DE3225867A1

DE3225867A1 - Brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader

Info

Publication number: DE3225867A1
Application number: DE19823225867
Authority: DE
Inventors: Rainer Jörg 7100 Heilbronn Weber
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1982-07-10
Filing date: 1982-07-10
Publication date: 1984-01-12
Also published as: SE8303611L; SE8303611D0

Description

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nacih dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 29 29 419 ist beispielsweise eine derartige Brennkraftmaschine bekannt, bei der zwischen dem Einlaß der Turbine und dem Auslaß des Laders eine Bypass-Leitung verläuft. In der Bypass-Leitung ist ein Ventil angeordnet, das eine Steuerkammer aufweist, welche mit der zur Turbine führenden Auslaßleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist. Bei einer Beaufschlagung mit in der Auslaßleitung entstehendem Unterdruck öffnet das Ventil, wodurch der nach einem plötzlichen Gaswegnehmen erzeugte Unterdruck in dieser Auslaßleitung der Brennkraftmaschine durch den stromabwärts des Auslasses des Laders entstehenden überdruck über die Bypass-Leitung abgebaut und der Auslaßleitung der Brennkraftmaschine bzw. dem Einlaß der Turbine zugeführt wird. Durch diese Maßnahme kann die Drehzahl des Turboladers beibehalten werden, sodaß der Ladedruck bei einem erneuten Gasgeben wieder voll und ohne Verzögerung wirksam werden kann. Die bei einer Öffnung des Ventils einsetzende Strömung findet bei dieser Anordnung nur in einer Richtung, und zwar von der Einlaßleitung zur Auslaßleitung der Brennkraftmaschine statt, wobei ein in der Bypass-Leitung angeordnetes Rückschlagventil ein Rückströmen von Abgasen zürn Ventil und in die Einlaßleitung verhi ndert.

Aus der DE-OS 28 23 067 ist es dagegen bekannt, über eine Bypass-Leitung eine Strömung in umgekehrter Richtung, also eine Abgasrückführung von der Auslaßleitung zur Einlaßleitung der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. In diesem Fall verhindert ein in der Bypass-Leitung angeordnetes

Rückschlagventil ein Einströmen von Ladeluft ·> η die ■ Aus 1 aß 1 ei tung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln über die Bypass· Leitung sowohl eine Abgaszufuhr in die Einlaßleitung als auch eine Frischluftzufuhr in die Auslaßleitung möglich ist.

Die Aufgabe wird durch, die Merkmale des Kennzeichens Iq des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die vorgeschlagene Anordnung einer Bypass-Leitung mit einem Ventil, welches die Bypass-Leitung nur dann absperrt, wenn der Abgasdruck den Ladedruck um ein bestimmtes Maß übersteigt, ist unterhalb dieses Druckbereiches das Ventil offen und somit die Verbindung zwischen der Einlableitung und der Auslaßleitung freigegeben. Wenn in dieser offenen Stellung des Ventils der stromabwärts der Drosselklappe herrschende Ladedruck höher ist als der Abgasdruck, wie dies beispielsweise im unteren Dreh- ; 20 zahlbereich der Brennkraftmaschine bis zur Aufsteuerung

des üblicherweise vorhandenen Abgas-Abblaseventils der

; Fall ist, so kann Frischgas von der Einlaß leitung in

j die Auslaßleitung übertreten. Mit der sichsomit ergebenden Sekundärluftzufuhr ist es möglich, die Nach- : 25 verbrennung der Abgase zu fördern und die schädlichen

■ Bestandteile im Abgas zu reduzieren. Wenn der Abgasdruck

bei offenem Ventil dagegen höher ist als der stromabwärts der Drosselklappe herrschende Ladedruck, wie dies beispielsweise bei höheren Drehzahlen und im höheren Leistungsbereich sowie in der Beschleunigungsphase der Brennkraftmaschine der Fall ist, so tritt Abgas von

der Auslaßleitung in die Einlaßleitung über. Durch diese sicn hierbei einstellende Abgasrückführung können insbesondere die im Abgas enthaltenen Stickoxydwerte vermindert werden. Dieser in beiden Richtungen unter Ausnutzung des jeweils herrschenden Druckgefälles an sich selbsttätig vor sich gehende Gasaustausch kommt somit in Betriebsbereicnen zustande, in denen eine Verbesserung der Abgaswerte ohnehin erwünscht ist.-Sobald der Abgasdruck den Ladedruck jedoch wesentlich übersteigt, wie dies im höheren Lastbereich der Fall ist, und einen Wert erreicht, ab dem sich eine Abgasrückführung nachteilig auf das Leistungsverhalten der Brennkraftmaschine auswirken kann, wird das Ventil abgesperrt und die Verbindung unterbrochen .

Zur Abgrenzung des Gasaustausches zwischen der Einlaßleitung und der Auslaßleitung ist das Ventil deshalb so ausgebildet, daß es ab einem um etwa 5 % über dem Ladedruck liegenden Abgasdruck abgesperrt ist.

Um zu vermeiden, daß über die Bypass-Leitung eine Abgasmenge überströmen kann, welche die Zündfähigkeit des Gases in der Brennkraftmaschine beeinträchtigt, ist vorgesehen, daß die Bypass-Leitung in dem vom Ventil freigegebenen Zustand, in welchem eine Verbindung zwischen dem Laderauslaß und dem Turbineneinlaß hergestellt ist, einen derartigen Durchströmquerschnitt aufweist, daß die höchstzulässige Abgasmenge aus der Auslaß-Teitung in die Einlaßleitung rückführbar ist. Der Durchströmquerschnitt ist hierbei je nach Größe der Brennkraftmaschine unterschiedlich ausgelegt, aber zweckmäßigerweise so bemessen, daß einerseits die zurückgeführte Abgasmenge höchstens etwa 30 % des der Brennkraftmaschine zugeführten bzw. von dieser angesaugten Verbrennungsgases erreicht.

Andererseits ist der Durchströmquerschnitt sowohl groß genug als auch der Strömungswiderstand so gering, um bei einer Strömung in die andere Richtung eine ausreichen· de Sekundärluftzuführung zu erhalten.

Das Ventil kann so ausgebildet sein, daß es einen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilkörper aufweist, der von einer Feder im Sinne einer Freigabe der Bypass-Leitung beaufschlagt ist und mit einer Membran verbunden ist, die eine Steuerkammer begrenzt, welche über eine Leitung in einem bei Beaufschlagung ein Absperren der Bypass-Leitung herbeiführenden Sinne mit der Auslaßleitung verbunden ist.

Zum Zwecke einer zuverlässigen Funktion kann die im Ventil angeordnete Feder eine Spannkraft aufweisen, die bei einem Druck in der mit der Auslaß leitung verbundenen Steuerkammer von mehr als 5 % über dem Ladedruck überwindbar sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer zwischen dem Laderauslaß und dem Turbineneinlaß verlaufenden Bypass-Leitung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein in der Bypass-Leitung angeordnetes, vereinfacht dargestelltes Ventil,

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem der Druck in der Einlaßleitung und in der Auslaßleitung gegenüber der Drehzahl der Brennkraftmaschine hervorgeht, und

Fig. 4 ein Diagramrr_} aus dem eier Druck in oer Einlaß-Leitung und in der AusTaßleitung gegenüber dem mittleren Arbeitsdruck der Brennkraftmaschine ersichtlich ist.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader, oer auf übliche Weise von einer Turbine 3 und einem Lader 4 gebildet wird. Der Auslaß 5 des Laders 4 ist mit der Einlaßleitung 6 und der Einlaß 7 der Turbine 3 ist mit der Auslaßleitung 8 der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Die Turbine 3 weist eine Umgehungsleitung 9 mit einem an sich bekannten Abblasventil 10 auf, welches die Umgehungsleitung 9 zur Begrenzung des Ladedruckes oder bei einem Abgasstau in der Auslaßleitung 8 zur Entlastung der Turbine 3 freigibt. Die Einlaßleitung 6 und die Auslaßleitung 8 sind über eine Bypass-Leitung 11 miteinander verbunden, welche stromabwärts einer in der Ein! aßl eiturvg 6 angeordneten Drosselklappe 12 an die Ein!äßleitung 6 angeschlossen ist. In der Bypass-Leitung 11 ist ein Ventil angeordnet, durch welches die Verbindung bei an sich geringen Druckunterschieden zwischen der Einlaßleitung 6 und der Auslaßleitung 8 freigegeben und dadurch entweder eine selbsttätige Abgasrückführung oder Sekundärluftzuführung möglich ist. Wenn der Abgasdruck in der Auslaßleitung 8 den'Ladedruck in der Einlaßleitung 6 jedoch um ein bestimmtes Maß übersteigt, wird das Ventil 13 abgesperrt. Zu diesem Zweck ist das Ventil 13 über eine Leitung 14 mit der Abgasleitung 8 verbunden, über die das Ventil unter Wirkung des Abgas.druckes betätigt wird.

In Fig. 2 ist das Ventil 13 vereinfacht dargestellt, welches beispielsweise zwei durch eine Membran 15 voneinander getrennte Kammern 16 und 17 aufweist, wobei die erste Kammer 16 über die Leitung 14 an die Abgas-

leitung 8 angeschlossen ist, während die zweite Kammer 17 über eine öffnung 18 beipielsweise mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Die Membran 15 ist in ihrer Mitte mit einem Ventilkörper 19 verbunden, der in der gezeigten Stellung mit der Stirnfläche seines Venti1 te!1ers 20 auf einem Ventilsitz 21 dichtend anliegt und die Leitung 11 absperrt. In der Kammer 17 ist eine sich an der Membran 15 abstützende Druckfeder 22 angeordnet, welche bestrebt ist, den Venti!körper 19 vom Ventilsitz 21 abzuheben und in die gestrichelte, eine Freigabe der Bypass-Leitung 11 herbeiführende Stellung zu bringen.

Bei einer ausgewählten Brennkraftmaschine kommt die abgesperrte Stellung des Ventils 13 zustande, wenn über die an die Auslaßleitung 8 angeschlossene Leitung 14 ein Abgasdruck in der Kammer 16"wirksam wird, der den Ladedruck in der Einlaßleitung 6 um etwa 5 % übersteigt und beispielsweise 1,4 bar beträgt, also ein Druck, der etwa ab 50 % Vollast eintritt. Die Spannkraft der Feder 22 ist deshalb so ausgelegt, daß sie ein Absperren des Ventils ab einem derartigen Betriebszustand zuläßt. Wenn der Abgasdruck diesen Wert jedoch unterschreitet, und das Ventil 13 freigegeben ist, kann je nach dem herrschenden Betriebszustand bei einem höheren Druck in der EinTaßleitung 6 eine Sekundärluftzufuhr oder bei einem höheren Druck in der Auslaßleitung 8 eine Abgasrückführung stattfinden. Das Ventil 13 bzw. die Bypass-Leitung 11 weisen in freigegebenem Zustand einen Durchströmquerschnitt auf, der eine Rückführung von Abgas von höchstens 30 % des über die Einlaßleitung 6 zugeführten Verbrennungsgases zuläßt, um das Leistungsverhalten der Brennkraftmaschine nicht zu beeinträchtigen. Der erforderliche Durchmesser der Bypass-Leitung 11 beträgt beispielsweise etwa 5-8 mm, wodurch gleichzeitig sichergestellt ist, daß eine ausreichende Sekundär luftzufuhr erfolgen kann.

In Abwandlung des A u s f Ii h r u η α s £.· e i 5 ρ i e 1 s nach Fig. 2 kann die rammer 17 über die Öffnung 18 aber auch stromabwärts oer Drosselklappe 12 an die Einlaßleitung 6 angeschlossen sein, socaß der Ladedruck in der Kammer 17 wirksam und das Ventil 13 in Abhängigkeit des Differenzdruckes rrit dem gleichen Ergebnis betätigt wird. In diesem Fall muß die Feder 22 jedoch auf eine derartige Spannkraft abgestimmt sein, um ebenfalls bei einem Druck in der mit der Auslaßleitung S verbundenen Steuerkammer 16 von mehr als IQ, 5 % über de ir. Lauedruck überwindber zu sein.

Ausraerr in Fig. 3 gezeigten Diagramm ist der sich bei dem obigen Ausführungsbeispiel in der Einlaßleitung 6 und in der Auslaßleitung 8 ergebende Druckverlauf bezogen auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine ersichtlich, wenn die Brennkraftmaschine mit Vollast betrieben wird. Hierbei ist auf der Abszisse η die Drehzahl der Brennkraftmascnine und auf der Ordinate P der absolute Druck in bar aufgetragen, während aus dem Verlauf our Linie P3 der Druck in der Abslaßleitung 8 und aus dem Verlauf der Linie P2¹ der Druck in der Einlaßleitung 6 stromabwärts der Drosselklappe 12 hervorgeht. Demnach steigt der Druck P2¹ in der Einlaßleitung 6 schneller an als der Druck P3 in der Auslaßleitung 8, was auf den Wirkungsgrad des Abgasturboladers und dessen Förderungscharakteristik in diesem Betriebszustand zurückzuführen ist.

Wenn der Ladedruck in Abstimmung auf den Leistungsbedarf und die mechanische Belastbarkeit der Brennkraftmaschine einen Druck von beispielsweise 1,7 bar erreicht hat, so öffnet das Abblaseventil 10 (Fig. 1) beispielsweise in Abhängigkeit des Lädedruckes. Durch diese Ladedruckbegrenzung verbleibt der Druck P2¹ weitgehend in dieser Höhe, wie es durch den annähernd waagerechten Verlauf der Linie dargestellt ist. Der Druck P3 steigt dagegen

ίο -

weiter an, übersteigt schließlich mit zunehmender Drehzahl η der Brennkraftmaschine den Druck P2¹ und nimmt aufgrund des geöffneten Abblaseventils einen flacheren Verlauf an. Aus diesem Druckverlauf kann entnommen werden, daß in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, der innerhalb des durch Schrafför gekennzeichneten Dreieckes liegt, Frischgas aus der Einlaß leitung in die Auslaßleitung übertreten kann.

In dem in Fig. C gezeigten Diagramm ist der auf den mittleren Arbeitsdruck der Brennkraftmaschine bezogene Druckverlauf in der Einlaßleitung 6 und in der Auslaßleitung 8 veranschaulicht. Die Abszisse pe stellt dabei den mittleren Arbeitsdruck und die Ordinate P den absoluten Druck in bar dar, wobei oberhalb der mit 1,0 bar gekennzeichneten waagerechten Linie überdruck und unterhalb dieser Linie Unterdruck herrschen. Aus der Linie P3 geht der DrucKverlauf in der Auslaßleitung 8 und aus der Linie P2¹ der Druckverlauf in der Einlaßleitung 6 hervor. Demnach liegt der in der Einlaßleitung 6 herrschende Druck P2¹ im Unterdruckbereich und steigt bei zunehmendem Mittel· druck stetig an, während der Druck P 3, ausgehend von einem oberhalb 1 bar liegenden Druck in der Auslaßleitung 8 einen flacheren Verl auf,, einnimmt. Aus dieser Darstellung ist erkenntlich, da& in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, der innerhalb des durch Schraffur verdeutlichten Dreieckes liegt, Abgas aus der Auslaßleitung 8 in die Einlaßleitung 6 übertreten kann.

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Leerseite

Claims

240/£Z

AUDI KSU AUTO UNION AKTIENGESELLSCHAFT, NeckarsuIm/Württ

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader

Patentansprüche

!./'Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Laderauslaß mit der eine Drosselklappe aufweisenden Einlaßleitung und dessen Turbineneinlaß mit der Auslaßleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist, mit einer B'Dass-Leitung zwischen dem Laderauslaß und dem Turbinen· einlaß, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Leitung (11) stromabwärts der Drosselklappe (12) an die Einlaßleitung (6) angeschlossen ist und ein Ventil (13) enthält, das die Bypass-Leitung (11) nur dann absperrt, wenn der Abgasdruck in der Auslaßleitung (8) den Ladedruck in der Einlaßleitung (6) um ein bestimmtes Maß übersteigt.

37758R7
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (13) ab einem um etwa 5 % über dem Ladedruck liegenden Abgasdruck abgesperrt ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Bypass-Lei tung (11) in derr vom Ventil (13) freigegebenen Zustand, in welchem eine Verbindung zwischen dem Laderauslaß (5) und dem Turbineneinlaß (7) hergestellt ist, einen derartigen Durchströmquerschnitt aufweist, daß die hochstzulässige Abqasmenge aus der Auslaßleitung (S) in die Einlaßleitung (6) rückführbar ist.
4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (13) einen mit einem Ventil sitz (21) zusammenwirkenden Venti1 körper (19) aufweist, der von einer Feder (22) im Sinne einer Freigabe der Bypass-Leitung (11) beaufschlagt ist und mit einer Membran (15) verbunden ist, die eine Steuerkammer (16) begrenzt, welche über eine Leitung (14) in einem bei Beaufschlagung ein Absperren der Bypass-Leitung (11) herbeiführenden Sinne mit der Auslaßleitung (S) ververbunden ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (22) eine Spannkraft aufweist, die bei einem Druck in der mit der Auslaßleitung (8) verbundenen Steuerkammer (16) von mehr als 5 % über dem Ladedruck überwindbar ist.