwindigkeitsdreieck c₂, w₂, u der drallbehafteten Anströmung. In 2b ist das dazugehörige Geschwindigkeitsdreieck c₁, w₁, u einer drallfreien Anströmung dargestellt. Die unterschiedlichen Strömungsbedingungen werden anhand der Geschwindigkeitsvektoren ersichtlich.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
1a: Welle des Verdichters, Drehachse des Laufrades
1a´: virtuelle Verlängerung der Welle des Verdichters
1b: Verdichtergehäuse
1c: Laufrad
1d: Laufschaufeln
1e: Eintrittsbereich
2: Ansaugsystem
2a: Abschnitt des Ansaugsystems
3: Ringkanal
3a: bogenförmiger Kanal
3b: bogenförmiger Kanal
4: verschwenkbare Klappe
4a: Achse der verschwenkbare Klappe
n_mot: Drehzahl der Brennkraftmaschine
T_mot: Last der Brennkraftmaschine
α₁: Anströmwinkel relativ zu den Laufschaufeln ohne Vorliegen eines Dralls
α₂: Anströmwinkel relativ zu den Laufschaufeln bei Vorliegen eines Dralls
c₁: Absolutgeschwindigkeit der Anströmung ohne Drall
c₂: Absolutgeschwindigkeit der Anströmung mit Drall
u: Umfangsgeschwindigkeit infolge der Drehbewegung des Laufrades
w₁: Relativgeschwindigkeit der Anströmung zu den Laufschaufeln ohne Vorliegen eines Dralls
w₂: Relativgeschwindigkeit der Anströmung zu den Laufschaufeln bei Vorliegen eines Dralls

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases, und – einem Verdichter (1), der im Ansaugsystem (2) angeordnet ist und der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse (1b) auf einer drehbaren Welle (1a) angeordnetes und mit Laufschaufeln (1d) ausgestattetes Laufrad (1c) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ansaugsystem (2) stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (1c) einen Abschnitt (2a) aufweist, der quer zu einer virtuellen Verlängerung (1a´) der Welle (1a) des Verdichters (1) verläuft und in dem eine verschwenkbare Klappe (4) angeordnet ist, wobei sich dieser Abschnitt (2a) zumindest auf der dem mindestens einen Laufrad (1c) abgewandten Seite in bogenförmige Kanäle (3a, 3b) gabelt, die unter Ausbildung eines Ringkanals (3), welcher auf der dem mindestens einen Laufrad (1c) zugewandten Seite offen ausgebildet ist, zusammenführen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (2a) die virtuelle Verlängerung (1a´) der Welle (1a) des Verdichters (1) schneidet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (2a) senkrecht zu der virtuellen Verlängerung (1a´) der Welle (1a) des Verdichters (1) verläuft.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschwenkbare Klappe (4) im Wesentlichen mittig in dem Abschnitt (2a) angeordnet ist, so dass beidseitig der Klappe (4) Ladeluft vorbeiführbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (4) um eine Achse (4a) verschwenkbar ist, die im Wesentlichen parallel zur Welle (1a) des Verdichters (1) verläuft.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (3) zumindest abschnittsweise kreisförmig ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (3) um die virtuelle Verlängerung (1a´) der Welle (1a) des Verdichters (1) herum verläuft.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (3) beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad (1c) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ringkanal (3) und dem mindestens einen Laufrad (1c) ein Eintrittsbereich (1e) des Verdichters (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (1e) koaxial zur Welle (1a) des Verdichters (1) verläuft und ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (1) eine Drosselvorrichtung im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtung eine Drosselklappe ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (1) ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) ein Radialverdichter ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) der Verdichter des Abgasturboladers ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (1c) im Ansaugsystem (2) angeordnete Klappe (4) verschwenkt wird, um einen Anströmwinkel α der dem Verdichter (1) zugeführten Ladeluft relativ zu den Laufschaufeln (1d) des mindestens einen Laufrades (1c) zu beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verdichter (1) zugeführten Ladeluft unter Verwendung der Klappe (4) ein Drall aufgezwungen wird, sobald die Ladeluftmenge eine vorgebbare Ladeluftmenge unterschreitet, in der Art, dass der Anströmwinkel α verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verdichter (1) zugeführten Ladeluft unter Verwendung der Klappe (4) ein Drall aufgezwungen wird, sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine n_mot eine vorgebbare Drehzahl unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verdichter (1) zugeführten Ladeluft unter Verwendung der Klappe (4) ein Drall aufgezwungen wird, sobald die Last der Brennkraftmaschine T_mot eine vorgebbare Last unterschreitet.