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Die
Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In
der Druckschrift
DE
198 53 360 A1 wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine
mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern beschrieben. Ein
erster Abgasturbolader übernimmt
die Funktion eines Hauptturboladers, dessen Abgasturbine im Abgasstrang
und dessen Verdichter im Ansaugtrakt angeordnet ist, wobei der Verdichter
unter Umgebungsluft angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck
komprimiert. Zur Verbesserung des transienten Ansprechverhaltens
ist dem Hauptlader ein Sekundärlader
nachgeschaltet, dessen Verdichter in einem zuschaltbaren Bypass
stromab des Hauptverdichters im Ansaugtrakt und dessen Turbine ebenfalls
in einem zuschaltbaren Bypass stromauf der Hauptturbine im Abgasstrang
angeordnet ist. Im niederen Drehzahlbereich wird der Sekundärlader zugeschaltet,
der aufgrund seiner geringeren Größe ein schnelleres Ansprechverhalten
aufweist. Im mittleren und oberen Drehzahlbereich kommt dagegen
der Hauptturbolader zum Tragen, welcher höhere Leistungen ermöglicht.
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Voraussetzung
für einen
aktiven Betrieb sowohl des Hauptladers als auch des Sekundärladers ist
jedoch eine Druckanforderung der Brennkraftmaschine im Ansaugtrakt
mit Überdruck.
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Bei
niedrigen Lasten und Drehzahlen, insbesondere im Leerlauf, muss
dagegen im Ansaugtrakt mithilfe einstellbarer Drosselelemente ein
Unterdruck erzeugt werden. In diesem Last- und Drehzahlbereich kann
der Sekundärlader
keinen Beitrag leisten. Mit ansteigender Last kann zwar durch die
Inbetriebnahme des Sekundärladers
das transiente Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden,
der Hauptlader läuft
jedoch immer noch mit lediglich niedriger Drehzahl mit und muss
bei weiter ansteigenden Lasten auf eine Mindest-Betriebsdrehzahl beschleunigt werden,
damit vom Hauptverdichter eine signifikante Verdichtungsarbeit geleistet
werden kann.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Ansprechverhalten von
Brennkraftmaschinen insbesondere beim Beschleunigen aus niedrigen Lasten
und Drehzahlen heraus zu verbessern. Zweckmäßig soll die Laderdrehzahl
eines eingesetzten Abgasturboladers auch bei niedrigen Lasten und Motordrehzahlen
auf ein Mindestniveau angehoben werden.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besitzt
zusätzlich
zu dem Abgasturbolader, der im Abgasstrang eine Abgasturbine und
im Ansaugtrakt einen Verdichter umfasst, einen Sekundärlader mit einer
Sekundärturbine
und einem Sekundärverdichter,
wobei die Sekundärturbine
im Strömungsweg
der Frischluft zur Brennkraftmaschine angeordnet ist und der Sekundärturbinen-Auslass
mit dem Ansaugtrakt verbunden ist. Bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der
Brennkraftmaschine, bei denen im Ansaugtrakt unmittelbar vor den
Zylindereingängen
ein Unterdruck herrscht, kann das Druckgefälle zwischen Umgebungsdruck
und Unterdruck im Ansaugtrakt für den
Antrieb der Sekundärturbine
ausgenutzt werden (so genannter Kaltluft-Turbinenbetrieb), wobei
der Sekundärturbinen-Antrieb über die
Laderwelle auf den Sekundärverdichter übertragen
wird, so dass der Sekundärverdichter
Verdichtungsarbeit erzeugt. Diese Verdichtungsarbeit kann für die Verdichtung
von Gas für
unterschiedliche Einsatzzwecke in der Brennkraftmaschine verwendet
werden, insbesondere aber für
Drehzahlsteigerungen des Abgasturboladers herangezogen werden.
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Der
Sekundärverdichter
saugt zweckmäßig Frischluft
unter Umgebungsdruck an und komprimiert diese auf einen erhöhten Druck,
unter dem die Frischluft weiter verwendet werden kann. Gemäß einer
ersten zweckmäßigen Ausführung wird
die im Sekundärverdichter
komprimierte Luft in den Abgasstrang stromauf der Abgasturbine eingeleitet,
so dass die Abgasturbine von einem zusätzlichen Gasvolumen mit erhöhtem Druck
durchströmt
und hierdurch die Laderdrehzahl des Abgasturboladers angehoben wird.
Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise im Leerlauf
des Motors, kann auf diese Weise eine Drehzahlanhebung des Abgasturboladers
erreicht werden, die mit dem bei diesen Motorbedingungen verhältnismäßig geringen
Abgasausstoß alleine
nicht zu realisieren wäre.
Mittels der Einspeisung der vom Sekundärverdichter komprimierten Luft
in den Abgasstrang stromauf der Abgasturbine wird somit bereits
bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine
signifikante Drehzahlsteigerung des Laders erreicht. Bei einem Anstieg
der Motordrehzahl und einer hiermit einhergehenden höheren Druckanforderung
im Ansaugtrakt kann der bereits mit Betriebsdrehzahl umlaufende
Abgasturbolader ohne zeitliche Verzögerung den gewünschten,
erhöhten
Ladedruck bereitstellen.
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Gemäß einer
zweiten zweckmäßigen Ausführung ist
der Auslass des Sekundärverdichters
direkt oder indirekt mit dem Einlass der Sekundärturbine verbunden, wodurch
ein Kurzschluss zwischen Sekundärverdichter
und Sekundärturbine
realisiert wird. In dieser Betriebsweise strömt bei niedrigen Lasten und
Drehzahlen der Brennkraftmaschine zunächst Frischluft durch den Sekundärverdichter
hindurch, die anschließend
durch die Sekundärturbine geleitet
wird, wobei über
der Sekundärturbine
aufgrund des Unterdruckes im Ansaugtrakt ein Druckgefälle herrscht,
welches für
den Antrieb der Sekundärturbine
dient. Der Antrieb der Sekundärturbine
wird auf den Sekundärverdichter übertragen,
welcher die durchgeschleuste Frischluft auf einen erhöhten Druck
verdichtet. Nach und nach stellt sich somit stromab des Sekundärverdichters
und stromauf der Sekundärturbine
ein erhöhtes
Druckniveau ein, wobei zwischen Sekundärverdichter und Sekundärturbine
vorteilhaft ein Luftpuffer angeordnet ist, in welchem das verdichtete
Luftvolumen gesammelt wird. Das ansteigende Druckniveau im Luftpuffer
verbessert den Antrieb der Sekundärturbine.
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Aus
dem Luftpuffer strömt
zum einen die komprimierte Luft durch die Sekundärturbine und treibt diese an,
zum andern kann über
einen Bypass, welcher unmittelbar zwischen Luftpuffer und Ansaugtrakt
liegt und in dem vorteilhaft eine Sekundär-Drosselklappe angeordnet
ist, der Inhalt des Luftpuffers direkt unter Umgehung der Sekundärturbine
in den Ansaugtrakt eingespeist werden. Die Zeitspanne, bestehend
aus einer ersten Phase mit geschlossenem Bypass und Luftführung über die
Sekundärturbine
in den Ansaugtrakt und einer zweiten Phase mit geöffnetem
Bypass und unmittelbarer Einleitung zusätzlicher Frischluft aus dem
Luftpuffer in den Ansaugtrakt, reicht aus, den Abgasturbolader durch
die Abgase der Brennkraftmaschine auf Betriebsdrehzahl zu beschleunigen,
so dass bei zunehmender Last- und Motordrehzahl der Abgasturbolader
ohne Zeitverzögerung
einen erhöhten
Ladedruck im Ansaugtrakt generieren kann. Der Sekundärlader spielt
in dieser Phase mit höheren
Lasten und Motordrehzahlen nur noch eine untergeordnete Rolle.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit
einem Abgasturbolader und einem Sekundärlader, wobei der Verdichterausgang
des Sekundärladers über eine
Verbindungsleitung mit dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine verbunden
ist,
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2 eine
Brennkraftmaschine in modifizierter Ausführung, gemäß der der Verdichterausgang und
der Turbineneingang des Sekundärladers über einen
Luftpuffer miteinander verbunden sind.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der
in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 – ein Ottomotor
oder eine Diesel-Brennkraftmaschine – ist ein Abgasturbolader 2 mit
einem Verdichter 3 und einer Abgasturbine 5 zugeordnet,
wobei Verdichter 3 und Abgasturbine 5 über eine
Welle 7 drehgekoppelt sind. Der Verdichter 3 ist
im Ansaugtrakt 4 der Brennkraftmaschine, die Abgasturbine
5 im Abgasstrang 6 angeordnet. Das Turbinenrad der Abgasturbine 5 wird
von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben,
die Drehbewegung wird über
die Welle 7 auf das Verdichterrad übertragen, woraufhin aus der
Umgebung Verbrennungsluft angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck
im An saugtrakt verdichtet wird. Die verdichtete Verbrennungsluft
wird stromab des Verdichters 3 im Ansaugtrakt 4 in
einem Ladeluftkühler 8 gekühlt und
anschließend
unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Die
Abgase der Brennkraftmaschine werden über den Abgasstrang 6 und
die im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine 5 abgeleitet.
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Des
weiteren ist eine Steuer- und Regeleinheit 9 vorgesehen,
welche in Abhängigkeit
von Zustands- und Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine sowie gegebenenfalls auch in Abhängigkeit
von Umgebungsbedingungen die der Brennkraftmaschine zugeordneten
und verstellbaren Aggregate einstellt.
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Zusätzlich zum
Abgasturbolader 2 ist der Brennkraftmaschine 1 ein
Sekundärlader 10 zugeordnet,
welcher insbesondere kleiner als der Abgasturbolader 2 dimensioniert
ist und somit aufgrund seiner geringeren Masse und seines kleineren
Trägheitsmomentes
schneller auf seine Betriebsdrehzahl beschleunigt werden kann. Der
Sekundärlader 10 umfasst
eine Sekundärturbine 11 sowie
einen Sekundärverdichter 12,
wobei Turbinenrad und Verdichterrad über eine Welle 13 gekoppelt
sind. Die Sekundärturbine 11 liegt
im Strömungsweg
der Frisch- bzw. Verbrennungsluft, welche den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zuzuführen ist.
Dies wird dadurch realisiert, dass stromauf eines einstellbaren
Drosselgliedes 15 im Ansaugtrakt 4 eine Luftzufuhrleitung 14 vom
Ansaugtrakt abzweigt, welche in den Einlass der Sekundärturbine 11 einmündet. Der
Auslass der Sekundärturbine 11 ist über einen
Leitungsabschnitt 16 mit dem Ansaugtrakt 4 stromab
des Drosselgliedes 15 verbunden.
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Der
Einlass des Sekundärverdichters 12 kommuniziert
mit der Umgebung, Umgebungsluft wird mit Atmosphärendruck dem Einlass des Sekundärverdichters 12 zugeführt. Der
Auslass des Sekundärverdichters 12 ist über eine
Verbindungsleitung 17 mit dem Abgasstrang 6 stromauf
der Abgasturbine 5 verbunden. In der Verbindungsleitung 17 befindet sich
ein einstellbares Sperrventil 18.
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Bei
niedrigen Lasten und Motordrehzahlen, insbesondere im Leerlauf der
Brennkraftmaschine 1, kann das Drosselglied 15 im
Ansaugtrakt 4 geschlossen oder zumindest beinahe geschlossen
werden, so dass die Verbrennungsluft gezwungen ist, den weg über die
Luftzufuhrleitung 14 und die Sekundärturbine 11 sowie
den Leitungsabschnitt 16 zu nehmen. Aufgrund des in diesen
Betriebszuständen
herrschenden Unterdrucks im Bereich der Zylindereingänge der
Brennkraftmaschine entsteht über
der Sekundärturbine 11 ein
Druckabfall, da eingangsseitig Atmosphärendruck und ausgangsseitig
Unterdruck anliegt. Dieser Druckabfall bewirkt einen Antrieb der Sekundärturbine 11,
deren Drehbewegung über
die welle 13 auf den Sekundärverdichter 12 übertragen wird,
woraufhin vom Sekundärverdichter 12 Frischluft aus
der Umgebung angesaugt und auf einen erhöhten Druck verdichtet wird.
Die verdichtete Luft wird über
den Ausgang des Sekundärverdichters 12 in
die Verbindungsleitung 17 eingeleitet und bei geöffnetem Sperrventil 18 in
den Abgasstrang 6 stromauf der Abgasturbine 5 eingeführt. Das
eingeführte
Luftvolumen, welches unter Überdruck
steht, treibt die Abgasturbine 5 und damit auch den Verdichter 3 an.
Auf diese weise wird der Abgasturbolader 2 trotz der in diesen
Motorbetriebszuständen
nur geringen Abgasmengen auf seine Betriebsdrehzahl beschleunigt.
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Wird – ausgehend
von niedrigen Lasten und Drehzahlen – eine höhere Lastanforderung an die Brennkraftmaschine
vorgegeben, so kann bei erhöhtem
Abgasausstoß der
Brennkraftmaschine 1 die bereits mit Betriebsdrehzahl umlaufende
Abgasturbine 5 ohne Verzögerung ansprechen und es kann
im Verdichter 3 ein erhöhter
Ladedruck der angesaugten Verbrennungsluft erzeugt werden. Auf diese
Weise wird das transiente Verhalten des Abgasturboladers 2 und
der Brennkraftmaschine 1 verbessert. Das Drosselglied 15 wird
zugleich in seine Öffnungsposition überführt, so
dass ein Großteil
der zuzuführenden
Verbrennungsluft den Weg unmittelbar über den Leitungsstrang des
Ansaugtraktes nimmt und über die
Luftzufuhrleitung 14 mit der darin angeordneten Sekundärturbine 11 nur
noch ein kleiner Anteil der Verbrennungsluft geführt wird. Gegebenenfalls kann auch
das Sperrventil 18 in der Verbindungsleitung 17 geschlossen
werden, wodurch eine Luftströmung durch
die Verbindungsleitung 17 ausgeschlossen ist und der Sekundärlader 10 praktisch
außer
Kraft gesetzt ist. In diesem Fall kann durch die Luftzufuhrleitung 14 keine
signifikante Luftmenge mehr hindurchströmen.
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Das
mit strichpunktierter Linie dargestellte Detail Ib zeigt eine modifizierte
Ausführung
mit einem Druckspeicher 19 in der Verbindungsleitung 17 zwischen
dem Auslass des Sekundärverdichters 12 und dem
Abgasstrang 6 stromauf der Abgasturbine 5. Im Druckspeicher 19 kann
so lange Frischluft unter erhöhtem
Druck gespeichert werden, bis aufgrund der aktuellen Anforderungen
eine erhöhte
Last- und Drehzahl in der Brennkraftmaschine eingestellt werden
muss. Zu diesem Zeitpunkt kann das bis dahin geschlossene Sperrventil 18 geöffnet werden,
woraufhin die im Druckspeicher gespeicherte, aufgeladene Frischluft
in den Abgasstrang 6 einströmt und das Turbinenrad der
Abgasturbine 5 antreibt. Um zu verhindern, dass Frischluft
aus dem Druckspeicher 19 wieder in Richtung Sekundärverdichter 2 zurückströmt, kann
stromauf des Druckspeichers 19 ein Gleichrichterventil 20 in
der Verbindungsleitung 17 angeordnet sein.
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Die
Variante mit dem Druckspeicher 19 bietet den Vorteil, dass
vor der Einleitung der Druckluft in den Abgasstrang zu nächst ein
erhöhtes
Druckniveau im Druckspeicher erreicht werden kann, so dass beim Öffnen des
Sperrventiles 18 ein schneller Anstieg der Laderdrehzahl
des Abgasturboladers realisiert werden kann.
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In
der Ausführung
gemäß 2 sind
die Sekundärturbine 11 und
der Sekundärverdichter 12 des Sekundärladers 10 über einen
Luftpuffer 22 kurzgeschlossen. Der Sekundärverdichter 12 entnimmt
der Umgebung Frischluft unter Atmosphärendruck und fördert diese
in den Luftpuffer 22, welcher mit dem Auslass des Sekundärverdichters 12 verbunden
ist. Der Luftpuffer 22 ist außerdem mit dem Einlass der Sekundärturbine 11 verbunden,
deren Auslass über die
Luftzufuhrleitung 14 mit dem Ansaugtrakt 4 verbunden
ist, wobei die Luftzufuhrleitung 14 stromab des einstellbaren
Drosselgliedes 15 in den Ansaugtrakt einmündet. In
der Luftzufuhrleitung 14 befindet sich stromab der Sekundärturbine 11 außerdem ein Gleichrichterventil 21,
welches eine Luftströmung
nur in Richtung Ansaugtrakt 4 erlaubt.
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Der
Luftpuffer 22 ist außerdem über einen Bypass 23 direkt
mit dem Ansaugtrakt 4 stromab des Drosselgliedes 15 verbunden.
Im Bypass 23 befindet sich eine einstellbare Sekundär-Drosselklappe 24.
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Bei
niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 kann
das Drosselglied 15 im Ansaugtrakt 4 geschlossen
werden. Auch die Sekundär-Drosselklappe 24 im
Bypass 23 wird geschlossen, so dass die Luftzufuhr zur
Brennkraftmaschine 1 über
den Sekundärverdichter 12,
den Luftpuffer 22, die Sekundärturbine 11 und die
Luftzufuhrleitung 14, welche in den Ansaugtrakt 4 mündet, erfolgt.
Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der unter Atmosphärendruck
stehenden Umgebungsluft und dem Unterdruck an der Zylindereingangsseite
erfährt
die Se kundärturbine 11 einen
Antrieb, welcher über
die Welle 13 auf den Sekundärverdichter 11 übertragen wird,
der daraufhin beginnt, Luft aus der Umgebung zu fördern und
auf einen erhöhten
Druck im Luftpuffer 22 zu verdichten. Hierdurch vergrößert sich
die Druckdifferenz zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite der
Sekundärturbine 11,
wodurch diese zusätzlich
angetrieben wird.
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Bei
einer erhöhten
Lastanforderung der Brennkraftmaschine 1 kann die Sekundär-Drosselklappe
im Bypass 23 geöffnet
werden, so dass die Druckluft im Luftpuffer 22 unmittelbar
unter Umgehung der Sekundärturbine 11 den
Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Über die Position der Sekundär-Drosselklappe 24 kann
der zuzuführende
Luftstrom gesteuert werden.
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Sobald
der Luftstrom nicht mehr ausreicht, um die Anforderung der Brennkraftmaschine
zu erfüllen,
kann das Drosselglied 15 im Ansaugtrakt 4 geöffnet werden,
so dass ein zunehmender Anteil der benötigten Verbrennungsluft über den
Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 bereitgestellt
wird. Da zu diesem Zeitpunkt die Brennkraftmaschine ihren niedersten Last-
und Drehzahlbereich bereits verlassen hat und demzufolge auch mehr
Abgas produziert, welches die Abgasturbine 5 antreibt,
befindet sich der Abgasturbolader 2 bereits auf seinem
Mindest-Drehzahlniveau, so dass mit Beginn des Öffnens des Drosselgliedes 15 vom
Verdichter 3 ohne Zeitverzögerung vom Verdichter 3 ein
ausreichend hohes Druckniveau im Ansaugtrakt 4 erzeugt
werden kann.
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Die
Sekundär-Drosselklappe 24 im
Bypass 23, welcher vom Luftpuffer 22 abzweigt,
kann nunmehr wieder geschlossen werden. Da der Druck im Ansaugtrakt
bei diesen Lastbedingungen höher
ist als der Umgebungsdruck, existiert auch kein die Sekundär turbine 11 antreibender
Druckabfall mehr, so dass der Sekundärlader 10 nun außer Kraft
gesetzt ist.