DE19651497C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 und 3 näher definierten Art.

Aus der Praxis sind Vorrichtungen zur Erhöhung der Bremsleistung einer Brennkraftmaschine während des Motorbremsbetriebes bekannt. Dabei ist in einem Ab­ gasstrang stromab einer Turbine eines Abgasturboladers eine Klappe angeordnet, mittels welcher der Strömungs­ querschnitt in dem Abgasstrang des Abgases verändert werden kann.

Im Motorbremsbetrieb fallen geringere Abgasmengen an als während des Verbrennungsbetriebes, wodurch im Ab­ gasstrang kein so hoher Gegendruck entsteht, um eine ausreichende Bremsleistung der Brennkraftmaschine zu erhalten. Die Klappe im Abgasstrang hat daher die Auf­ gabe, im Motorbremsbetrieb den Strömungsquerschnitt derart zu verringern, daß sich in dem Abgasstrang ein Gegendruck aufbaut und sich damit eine bessere Brems­ wirkung der Brennkraftmaschine einstellt.

Nachteilig ist dabei jedoch, daß durch die Drosselung des Abgasstromes im Abgasstrang die Turbine kaum mehr mit Abgas beaufschlagt wird. Der Abgasturbolader ist nicht in der Lage, die Brennkraftmaschine mit ausrei­ chend verdichteter Laderluftmenge zu versorgen. Die Temperaturen steigen in der Brennkraftmaschine infolge des geringeren Luftdurchsatzes an, wodurch sich deren thermische Belastung und auch die des Abgasstranges nachteilhafterweise erhöht.

Des weiteren ist aus der DE 39 43 705 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Motorbremse für eine Brennkraftma­ schine mit einem Abgasturbolader bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Steigerung der Motorbremsleistung die Aufladung des Motors dadurch erhöht, daß dem Ab­ gasturbolader zur Erhöhung seiner Drehzahl zusätzliche Antriebsenergie zugeführt wird. Die Zufuhr der zusätz­ lichen Antriebsenergie wird durch eine Verkleinerung des gesamten Anströmquerschnittes der Turbine um min­ destens 50% realisiert. Zusätzlich ist ein mechani­ scher Lader vorgesehen, der die Brennkraftmaschine während des Motorbremsbetriebes mit verdichteter La­ derluft beaufschlagt.

Nachteilig ist auch bei dieser aus dem Stand der Tech­ nik bekannten Lehre, daß durch die Verkleinerung des Anströmquerschnittes der Turbine der einströmende Ab­ gasmassenstrom verringert wird und damit die Brenn­ kraftmaschine und der Abgasturbolader einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Be­ treiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbo­ lader zu schaffen, welche die thermische Belastung der Brennkraftmaschine erheblich reduziert. Darüber hinaus sollen im Abgasturbolader große Luftmassendurchsätze und somit ein großer Ladedruck zur Verbesserung der Bremsleistung der Brennkraftmaschine im Motorbremsbe­ trieb erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Verfahrensanspruches 1 und des Vorrichtungsanspruches 3 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Verbrennung von Kraftstoff im Strömungsbereich des der Turbine des Abgasturbola­ ders zuzuführenden Abgases wird das Abgas auf einen höheren Temperaturwert erhitzt. Der Temperaturanstieg des Abgases bewirkt einen Druckanstieg in der Abgas­ leitung, der dort eine Erhöhung der Strömungsgeschwin­ digkeit des Abgases zur Folge hat.

Der sich aus diesem Verfahren ergebende Vorteil liegt darin, daß die Turbine des Abgasturboladers mit dem nunmehr energiereicheren Abgas beaufschlagt wird. Da­ durch ergibt sich an der Turbine des Abgasturboladers ein größeres Druckgefälle, welches eine höhere Lei­ stung bzw. ein höheres Druckgefälle am Verdichter des Abgasturboladers ermöglicht. Somit ist trotz der wäh­ rend des Motorbremsbetriebes geringer anfallenden Ab­ gasmenge ein genügend großer Ladedruck erreichbar, der einen höheren Luftmassendurchsatz und somit eine we­ sentlich geringere thermische Belastung der Brenn­ kraftmaschine zur Folge hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Zeichnung zeigt einen Teil eines Abgassystems zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastur­ bolader.

Bezug nehmend auf die Zeichnung ist der Eingangsbe­ reich einer Abgasanlage 1 mit einer Abgasleitung 2 und einer Bypassleitung 3 dargestellt. Die Bypassleitung 3 kann mittels einem Absperrglied 4 für das Abgas geöff­ net werden und ist damit für das Abgas passierbar. In der Bypassleitung 3 ist eine Zündungseinrichtung 5 und ein Kraftstoffeinspritzglied 6 angeordnet. Im Falle einer Einspritzung von Dieselkraftstoff in den Abgass­ trom kann die Zündungseinrichtung 5 in der Bypasslei­ tung 3 als eine Flammglühkerze ausgebildet sein.

Mittels des Kraftstoffeinspritzgliedes 6 kann eine genau definierte Kraftstoffmenge in den Abgasstrom der Bypassleitung 3 eingespritzt werden. Die stromab des Kraftstoffeinspritzgliedes 6 angeordnete Zündungsein­ richtung 5 hat die Aufgabe, bei schwer entzündlichen Kraftstoffen, insbesondere Dieselkraftstoffen, das Kraftstoff-Abgasgemisch zu entzünden. Die Zündung des Kraftstoff-Abgasgemisches erfolgt in der Bypassleitung 3. Nach der Verbrennung wird das auf diese Weise ener­ giereicher gemachte Abgas wieder dem Hauptabgasstrom in der Abgasleitung 2 zugeführt wird. Von dort aus strömt das durch die Verbrennung erhitzte Abgas zu einer Turbine 7 mit einem Spiralgehäuse eines nicht näher dargestellten Abgasturboladers.

Die Verbrennung des Kraftstoffes in der Bypassleitung 3 bedeutet eine Zufuhr von thermischer Energie in den Abgasstrom. Dadurch entsteht eine Druckerhöhung und somit eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Abgasleitung 2. Die Turbine 7 wird mit dem energiereicheren Abgas beaufschlagt und treibt über eine Welle einen Verdichter des Abgasturboladers an. Der Verdichter des Abgasturboladers, der nicht näher dargestellt ist, beaufschlagt die Brennkraftma­ schine mit verdichteter Laderluft.

Das Spiralgehäuse der Turbine 7 stellt den engsten und somit durchsatzbestimmenden Querschnitt dar. Durch gezieltes Anpassen des Durchsatzverhaltens der Turbine 7 ist es möglich, über den gesamten Drehzahlbereich eine höhere Bremsleistung der Brennkraftmaschine durch höhere Laderdrehzahlen und stark erhöhten Luftmassen­ durchsatz zu erreichen.

Speziell im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftma­ schine, in dem besonders während des Motorbremsbetrie­ bes wesentlich geringere Abgasmengen als im Verbren­ nungsbetrieb produziert werden, wird die Brennkraftma­ schine von dem Verdichter des Abgasturboladers mit ausreichend verdichteter Laderluft versorgt.

Der Kraftstoff kann in einer anderen - nicht darge­ stellten - Ausführungsvariante auch im Zuge einer Nacheinspritzung ganz gezielt in den Auslaßtrakt des Brennraumes der Brennkraftmaschine eingespritzt und dort entzündet werden.

Wesentlich ist in jedem Fall, daß dem Abgas thermische Energie durch Verbrennung von Kraftstoff vor dem Ein­ tritt in die Turbine 7 zugeführt wird.

Weiterhin kann die Energieanreicherung des Abgases zur Erhöhung der Abgasturboladerleistung auch während ei­ nes Schaltvorganges eingesetzt werden. Während des Schaltvorganges fällt die Laderdrehzahl aufgrund sin­ kender Motordrehzahlen in Sekundenbruchteilen ab. Mit­ tels der Energiezufuhr in das Abgas kann dem Abfall der Laderdrehzahl entgegengewirkt werden.

Der Vorteil der in der Zeichnung dargestellten Bypass­ leitung 3 besteht darin, daß die Strömung des Abgases im Verbrennungsbetrieb der Brennkraftmaschine nicht durch die darin vorgesehene Zündungseinrichtung 5 und dem Kraftstoffeinspritzglied 6 behindert wird und die Bypassleitung 3 nur im Bedarfsfall für das Abgas frei­ geschaltet wird. Ist keine Energiezufuhr zur Lei­ stungserhöhung notwendig, wird das Absperrglied 4 in Schließstellung gebracht und der Abgasstrom strömt ungehindert durch die Abgasleitung 2.

Die Vorrichtung und das Verfahren bewirken vorteilhaf­ terweise eine Verschiebung des Wirkungsgrades des Tur­ binenkennfeldes in Richtung kleinerer Abgasmengen­ durchsätze bei gleichzeitig höheren Strömungsgeschwin­ digkeiten. Das heißt, der Verdichter wird über die Turbine 7 mit der gleichen Leistung beaufschlagt, wie dies im Falle einer größeren Abgasmenge ohne die Zu­ führung von thermischer Energie in das Abgas wäre.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen die Frischluftzu­ fuhr zu der Brennkraftmaschine auf einen Ladedruck bringbaren Verdichter und eine im Abgassystem ange­ ordnete Turbine aufweist, wobei im Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine Arbeitsgas verdichtet und be­ reits vor Beendigung des Expansionstaktes zumindest teilweise den Arbeitsräumen entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Motorbremsleistung das der Turbi­ ne (7) zugeführte Abgas durch eine zusätzliche Ver­ brennung von Kraftstoff auf einen höheren Tempera­ turwert gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in das Abgassystem eingespritzt und durch Zündung zur Verbrennung gebracht wird.

3. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der eine in einer Ab­ gasanlage angeordnete Turbine aufweist, gemäß dem Verfahren nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasanlage (1) vor der Turbine (7) eine zu­ schaltbare Bypassleitung (3) mit einem Kraftstoffe­ inspritzglied (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (3) mit einem Absperrglied (4) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypassleitung (3) bei Verwendung von Diesel­ kraftstoff eine Zündungseinrichtung (5) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündungseinrichtung (5) als Flammglühkerze aus­ gebildet ist.