DE10049912A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Compound-Nutzturbine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Compound-Nutzturbine

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DE10049912A1
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Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer Abgasturbine im Abgasstrang sowie eine Compound-Nutzturbine auf, die an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. DOLLAR A Stromauf der Abgasturbine ist eine einstellbare Abgasrückführungseinrichtung vorgesehen. Das Größenverhältnis von Abgasturbine zur Compound-Nutzturbine wird über die Schluckfähigkeit jeder Turbine definiert, wobei die maximale Schluckfähigkeit der Compound-Nutzturbine diejenige der Abgasturbine übersteigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Ab­ gasturbolader und Compound-Nutzturbine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der Druckschrift DE 195 16 971 A1 bekannt, gemäß der im Abgasstrang der Brennkraft­ maschine eine Abgasturbine angeordnet ist, die über eine Welle einen Verdichter im Ansaugtrakt antreibt, wobei stromab der Ab­ gasturbine eine Compound-Nutzturbine im Abgasstrang vorgesehen ist, welche über ein Getriebe an die Kurbelwelle des Motors an­ gekoppelt ist. Die Compound-Nutzturbine ermöglicht es, die Restenergie, die das Abgas nach Durchströmen der Abgasturbine noch aufweist, auszunutzen und als positives Antriebsmoment oder als negatives Bremsmoment auf die Kurbelwelle des Motors zu übertragen. Der Gesamtwirkungsgrad wird durch diese Reihen­ schaltung von Abgasturbine und Compound-Nutzturbine verbessert.
Mit der Brennkraftmaschine der DE 195 16 971 A1 sind zwar ver­ besserte Antriebs- und Motorbremsleistungen möglich. Eine Ab­ senkung der NOx-Emission, die beispielsweise über eine Abgas­ rückführung erreicht werden kann, ist aber nicht vorgesehen und kann ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades auch nicht ohne weiteres realisiert werden, da der durch die Abgasrückführung bewirkte Druckabfall vor der Abgasturbine keine signifikante Leistungsaufnahme in der Compound-Nutzturbine mehr zulässt.
Die Druckschrift DE 195 16 971 A1 offenbart keine Möglichkeit, wie der Zielkonflikt zwischen reduzierter Schadstoffemission einerseits und gutem Motorwirkungsgrad andererseits gelöst wer­ den kann.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Brennkraftma­ schine mit Abgasturbolader und Compound-Nutzturbine anzugeben, die sich sowohl durch eine geringe Schadstoffemission als auch durch einen guten Gesamtwirkungsgrad in der befeuerten An­ triebsbetriebsweise und im Motorbremsbetrieb auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.
Die Abgasturbine und die Compound-Nutzturbine stehen erfin­ dungsgemäß in einem bestimmten Größenverhältnis zueinander, für dessen Festlegung zunächst die maximale Schluckfähigkeit jeder Turbine aus einem bekannten Zusammenhang in Abhängigkeit von Abgasmassenstrom durch die Turbine, Wurzelfunktion der Tempera­ tur am Turbineneintritt und reziprokem Wert des Drucks am Tur­ bineneintritt bestimmt wird. Sowohl für die Abgasturbine als auch für die Compound-Nutzturbine wird die maximale Schluckfä­ higkeit bestimmt, wobei das Größenverhältnis von Abgasturbine und Compound-Nutzturbine in der Weise festgelegt wird, dass die maximale Schluckfähigkeit der Compound-Nutzturbine die maximale Schluckfähigkeit der Abgasturbine übersteigt. Werden die Turbi­ nen gemäß dieser Dimensionierungsregel ausgelegt, so ist ein hoher Abgasgegendruck zwischen Zylinderauslass der Brennkraft­ maschine und Abgasturbine zu erreichen, welcher für eine Abgas­ rückführung und damit zusammenhängend für eine Reduzierung von Stickoxyden im Abgas erforderlich ist. Die Abgasturbine ist bei Beachtung der genannten Dimensionierungsregel klein genug, um eine ausreichend hohe Aufstauung des Abgases und einen entspre­ chend hohen Abgasgegendruck zu erzielen, der für eine Abgas­ rückführung erforderlich ist.
Andererseits kann die Abgasturbine groß genug ausgelegt werden, dass ein hoher Ladedruck im Zylindereinlass der Brennkraftma­ schine erzeugbar ist, welcher sowohl für hohe Antriebsleistun­ gen als auch für hohe Motorbremsleistungen erforderlich ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung beträgt die maximale Schluckfähigkeit der Abgasturbine etwa 45% bis 55% der maxi­ malen Schluckfähigkeit der Compound-Nutzturbine. Dieses Größen­ verhältnis stellt eine optimale Lösung des Zielkonflikts dar, einerseits einen kleinen Abgasturbolader mit hohem Aufstauver­ mögen und andererseits einen großen Abgasturbolader mit großer Laderleistung zu bauen. Zugleich ist der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch die Nachschaltung der Compound- Nutzturbine verbessert, da über diese Turbine in der befeuerten Antriebsbetriebsweise ein zusätzliches Antriebsmoment und im Motorbremsbetrieb ein Bremsmoment direkt auf die Kurbelwelle übertragbar ist.
In bevorzugter Weiterbildung ist die Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts ausgestattet. Die variable Turbinengeomet­ rie ermöglicht sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb eine variable Leistungseinstel­ lung. In Verbindung mit der Abgasrückführung kann durch das Überführen der variablen Turbinengeometrie in eine den wirksamen Turbinenquerschnitt optimierende Staustellung in weiten Be­ triebsbereichen ein den Ladedruck übersteigender Abgasge­ gendruck und damit eine Abgasrückführung erreicht werden. Eine Verschlechterung des Ladungswechsels wird hierbei durch die Leistungsabgabe der nachgeschalteten Compound-Nutzturbine kom­ pensiert, so dass zusätzlich zur Absenkung der NOx-Emission über die Abgasrückführung auch der Gesamtwirkungsgrad beibehal­ ten bzw. sogar verbessert werden kann.
Die Compound-Nutzturbine wird vorteilhaft in der Weise ausge­ legt, dass in den wesentlichen Motor-Kennfeldbereichen ein Be­ trieb nahe dem Wirkungsgradoptimum möglich ist. Hierzu wird zweckmäßig die Schnelllaufzahl der Compound-Nutzturbine, defi­ niert als Quotient von Umfangsgeschwindigkeit am Turbinenrad­ eintritt und isentrope Geschwindigkeit, bei Volllast des Motors in einem Bereich von etwa 0.55 bis 0.60 liegt, wobei mit isentroper Geschwindigkeit die theoretische Geschwindigkeit be­ zeichnet wird, die sich einstellt, wenn das Turbinengefälle verlustlos in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt wird. Bei die­ ser Dimensionierung läuft die Compound-Nutzturbine im Falle ei­ ner Motormomentenabsenkung auch bei unveränderter Position der variablen Turbinengeometrie im Bereich des optimalen Wirkungs­ grades der Compound-Nutzturbine mit einer Schnelllaufzahl von etwa 0.70. Bei einem weiter abnehmenden Motormoment steigt die Schnelllaufzahl der Compound-Nutzturbine bei konstanter Motor­ drehzahl über den optimalen Wert hinaus weiter an. Durch ein Verstellen der variablen Turbinengeometrie in Richtung der Öff­ nungsposition kann jedoch einer Verschlechterung des Wirkungs­ grades der Compound-Nutzturbine durch eine Erhöhung des Druck­ gefälles über die Nutzturbine entgegengewirkt werden.
Bei Verwendung einer variablen Turbinengeometrie in der Abgas­ turbine kann die maximale Schluckfähigkeit der Abgasturbine so­ wohl bei maximal geöffneter variabler Turbinengeometrie als auch bei variabler Turbinengeometrie in Staustellung mit mini­ malem Turbinenquerschnitt festgelegt werden. Bei maximal geöff­ neter Turbinengeometrie beträgt die maximale Schluckfähigkeit vorteilhaft 45% bis 55% der maximalen Schluckfähigkeit der Compound-Nutzturbine. In Staustellung dagegen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die maximale Schluckfähigkeit der Abgas­ turbine auf mindestens 10% der maximalen Schluckfähigkeit der Compound-Nutzturbine zu setzen, um insbesondere im Motorbrems­ betrieb im unteren Motordrehzahlbereich eine signifikante Mo­ torbremswirkung zu erzielen.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent­ nehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi­ ne mit Abgasturbolader und Compound-Nutzturbine,
Fig. 2 ein Schaubild mit den Verläufen der Schluckfähigkeit bzw. Durchsatzkapazität in Abhängigkeit des Druckge­ fälles, dargestellt für die Compound-Nutzturbine und die Abgasturbine,
Fig. 3 ein Schaubild mit Verläufen des Motormoments in Ab­ hängigkeit von der Motordrehzahl,
Fig. 4 ein Schaubild mit dem Verlauf des Turbinenwirkungs­ grades der Compound-Nutzturbine in Abhängigkeit der Schnelllaufzahl.
Der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgas­ turbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und ei­ nem Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 zugeordnet, wobei der Ver­ dichter 5 über eine Welle 7 von der Abgasturbine 3 angetrieben wird. Die Abgasturbine 3 ist mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet, beispielsweise mit einem verstellbaren Leitgit­ ter, insbesondere mit einem Radialleitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln, wobei die variable Turbinengeometrie in Abhän­ gigkeit von Motorzustandsgrößen und Motorbetriebsgrößen zwi­ schen einer den wirksamen Turbinenquerschnitt minimierenden Staustellung und einer den wirksamen Turbinenquerschnitt maxi­ mal freigebenden Öffnungsstellung zu verstellen ist.
Im Ansaugtrakt 6 ist stromab des Verdichters 5 ein Ladeluftküh­ ler 9 angeordnet. Weiterhin ist eine Abgasrückführungseinrich­ tung 10 vorgesehen, bestehend aus einem den Abgasstrang 4 und den Ansaugtrakt 6 verbindenden Leitungsabschnitt stromauf der Abgasturbine 3 bzw. stromab des Ladeluftkühlers 9 einschließ­ lich einem einstellbaren Rückführventil und einem Kühler.
Im Abgasstrang 4 ist stromab der Abgasturbine 3 eine Compound- Nutzturbine 11 vorgesehen, die vom Abgas durchströmt und ange­ trieben wird. Die Compound-Nutzturbine 11 ist über eine Kupp­ lung 12 und ein Getriebe 13 mit der Kurbelwelle des Motors ver­ bunden, wobei die Kupplung vor oder hinter dem Getriebe ange­ ordnet sein kann, wodurch sowohl ein antreibendes Motormoment als auch ein abbremsendes Bremsmoment von der Compound- Nutzturbine 11 auf die Kurbelwelle übertragen werden kann. Stromab der Compound-Nutzturbine 11 befindet sich im Strömungs­ weg des Abgases ein Rußfilter 14.
Über eine Regel- und Steuereinheit 15 sind in Abhängigkeit von Motorzustands- und Betriebsgrößen die einstellbaren Bauelemente einzustellen, insbesondere das Rückführventil der Rückführungs­ einrichtung 10, die variable Turbinengeometrie 8 und die Kupp­ lung 12 und das Getriebe 13 zwischen Compound-Nutzturbine 11 und Kurbelwelle des Motors.
In der befeuerten Antriebsbetriebsweise wird Verbrennungsluft mit dem Umgebungsdruck p1 angesaugt und im Verdichter 5 auf ei­ nen erhöhten Ladedruck p2S verdichtet und den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine zugeführt. Auf der Abgasseite herrscht im Abgasstrang zwischen Zylinderauslass und Abgasturbine 3 ein Abgasgegendruck p3, welcher in der Abgasturbine 3 auf den Druck p4 entspannt wird. Das Abgas wird stromab der Abgasturbine 3 mit diesem Druck p4 der Compound-Nutzturbine 11 zugeführt, in der eine weitere Entspannung auf den Restdruck p5 durchgeführt wird.
Um in der befeuerten Antriebsbetriebsweise eine Reduzierung von Stickoxyden zu erreichen, kann in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine mit einer entsprechenden Einstellung der variablen Turbinengeometrie 8 ein erhöhter Abgasgegendruck p3 eingestellt werden, welcher den Ladedruck p2S übersteigt, so dass zwischen Abgasstrang 4 und Ansaugtrakt 6 ein Druckgefälle entsteht, welches für eine Abgasrückführung herangezogen werden kann. Zusätzlich zur Einstellung eines die Abgasrückführung be­ günstigenden Druckgefälles wird die variable Turbinengeometrie auch zur Einstellung positiver Antriebsleistung in der befeuer­ ten Antriebsbetriebsweise und negativer Bremsleistung im Motor­ bremsbetrieb herangezogen.
In dem Schaubild gemäss Fig. 2 ist der Verlauf der Durchsatzka­ pazität bzw. Schluckfähigkeit ϕ sowohl für die Compound- Nutzturbine 11 als auch für die Abgasturbine 3 in Abhängigkeit des Druckverhältnisses Π, welches definiert ist durch den Ein­ gangsdruck im Verhältnis zum Ausgangsdruck an der Turbine, dar­ gestellt. Die Schluckfähigkeit ϕ ist gemäß dem Zusammenhang
definiert, wobei den Abgasmassenstrom durch die jeweilige Turbine, T die Temperatur am Turbineneintritt und p den Druck am Turbineneintritt bezeichnet. Dementsprechend hängt die Schluckfähigkeit ϕATL der Abgasturbine 3 vom Abgasmassenstrom durch den Abgasstrang, der Turbineneintrittstemperatur T3 und dem Abgasgegendruck p3 und die Schluckfähigkeit ϕTC der Com­ pound-Nutzturbine vom Abgasmassenstrom durch den Abgas­ strang, der Turbineneintrittstemperatur T4 und dem Abgasdruck p4 ab.
Für eine optimale Dimensionierung liegt die maximale Schluckfä­ higkeit ϕATL,max der Abgasturbine, deren variable Turbinengeomet­ rie in Öffnungsstellung steht (in Fig. 2 gekennzeichnet mit "auf"), bei 45% bis 55%, insbesondere bei etwa 50% der maxima­ len Schluckfähigkeit ϕTC,max der Compound-Nutzturbine. Die maxi­ male Schluckfähigkeit ϕTC,max bzw. ϕATL,max wird im Stopfbereich der Schluckfähigkeitsverläufe bestimmt.
Als weitere Auslegungsregel kann eine Mindestgröße für die ma­ ximale Schluckfähigkeit ϕATL,max der Abgasturbine angegeben wer­ den, deren variable Turbinengeometrie in Staustellung steht (in Fig. 2 gekennzeichnet mit "zu"). In dieser Einstellung soll die maximale Schluckfähigkeit ϕATL,max der Abgasturbine mindestens 10% der maximalen Schluckfähigkeit: ϕTC,max der Compound- Nutzturbine betragen.
Der Bereich von 10% bis 25% der maximalen Schluckfähigkeit ϕATL,max der Abgasturbine, bezogen auf die maximale Schluckfähig­ keit ϕTC,max der Compound-Nutzturbine, eignet sich in besonderer Weise für den Motorbremsbetrieb. Der Bereich zwischen 25% und 50% wird dagegen für die befeuerte Antriebsbetriebsweise heran­ gezogen.
In dem Schaubild nach Fig. 3 sind verschiedene Verläufe für das Motormoment MMot in Abhängigkeit von der Motordrehzahl darge­ stellt. Eine obere Kurve MMot,Voll kennzeichnet den maximalen Mo­ tormomentenverlauf unter Volllast. Unterhalb der Volllastkurve ist der Verlauf des Motormoments MMot,Teil für einen Betrieb der Brennkraftmaschine unter Teillast dargestellt. Jedem Motormo­ mentenverlauf ist eine Schnelllaufzahl u/c0 zugeordnet, die de­ finiert ist als Quotient von Umfangsgeschwindigkeit u des Tur­ binenrades im Bereich des Turbinenradeintritts und isentrope Geschwindigkeit c0, welche der theoretischen Geschwindigkeit entspricht, die sich einstellt, wenn das Turbinengefälle ver­ lustlos in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt wird. Die Schnelllaufzahl u/c0 kann für jede Turbine dargestellt werden. In einer optimierten Auslegung liegt die Schnelllaufzahl u/c0 für die Compound-Nutzturbine für die Volllast des Motors bei einem Wert von etwa 0.55 bis 0.60. Diesen Wert der Schnelllauf­ zahl nimmt die Compound-Nutzturbine für die dargestellte Motor­ momentenkennlinie unter Volllast MMot,Voll ein. Bei einer Motor­ momentenabsenkung, beispielsweise ausgehend von Volllast in Richtung der darunter liegenden Motormomentenkennlinie unter Teillast MMot,Teil, steigt die Schnelllaufzahl der Compound- Nutzturbine zunächst bis auf einen optimalen Wert (u/c0)opt an, der etwa 0.7 beträgt. Bei der optimalen Schnelllaufzahl (u/c0)opt = 0.7 nimmt der Turbinenwirkungsgrad η der Compound- Nutzturbine, wie Fig. 4 zu entnehmen, ein Maximum ein. Oberhalb der optimalen Schnelllaufzahl (u/c0)opt (in Fig. 3 der Bereich unterhalb der Motormomentenkennlinie für Teillast MMot,Teil) nimmt der Turbinenwirkungsgrad η ab, ebenso für Schnelllaufzah­ len, die kleiner sind als die optimale Schnelllaufzahl (u/c0)opt (in Fig. 3 der Bereich zwischen den. Motormomentenkennlinien MMot,Voll und MMot,Teil).
Bei einer Auslegung der Compound-Nutzturbine auf eine Schnell­ laufzahl u/c0 von etwa 0.55 bis 0.60 unter Volllast des Motors steht der in Fig. 4 dargestellte Bereich von etwa 0.55 bis 0.8, der durch einen hohen Turbinenwirkungsgrad η gekennzeichnet ist, für einen großen Lastbereich zur Verfügung.
Um im Motorbremsbetrieb ein Bremsmoment in der Compound- Nutzturbine erzeugen zu können, welches auf die Kurbelwelle des Motors übertragen wird, ist ein negativer Wirkungsgrad η der Compound-Nutzturbine anzustreben. Dieser Bereich ist im Schau­ bild nach Fig. 4 durch den Schnittpunkt der Wirkungsgradkurve mit der Abszisse, der die Brems-Schnelllaufzahl (u/c0)Br kenn­ zeichnet, und alle darüber liegenden Schnelllaufzahlen gekenn­ zeichnet. Die Brems-Schnelllaufzahl (u/c0)Br liegt beispielswei­ se bei einem Wert von etwa 1.1. In diesem Bremsbereich wird ein Bremsmoment in der Compound-Nutzturbine erzeugt, welches bei­ spielsweise dadurch erzeugt werden kann, dass durch ein Veren­ gen des wirksamen Turbinenquerschnitts in der Abgasturbine durch eine entsprechende Einstellung der variablen Turbinengeo­ metrie der Abgasgegendruck stromauf der Turbine angehoben und der Austrittsdruck stromab der Abgasturbine, welcher der Com­ pound-Nutzturbine zugeführt wird, abgesenkt wird. Hierdurch er­ geben sich niedere isentrope Geschwindigkeiten c0 an der Com­ pound-Nutzturbine, wodurch die Schnelllaufzahl der Compound- Nutzturbine in Richtung größerer Werte verschoben wird. Hohe Umfangsgeschwindigkeiten u und niedere isentrope Geschwindig­ keiten c0 in der Compound-Nutzturbine führen zu einer extrem großen Falschanströmung, die einen Rückenstoß am Radschaufel­ eintritt mit einem radbremsenden Impuls bewirkt.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und mit einer Compound-Nutzturbine, die an die Kurbelwelle der Brennkraftma­ schine (1) gekoppelt ist, wobei der Abgasturbolader (2) eine Abgasturbine (3) im Abgasstrang (4) und einen Verdichter (5) im Ansaugtrakt (6) umfasst und die Compound-Nutzturbine (11) stromab der Abgasturbine (3) im Abgasstrang (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass stromauf der Abgasturbine (3) eine einstellbare Abgasrück­ führungseinrichtung (10) zwischen Abgasstrang (4) und Ansaug­ trakt (6) vorgesehen ist,
zur Bestimmung des Größenverhältnisses von Abgasturbine (3) und Compound-Nutzturbine (11) die Schluckfähigkeit (ϕ) jeder Turbi­ ne (3, 11) gemäß der Beziehung
mit den Kenn- und Bestimmungsgrößen
ϕ Schluckfähigkeit
Abgasmassenstrom durch die Turbine
T Temperatur am Turbineneintritt
p Druck am Turbineneintritt
festzustellen ist und die maximale Schluckfähigkeit (ϕTC,max) der Compound-Nutzturbine (11) die maximale Schluckfähigkeit (ϕATL,max) der Abgasturbine (3) übersteigt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Schluckfähigkeit (ϕATL,max) der Abgasturbine (3) 45% bis 55% der maximalen Schluckfähigkeit (ϕTC,max) der Com­ pound-Nutzturbine (11) beträgt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (3) mit variabler Turbinengeometrie (8) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquer­ schnitts ausgestattet ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Schluckfähigkeit (ϕATL,max) der Abgasturbine (3) bei geöffneter variabler Turbinengeometrie (8) 45% bis 55% der maximalen Schluckfähigkeit (ϕTC,max) der Compound-Nutzturbine (11) beträgt.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Schluckfähigkeit (ϕATL,max) der Abgasturbine (3) mit variabler Turbinengeometrie (8) in Staustellung mindes­ tens 10% der maximalen Schluckfähigkeit (ϕTC,max) der Compound- Nutzturbine (11) beträgt.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Compound-Nutzturbine (11) in der Weise dimensioniert ist, dass eine Schnelllaufzahl (u/c0) der Compound-Nutzturbine (11), definiert als Quotient von Umfangsgeschwindigkeit (u) am Turbinenradeintritt und isentrope Geschwindigkeit (c0), bei Volllast des Motors einen Wert von 0.55 bis 0.60 einnimmt.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Turbobremsbetrieb die Schnelllaufzahl (u/c0) auf einen Wert größer als 1.0 einstellbar ist, wodurch negative Wirkungs­ grade der Compound-Nutzturbine (11) ermöglicht werden.
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