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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader fällt bei einer beispielsweise während des Gangwechsel auftretenden Lastlücke die Ladedrehzahl bei Nullast stark ab, da die Förderung des Luftmassenstromes mit hohem Druck zum Motor die kinetische Energie der rotierenden Teile des Abgasturboladers aufzerrt. Auch fällt die Motordrehzahl selbst ab.
Es ist bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader eine Verbindungsleitung zwischen Saugseite und Druckseite des Verdichters anzuordnen, um in bestimmten Lastbereichen des Motors eine Strömungsverbindung zwischen Saug- und Druckseite des Verdichters herbeizuführen. Aus der US 4, 870, 822 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, bei der eine Bypassleitung zur Umgehung des Verdichters vorgesehen ist. In der Bypassiei- tung ist ein Steuerventil angeordnet, welches entsprechend den Öffnungsbedingungen der Drosselklappe betätigt wird. Das Steuerventil ist dabei bei Teillast, also einer teilweise offenen Position der Drosselklappe geöffnet, sodass nur ein kleiner Teil der Ladeluft die Drosselklappe passiert und der Rest der komprimierten Luft wieder an die Ansaugseite des Verdichters geleitet wird.
Dadurch wird bei Teillast ein Ansteigen des Druckes zwischen dem Verdichter und der Drosselklappe und somit eine Abnahme der Laufraddrehzahl verhindert. Somit können Pumpverluste reduziert und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden. Da sich die Drehzahl des Verdichterlaufrades bei Teillast nicht wesentlich vermindert, kann die Verzögerung der Turboaufladung bei Wechsel aus niederer Motorgeschwindigkeit zu hoher Motorgeschwindigkeit minimiert werden. Über Massnahmen zur Verbesserung des Ansprechverhaltens nach betriebsbedingten Lastlü- cken wird nicht ausgesagt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Verzögerung beim Aufbau des Ladedruckes bei Lastlücken, insbesondere bei Gangwechsel, zu vermindern.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass während zumindest einer betriebsbedingten Lastlücke die Druckseite des Verdichters des Abgasturboladers mit einem Entspannungsraum verbunden wird, wobei der Entspannungsraum ein geringeres Druckniveau aufweist als die Druckseite des Verdichters. Dabei kann während der Lastlücke die Druckseite des Verdichters mit der Umgebung oder mit dem Abgasstrang stromaufwärts der Abgasturbine verbunden werden.
Besonders vorteilhaft ist es allerdings, wenn während der Lastlücke die Druckseite des Verdichters mit der Ansaugseite des Verdichters verbunden wird. Somit
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wird der Verdichter während der Lastlücke auf Umluftförderung geschaltet, wodurch die benötigte Verdichterleistung entsprechend absinkt. Insbesondere bei Abgasturboladern mit einem elektrischen Hilfsantrieb lassen sich durch Nutzung der Umluftschaltung des Verdichters durch gezieltes Anheben des VerdichterVolumenstromes wesentlich höhere Druckverhältnisse innerhalb der Betriebsgrenzen des Verdichters realisieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass während der Lastlücke die Strömungsverbindung zwischen dem Verdichter und der Brennkraftmaschine zumindest überwiegend unterbrochen wird.
Durch Unterbrechen der Strömungsverbindung zwischen der Druckseite des Verdichters und der Saugöffnung der Brennkraftmaschine wird das AnsaugMündungsgeräusch bei Lastiücken deutlich vermindert. Die Unterbrechung kann beispielsweise durch eine Klappe durchgeführt werden.
Der Abgasturbolader kann zumindest zeitweise elektrisch angetrieben werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 und 2 Strömungsschaltbilder von Brennkraftmaschinen für das erfindungsgemässe Verfahren, Fig. 3 ein Lastlücken-Diagramm und Fig. 4 ein Verdichter-Kennlinien-Schaubild.
Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Diesel-Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlassstrang 2 und einem Abgasstrang 3, sowie einem Abgasturbolader 4, dessen Verdichter 5 im Einlassstrang 2 und deren Turbine 6 im Abgasstrang 3 angeordnet ist. Der Abgasturbolader kann optionell mit einem elektrischen Hilfsantrieb 7 verbunden sein, welcher durch strichlierte Linien angedeutet ist.
Um ein Absinken der Drehzahl des Abgasturboladers 4 bei Lastlücken, beispielsweise während Schaltvorgängen, zu vermeiden, wird bei Auftreten von Lastlü- cken, beispielsweise bei Gangwechsel, die Druckseite 5a des Verdichters 5 mit einem Entspannungsdruckniveau verbunden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante wird das Entspannungsniveau durch den Einlassstrang 2 stromaufwärts des Verdichters 5 gebildet. Bei Lastlü- cken wird somit die Druckseite 5a des Verdichters 5 über eine Verbindungsleitung 8 mit der Ansaugseite 5b verbunden. In der Verbindungsleitung 8 ist dazu ein erstes Schaltorgan 9 vorgesehen. Während der Lastlücke wird das erste Schaltorgan 9 geöffnet und somit eine Umluftförderung der Ladeluft erreicht.
Alternativ zur Verbindungsleitung 8 zwischen Druckseite 5a und Saugseite 5b des Verdichters 5 kann die Druckseite 5a über eine Verbindungsleitung 8a mit dem Abgasstrang 3 verbunden sein, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Verbindungslei-
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tung 8a kann durch eine herkömmliche Abgasrückführleitung gebildet sein. In der Verbindungsleitung 8a ist analog zu der in Fig. 1 dargestellten Variante ein erstes Schaltorgan 9 angeordnet.
Weiters ist im Einlassstrang stromaufwärts des Einlassstutzens 10 in die Brennkraftmaschine ein zweites Schaltorgan 11 angeordnet, welches beispielsweise als Klappe mit zwei Stellungen ausgebildet sein kann. Während des Teillast- und Voillastbetriebes ist das erste Schaltorgan 9 geschlossen und das zweite Schaltorgan 11 geöffnet, sodass ein aufgeladener Motorbetrieb in der bekannten Weise z. B. mit Ladedruckregelung über die Turbine möglich ist.
Bei einer beim Gangwechsel auftretenden Lastlücke wird hingegen das Schaltor- gan 9,9a geöffnet und das zweite Schaltorgan 11 geschlossen. Somit wird einerseits ein druckloses Umblasen des Verdichters 5 mit entsprechend geringer benötigter Verdichterleistung und andererseits eine strömungsseitige Trennung der Brennkraftmaschine von der Saugöffnung 10 erreicht. Dies bewirkt, dass die kinetische Energie des Laufzeuges des Abgasturboladers 4 weitgehend erhalten bleibt, da der Verdichter 5 gegen ein Druckniveau arbeitet, welches im Bereich des Druckes auf der Ansaugseite 5b des Verdichters 5 liegt. Andererseits wird durch die strömungsseitige Trennung von der Saugöffnung 10 das während Lastlücken störende Ansaugmündungsgeräusch des Motors vermieden.
In Fig. 3 ist über der Zeit t der Mitteldruck pm, der Ladedruck Pv, die Turbinendrehzahl nT, der Lastzustand L sowie der Schalldruck S dargestellt. Mit tu. ist die Periode der Lastlücke eingezeichnet. Mit punktierten Linien ist der qualitative Verlauf im Bereich der Lastlücke tLL bei herkömmlicher Betriebsweise und mit voll ausgezogenen Linien der qualitative Verlauf bei erfindungsgemässem Betrieb dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass bei erfindungsgemässem Betrieb die Turbinendrehzahl nT während der Lastiücke nur geringfügig absinkt.
Der Ladedruck pv sinkt während der Lastiücke tu. zwar drastisch ab, erreicht aber nach Ende der Lastiücke nu viel schneller seinen Normalwert als bei herkömmlicher Betriebsweise, da die kinetische Energie des Laufzuges des Abgasturboladers 4 weitgehend erhalten bleibt. Zugleich mit dem Ladedruck pv kann auch sehr rasch ein hohes Mitteldruckniveau Pm erzielt werden.
Durch die Unterbrechung der Strömungsverbindung zwischen Verdichter 5 und Ansaugstutzen 10 der Brennkraftmaschine 1 wird der Schalldruck S während der Lastiücke deutlich vermindert und die Lärmbelästigung wesentlich reduziert.
Durch die in Fig. 1 dargestellte Umluftförderung während der Lastiücke tLL kann aber noch ein weiterer Vorteil erreicht werden : Verdichter, welche von Turbinen mit variabler Turbinengeometrie oder - vielmehr - mit elektromotorischer Unterstützung angetrieben werden, arbeiten bei sehr niedrigen wie auch bei sehr ho-
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hen Motordrehzahlen bereits an ihren Betriebsgrenzen Pumpgrenze und Stopf-
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Ladedruckes mehr möglich, da der Betriebspunkt im in Fig. 4 angedeuteten Verdichterkennfeld steil nach oben über die Pumpgrenze Gp hinausgeschoben würde.
Durch die erfindungsgemässe Umluftschaltung des Verdichters 5 lassen sich in Kombination mit einer Turbine 6 mit elektrischem Hilfsantrieb 7 durch gezieltes Anheben des Verdichter-Volumenstromes v wesentlich höhere Druckverhältnisse innerhalb der Betriebsgrenzen des Verdichters realisieren. Durch die Umluftschaltung und die zusätzlich elektrisch aufgebrachte Verdichterleistung wird der Volumenstrom v erhöht und somit der Betriebspunkt im in Fig. 4 dargestellten Kennfeld nach rechts verschoben. Dies ermöglicht es, bei Turbinendrehzahlen nT im Bereich des maximalen Drehmomentes die Volllastbetriebslinie innerhalb des Verdichterkennfeldes zu halten. Dies gestattet eine grosszügigere Auslegung des Verdichters 5 für Reserven an der Nenndrehzahl.
In Fig. 4 ist mit der strichlierten Linie Li die Situation für einen Abgasturbolader 4 ohne Umluftförderung und ohne elektrischem Hilfsantrieb 7 dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass bei Ansteigen des Ladedruckes pv sehr rasch die Pumpgrenze Gp erreicht wird. Bei Umluftförderung und elektrisch angetriebenem Abgasturbolader 4 verschiebt sich die Betriebslinie nach rechts, wie durch die voll gezeichnete Linie Lz dargestellt ist.
Die Pumpgrenze wird dabei bei den üblichen Turbinennenndrehzahlen, beispielsweise für die Turbinendrehzahlen ni bis n4, nicht erreicht.