DE10226694A1

DE10226694A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung

Info

Publication number: DE10226694A1
Application number: DE2002126694
Authority: DE
Inventors: Michele Clemente
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-06-15
Filing date: 2002-06-15
Publication date: 2003-12-24

Abstract

Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung umfasst einen Hauptverdichter im Ansaugtrakt zur Erzeugung eines erhöhten Ladedrucks, unter dem Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zuführbar ist. Das Entlüftungsgas aus der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung ist in den Ansaugtrakt überführbar. DOLLAR A Die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung umfasst einen Zusatzverdichter, über den ein erhöhter Gasdruck im Entlüftungsgas einstellbar ist. Die Abströmseite des Zusatzverdichters ist mit dem Ansaugtrakt stromab des Hauptverdichters verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der Druckschrift DE 197 54 197 A1 wird eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, die mit einem Kurbelgehäuseentlüftungssystem ausgestattet ist. Hierbei werden Kurbelgehäusegase in das Ansaugsystem zurückgeführt, wofür eine Entlüftungsleitung in die Saugseite des Verdichtergehäuses des Verdichters im Ansaugtrakt einmündet. Problematisch hierbei ist jedoch, dass die Entlüftungsgase Ölrückstände aus dem im Kurbelgehäuse befindlichen Öl und gegebenenfalls sogar Kohlerückstände aufweisen können, die auf eine Verkokung der Ölbestandteile im Öl-Luft-Gemisch im Kurbelgehäuse zurückzuführen sind. Diese Rückstände können sich im Verdichter absetzen und zu einer Beeinträchtigung der Verdichterfunktion führen.

Um ein unerwünschtes Absetzen der Rückstände im Verdichter zu vermeiden oder zu reduzieren ist das Verdichtergehäuse mit einer die Anhaftung von Ölkohlerückständen vermeidenden Teflonbeschichtung versehen, wodurch jedoch die Stückkosten für den Verdichter erhöht werden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung zu schaffen, die sich durch eine lange Betriebsdauer und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Es soll insbesondere vermieden werden, dass sich im Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine Rückstände aus dem rückgeführten Entlüftungsgas absetzen können.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist zum einen einen Hauptverdichter im Ansaugtrakt zur Erzeugung eines erhöhten Ladedruckes auf, zum anderen einen Zusatzverdichter, welcher der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung zugeordnet ist und über den die Entlüftungsgase aus dem Kurbelgehäuse auf einen erhöhten Gasdruck verdichtet werden können. Die Entlüftungsgase werden unter dem erhöhten Gasdruck auf der Abströmseite des Zusatzverdichters stromab des Hauptverdichters in den Ansaugtrakt eingeleitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Entlüftungsgase den Hauptverdichter umgehen, so dass der Hauptverdichter und insbesondere das Hauptverdichterrad nicht in Kontakt mit den Entlüftungsgasen geraten. Der Hauptverdichter und die dem Hauptverdichter zugeordneten Bauteile bleiben frei von jeglichen Gasrückständen.

Über die Druckerhöhung in den Entlüftungsgasen mit Hilfe des Zusatzverdichters ist sichergestellt, dass die Entlüftungsgase auf ein Druckniveau komprimiert werden können, welches dem Ladedruck stromab des Hauptverdichters entspricht bzw. den Ladedruck übersteigt, so dass eine Einleitung der Entlüftungsgase in die unter dem erhöhten Ladedruck stehende Verbrennungsluft zwischen Hauptverdichter und Zylindereinlässen möglich ist. Unerwünschte Rückströmungen in der Entlüftungsleitung zwischen Kurbelgehäuse und Ansaugtrakt werden vermieden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine zusätzlich mit einer Abgasrückführungseinrichtung ausgestattet ist, über die unter bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine Abgas aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt rückzuführen ist. Die Abgasrückführungseinrichtung umfasst eine Rückführleitung sowie ein einstellbares Rückführventil, über das der rückgeführte Abgasmassenstrom einzustellen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführung mündet die Rückführleitung ebenso wie die Entlüftungsleitung in den Zusatzverdichter, wodurch die Einsatzmöglichkeiten der Abgasrückführung erweitert werden, da nunmehr auch in Betriebspunkten der Brennkraftmaschine eine Abgasrückführung durchgeführt werden kann, in welchen der Abgasgegendruck geringer ist als der Ladedruck. Die Druckdifferenz zwischen Abgasgegendruck und Ladedruck kann mit Hilfe des Zusatzverdichters überwunden werden. Ebenso wie bei der Einleitung der Entlüftungsgase bleibt auch im Falle einer Rückführung von Abgas der Hauptverdichter ohne Kontakt zum Abgas, wodurch eine Verschmutzung des Hauptverdichters vermieden wird.

In einer vorteilhaften Ausführung ist der Zusatzverdichter koaxial zum Hauptverdichter angeordnet und mit diesem gekoppelt. Die Kopplung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass das Zusatzverdichtergehäuse mit dem Hauptverdichtergehäuse verbunden ist, wobei zweckmäßig zwischen den benachbarten Wandungen der Gehäuse ein Abströmkanal oder ein Diffusor des Zusatzverdichters gebildet ist, über den die verdichteten Entlüftungsgase in den Ansaugtrakt stromab des Hauptverdichters eingeleitet werden. Des Weiteren kann das Zusatzverdichterrad des Zusatzverdichters als Vorsatzläufer ausgeführt sein, welches stromauf des Hauptverdichterrades angeordnet ist. Der Zusatzverdichter weist in dieser Ausführung vorteilhaft einen Hauptzuströmkanal für den Hauptverdichter sowie einen hiervon gasdicht abgeteilten Zusatzzuströmkanal zum Zusatzverdichterrad auf. Über den Hauptzuströmkanal stromauf des Hauptverdichterrades wird Frischluft angesaugt und dem Hauptverdichterrad zugeführt. Der Zusatzzuströmkanal ist dagegen mit der Entlüftungsleitung verbunden; über ihn werden die Entlüftungsgase und gegebenenfalls das rückgeführte Abgas dem Zusatzverdichterrad zugeführt.

Der Hauptzuströmkanal ist zweckmäßig zentral angeordnet und der Zusatzzuströmkanal demgegenüber radial nach außen versetzt angeordnet. Die über den Hauptzuströmkanal einströmende Frischluft wird vorteilhaft durch Ausnehmungen im Zusatzverdichterrad hindurchgeleitet, wobei das Zusatzverdichterrad in seinem radial außen liegenden Bereich Verdichterradschaufeln für die Verdichtung der Entlüftungsgase und gegebenenfalls auch des rückgeführten Gases aufweist. Über die zentrale Anordnung des Hauptzuströmkanals und die radial nach außen versetzte Anordnung des Zusatzzuströmkanals können beide Kanäle in ein gemeinsames Bauteil integriert werden.

Für den Fall, dass stromab des Hauptverdichters ein Ladeluftkühler im Ansaugtrakt angeordnet ist, mündet das Entlüftungsgas nach dem Austritt aus dem Zusatzverdichter zweckmäßig stromab dieses Ladeluftkühlers in den Ansaugtrakt, um ein Verunreinigen des Ladeluftkühlers zu vermeiden.

Die separate Ausführung von Hauptverdichter und Zusatzverdichter ermöglicht ein leichtes Austauschen und Reinigen des Zusatzverdichters unabhängig vom Hauptverdichter, welcher hierbei in seiner Einbauposition verbleiben kann.

Der Hauptverdichter ist vorteilhaft Teil eines Abgasturboladers mit einer im Abgasstrang angeordneten und von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebenen Abgasturbine, deren Drehbewegung über eine Welle auf das Verdichterrad übertragen wird. Auch der Zusatzverdichter wird zweckmäßig von der Abgasturbine angetrieben, indem das Zusatzverdichterrad bevorzugt drehfest auf der verbindenden Welle aufsitzt bzw. mit dem Hauptverdichterrad verbunden ist. Alternativ zu einem Abgasturbolader kann aber auch ein Kompressor verwendet werden, welcher mechanisch von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Schließlich kommt auch ein elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetriebener Verdichter in Betracht.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und einer Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung, über die Entlüftungsgase aus dem Kurbelgehäuse in den Ansaugtrakt stromab des Hauptverdichters einzuleiten sind, wobei über eine Abgasrückführungseinrichtung optional auch Abgas aus dem Abgasstrang über den Zusatzverdichter in den Ansaugtrakt rückgeführt werden kann,
Fig. 2a einen Schnitt durch den Hauptverdichter des Abgasturboladers mit aufgesetztem Zusatzverdichter,
Fig. 2b das Zusatzverdichterrad des Zusatzverdichters in isolierter Darstellung,
Fig. 2c das Gehäuse des Zusatzverdichters.
In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 2 zugeordnet, welcher eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einen Hauptverdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst, wobei die Abgasturbine 3 und der Abgasstrang 4 über eine Welle 7 drehfest miteinander verbunden sind. Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 8 ausgestattet, die eine veränderliche Einstellung des wirksamen Strömungseintrittsquerschnittes zum Turbinenrad der Abgasturbine 3 erlaubt und zwischen einer einen erhöhten Abgasgegendruck erzeugenden Staustellung und einer maximalen Öffnungsstellung zu verstellen ist. Die variable Turbinengeometrie ist beispielsweise als axial in den Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad einschiebbares Leitgitter oder als im Strömungseintrittsquerschnitt angeordnetes Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln ausgebildet.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Turbinenrad der Abgasturbine 3 von den unter Überdruck stehenden Abgasen angetrieben, wobei die Turbinenradbewegung über die Welle 7 auf das Verdichterrad im Hauptverdichter 5 übertragen wird, woraufhin Verbrennungsluft in den Hauptverdichter 5 angesaugt und auf einen erhöhten Druck verdichtet wird. Stromab des Verdichters 5 ist im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 9 angeordnet, in welchem die verdichtete Luft gekühlt wird. Nach dem Durchströmen des Ladeluftkühlers 9 wird die Verbrennungsluft unter Ladedruck den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Auf der Abgasseite werden die Abgase nach dem Durchströmen der Abgasturbine 3 zunächst einer Reinigung unterzogen und schließlich aus dem System ausgeleitet.
Dem Hauptverdichter 5 ist ein Zusatzverdichter 10 zugeordnet, welcher koaxial zum Hauptverdichter 5 angeordnet ist und dessen Gehäuse fest mit dem Gehäuse des Hauptverdichters verbunden ist. Der Zusatzverdichter 10 weist ein separates Zusatzverdichterrad auf, welches drehfest mit der Welle 7 bzw. mit dem Hauptverdichterrad des Hauptverdichters 5 gekoppelt ist. Dem Zusatzverdichter 10 werden über eine Entlüftungsleitung 11 Entlüftungsgase aus dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 1 zur Einleitung in den Ansaugtrakt 6 zugeführt. In der Entlüftungsleitung 11 ist ein Sperrventil 12 angeordnet, das zur Einstellung des rückzuführenden Gasstroms der Entlüftungsgase regulierbar ausgeführt ist. Die Entlüftungsgase werden im Zusatzverdichter 10 auf einen erhöhten Druck verdichtet, welcher vorteilhaft zumindest dem Ladedruck stromab des Hauptverdichters 5 entspricht, und nach der Verdichtung stromab des Ladeluftkühlers 9 in den Ansaugtrakt 6 eingeleitet und gemeinsam mit der unter Ladedruck stehenden Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Entlüftungsleitung 11, Sperrventil 12 und Zusatzverdichter 10 bilden hierbei eine Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung, welche separat vom Ansaugtrakt 6 bzw. vom Abgasstrang 4 ausgeführt ist, so dass kein unerwünschter Gasübertritt insbesondere vor der Verdichtung der Entlüftungsgase im Zusatzverdichter 10 erfolgt.
Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführungseinrichtung auf, die eine Rückführleitung 13 zwischen dem Abgasstrang 4 und dem Ansaugtrakt 6 sowie ein in der Rückführleitung 13 angeordnetes Sperrventil 14 und einen stromab des Sperrventils angeordneten Abgaskühler 15 umfasst. Das Sperrventil 14 ist regulierbar ausgebildet. Die Rückführleitung 13 zweigt vom Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 ab und mündet in den Zusatzverdichter 10 bzw. die Entlüftungsleitung 11 stromab des Sperrventils 12 in der Entlüftungsleitung, so dass die rückgeführten Abgase im Zusatzverdichter 10 auf einen erhöhten Druck verdichtet werden und unter diesem erhöhten Druck schließlich in den Ansaugtrakt 6 eingeleitet werden. Aufgrund der zusätzlichen Verdichtung im Zusatzverdichter 10 ist auch eine Rückführung von Abgas vom Abgasstrang 4 in den Ansaugtrakt 6 in Betriebspunkten der Brennkraftmaschine möglich, in welchen im Abgasstrang 4 ein geringeres Druckniveau als im Ansaugtrakt 6 stromab des Hauptverdichters 5 herrscht.
Über eine Einstellung des Sperrventiles 12 in der Entlüftungsleitung 11 sowie des Sperrventiles 14 in der Rückführleitung 13 kann dem Zusatzverdichter 10 entweder ausschließlich Entlüftungsgas, ausschließlich Abgas oder gemischt Entlüftungs- und Abgas zugeführt werden.
Über eine Regel- und Steuereinheit 16 können die regulierbaren Stellglieder der Brennkraftmaschine bzw. der der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregate in Abhängigkeit von motorischen und sonstigen Zustands- und Betriebsgrößen eingestellt werden. Dies betrifft insbesondere die Sperrventile 12 und 14 in der Entlüftungsleitung 11 bzw. der Rückführleitung 13 sowie die variable Turbinengeometrie 8 in der Abgasturbine 3.
In Fig. 2a ist der Hauptverdichter 5 im Schnitt dargestellt. Auf der Anströmseite des Hauptverdichters 5 ist der Zusatzverdichter 10 angeordnet, dessen Zusatzverdichtergehäuse 18 über eine lösbare Verbindung mit dem Hauptverdichtergehäuse 17 Verbunden ist. Im Zusatzverdichtergehäuse 18 ist ein koaxial zur Laderachse verlaufender Hauptzuströmkanal 19 ausgebildet, über den die Verbrennungsluft dem Hauptverdichter 5 zugeführt wird. Des Weiteren weist das Zusatzverdichtergehäuse 18 einen Zusatzzuströmkanal 20 auf, welcher über eine Wandung 21 gasdicht vom Hauptzuströmkanal 19 separiert ist, so dass sich die jeweiligen Gasströme nicht vermischen können. Über den Zusatzzuströmkanal 20 können die Entlüftungsgase und/oder das Abgas in den Zusatzverdichter 10 eingeleitet werden; die Zuführung erfolgt insbesondere über einen Radialstutzen 22. Der Zusatzzuströmkanal 20 verläuft parallel, jedoch radial nach außen versetzt zum Hauptzuströmkanal 19.
Der Zusatzverdichter 10 umfasst des Weiteren ein Zusatzverdichterrad 24, welches über Befestigungselemente 25 (Fig. 2b) drehfest mit dem Hauptverdichterrad 23 des Hauptverdichters 5 verbunden ist. Das Zusatzverdichterrad 24 ist in Strömungsrichtung gesehen dem Hauptverdichterrad 23 vorgelagert und bildet einen Vorsatzläufer stromauf des Hauptverdichterrades. In das Zusatzverdichterrad 24 sind Ausnehmungen 26 eingebracht, die im Strömungsweg der Verbrennungsluft für den Hauptverdichter 5 liegen und eine Durchströmung der Verbrennungsluft und Zuleitung auf das Hauptverdichterrad 23 erlauben. An die Ausnehmungen 26 schließen sich radial nach außen Turbinenschaufeln 27 am Zusatzverdichterrad 24 an, die im Strömungsweg für die Entlüftungsgase bzw. das Abgas liegen und über den Zusatzzuströmkanal 20 mit den Gasen versorgt werden.
Im Betrieb des Hauptverdichters 5 und des Zusatzverdichters 10 strömt Verbrennungsluft in Pfeilrichtung axial in den Hauptzuströmkanal 19, strömt durch die Ausnehmungen 26 im Zusatzverdichterrad 24 hindurch und trifft auf das Hauptverdichterrad 23, über dessen Drehbewegung die Verbrennungsluft verdichtet wird und radial in einen Diffusor 28 des Hauptverdichters 5 abgeleitet wird. Vom Diffusor 28 strömt die verdichtete Verbrennungsluft weiter in den Abgasstrang 4.
Die Entlüftungsgase und/oder das Abgas werden radial über den Radialstutzen 22 in den Zusatzzuströmkanal 20 eingeleitet und treffen im weiteren Strömungsverlauf auf die Turbinenschaufeln 27 des Zusatzverdichterrades 24, woraufhin eine Verdichtung stattfindet und die Gase radial in einen Diffusor 29 des Zusatzverdichters 10 abgeleitet werden. Über einen Abströmkanal 30 werden die verdichteten Gase aus dem Diffusor 29 abgeführt und stromab eines Ladeluftkühlers in den Ansaugtrakt 6 eingeleitet.
Der Diffusor 29 des Zusatzverdichters 10 ist zwischen einer äußeren Wandung 31 des Hauptverdichtergehäuses 17 und einer Wandung 32 des Zusatzverdichtergehäuses 18 gebildet, siehe auch Fig. 2c.

Claims

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung, mit einem Hauptverdichter (5) im Ansaugtrakt (6) zur Erzeugung eines erhöhten Ladedrucks, unter dem Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine (1) zuführbar ist, wobei das Entlüftungsgas aus der Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung in den Ansaugtrakt (6) überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung einen Zusatzverdichter (10) umfasst, über den ein erhöhter Gasdruck im Entlüftungsgas einstellbar ist, wobei die Abströmseite des Zusatzverdichters (10) mit dem Ansaugtrakt (6) stromab des Hauptverdichters (5) verbunden ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzverdichter (10) koaxial zum Hauptverdichter (5) angeordnet und mit diesem gekoppelt ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzverdichterrad (24) des Zusatzverdichters (10) als Vorsatzläufer ausgeführt ist, der stromauf des Hauptverdichterrades (23) des Hauptverdichters (5) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzverdichterrad (24) des Zusatzverdichters (10) als ein mit dem Hauptverdichter (5) verbundenes Rückenrad ausgeführt ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzverdichterrad (24) des Zusatzverdichters (10) drehfest mit dem Hauptverdichterrad (23) des Hauptverdichters (5) verbunden ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzverdichter (10) einen Hauptzuströmkanal (19) für den Hauptverdichter (5) und einen vom Hauptzuströmkanal (19) gasdicht abgeteilten Zusatzuströmkanal (20) aufweist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptzuströmkanal (19) zentral angeordnet und der Zusatzzuströmkanal (20) gegenüber dem Hauptzuströmkanal (19) radial nach außen versetzt angeordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzverdichterrad (24) im Bereich des Hauptzuströmkanals (19) Ausnehmungen (26) für die angesaugte Verbrennungsluft aufweist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Wandungen (31, 32) des Hauptverdichtergehäuses (17) und des Zusatzverdichtergehäuses (18) ein Diffusor (29) des Zusatzverdichters (10) gebildet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptverdichter (5) Teil eines Abgasturboladers (2) ist und von einer im Abgasstrang (4) angeordneten Abgasturbine (3) angetrieben wird.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführeinrichtung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung (13) zwischen dem Abgasstrang (4) und dem Ansaugtrakt (6) stromab des Hauptverdichters (5) sowie ein einstellbares Rückführ- bzw. Sperrventil (14) umfasst.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (13) der Abgasrückführeinrichtung in den Zusatzverdichter (10) mündet.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass stromab den Hauptverdichters (5) ein Ladeluftkühler (9) im Ansaugtrakt (6) angeordnet ist und dass das Entlüftungsgas stromab des Ladeluftkühlers (9) in den Ansaugtrakt (6) mündet.