-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
In
der Druckschrift
DE
102 21 014 A1 wird eine Brennkraftma- schine mit Abgasturbolader
beschrieben, deren Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie
zum veränderlichen
Einstellen des Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet ist.
Die variable Turbinengeometrie wird in der Weise eingestellt, dass
die Abgasturboladerdrehzahl des Abgasturboladers sich innerhalb
eines vorgegebenen, zulässigen
Drehzahlbandes bewegt. Dies wird dadurch erreicht, dass beispielsweise
bei niedrigen Motordrehzahlen und -lasten die variable Turbinengeometrie
in Richtung ihrer Stauposition verstellt wird, in der der freie
Turbineneintrittsquerschnitt ein Minimum einnimmt, woraufhin der
Abgasgegendruck zwischen Brennkraftmaschine und Abgasturbine ansteigt
und das Abgas durch den verbleibenden freien Strömungsquerschnitt mit hoher
Geschwindigkeit geführt wird
und auf das Turbinenrad auftrifft, das daraufhin einen antreibenden
Impuls erfährt.
Auf diese Weise ist es möglich,
die Abgasturboladerdrehzahl auf einem gewünschten Mindestniveau zu halten.
-
In
der
DE 102 21 014
A1 wird darüber
hinaus offenbart, den Verdichter im Turbinenbetrieb zu fahren, sofern
bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine unmittelbar
vor den Zylindereingängen
im Ansaugtrakt ein Unterdruck herrscht, wodurch über dem Verdichter ein Druckabfall
entsteht, der zum Antrieb des Verdichterrades herangezogen werden
kann. Diese Betriebsweise wird auch als Kaltluft-Turbinenbetrieb
des Verdichters bezeichnet. Außerdem
ist dem Verdichter ein zusätzlicher
Antrieb zugeordnet, welcher dazu dient, ein Energiedefizit der Abgasturbine
in bestimmten Motorbetriebspunkten der Brennkraftmaschine auszugleichen.
Mit Hilfe des zusätzlichen
Antriebes kann die Drehzahl des Abgasturboladers annähernd konstant
gehalten werden.
-
Im
Turbinenbetrieb des Verdichters wird dem Lader durch Betätigung des
zusätzlichen
Antriebs Energie zugeführt,
um die Abgasturboladerdrehzahl anzuheben, wodurch der Verdichter
während
seines Kaltluft-Turbinenbetriebs im Bereich seines optimalen Wirkungsgrades
betrieben werden kann. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die im Abgasstrang
angeordnete Abgasturbine aufgrund der Anhebung der Abgasturboladerdrehzahl
in einen Wirkungsgradbereich gelangt, bei dem die Turbine zu ventilieren
beginnt und Leistung konsumiert, was sich bremsend auf die Abgasturboladerdrehzahl
auswirkt.
-
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine,
deren Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet ist,
in der Art zu betreiben, dass ein wirkungsgradoptimierter Betrieb
des Abgasturboladers gegeben ist. Insbesondere im unteren Last-/Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine, in welchem der Verdichter im Kaltluft-Turbinenbetrieb gefahren
wird, sollen sowohl der Verdichter als auch die Abgasturbine im
Bereich ihres jeweiligen Wirkungsgradoptimums betrieben werden.
-
Dieses
Problem wird im Hinblick auf das Erreichen eines möglichst
drehzahlstationär
laufenden Abgasturboladers erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen
an.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist die Abgasturbine
des Laders mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen
Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts zwischen
einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition
ausgestattet. Im unteren Last-/Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine,
bei dem stromauf des Verdichters ein höherer Druck als stromab des
Verdichters herrscht und der Verdichter im sogenannten Kaltluft-Turbinenbetrieb
gefahren wird, wird die variable Turbinengeometrie der Abgasturbine
so weit in Richtung ihrer Stauposition verstellt, bis der Turbinenwirkungsgrad
der Abgasturbine zumindest annähernd
im Bereich des Wirkungsgradoptimums liegt.
-
Hiermit
wird eine direkte Abhängigkeit
zwischen der einzuregelnden Schnelllaufzahl des Abgasturboladers
und dem engsten Turbinenquerschnitt festgelegt, welcher in der Stauposition
oder zumindest nahe der Stauposition der variablen Turbinengeometrie
erreicht wird. Auf diese Weise ist es möglich, dass insbesondere im
Kaltluft-Turbinenbetrieb des Verdichters, in welchem über dem
Verdichter ein Druckabfall herrscht, welcher zum Antrieb des Verdichterrades
ausgenutzt wird, sowohl der Verdichter als Kaltluftturbine im Bereich
seines Wirkungsgradoptimums als auch die Abgasturbine im Bereich
ihres Wirkungsgradoptimums betrieben werden kann. Durch eine Erhöhung des
Turbinendruckverhältnisses
wird auch die isentrope Expansionsgeschwindigkeit und damit auch
die Turbinenleistung der Abgasturbine gesteigert, was dazu führt, dass trotz
höherer Drehzahl
der Abgasturbine der Bereich des optimalen Wirkungsgrades nicht
verlassen und insbesondere ein unerwünschter Ventilationsbetrieb, in
welchem Energie konsumiert wird, vermieden wird.
-
Mit
Hilfe dieser Maßnahmen
kann grundsätzlich
auf einen zusätzlichen
Antrieb für
den Lader verzichtet werden, ohne Wirkungsgradeinbußen oder ein
Abfallen der Laderdrehzahl zu befürchten. Die Laderdrehzahl wird
vielmehr auf einem annähernd
konstanten und hohem Niveau gehalten. Dennoch kann es gegebenenfalls
zweckmäßig sein,
einen zusätzlichen
Antrieb vorzusehen.
-
Der
Verdichter des Abgasturboladers weist zweckmäßig einen Zusatzkanal auf,
welcher separat vom Verdichtereinlasskanal ausgebildet ist und in Höhe des Verdichterrades
radial in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Der über den Zusatzkanal zuzuführende Verbrennungsluftstrom
ist einstellbar, wobei insbesondere im unteren Last-/Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine der zuzuführende
Verbrennungsluftstrom über
den Zusatzkanal geleitet wird, welcher radial auf die Verdichterradschaufeln auftrifft
und auf diese einen antreibenden Impuls überträgt. Aufgrund des Druckgefälles über dem
Verdichter wird die Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt.
Der im Kaltluft-Turbinenbetrieb gefahrene Verdichter leistet einen
Beitrag für
die Aufrechterhaltung der Laderdrehzahl. Mit zunehmender Last bzw.
Drehzahl der Brennkraftmaschine kann die Luftzufuhr über den
Zusatzkanal reduziert und schließlich vollständig abgeriegelt
werden, so dass die Verbrennungsluft den normalen Weg über den
Verdichtereinlasskanal nimmt und stirnseitig auf das Verdichterrad
auftritt. Der Verdichter wird bei höheren Lasten und Drehzahlen
der Brennkraftmaschine im Verdichterbetrieb gefahren, die zugeführte Verbrennungsluft wird
auf einen erhöhten
Ladedruck komprimiert.
-
Um
die Überdrehzahlgefahr
im Rotor des Abgasturboladers zu eliminieren ist vorgesehen, dass die
variable Turbinengeometrie für
den Fall, dass die Abgasturboladerdrehzahl einen oberen Grenzwert erreicht,
so weit in Richtung ihrer Öffnungsposition verstellt
wird, bis die Zuströmung
eine bremsende Wirkung auf das Turbinenrad ausübt, woraufhin die Abgasturbine
Energie konsumiert und bremsend auf die Abgasturboladerdrehzahl
einwirkt. Dieser Betrieb wird auch als Ventilationsbetrieb der Abgasturbine bezeichnet.
Die Überdrehzahlgefahr
kann insbesondere bei Lastwechseln der Brennkraftmaschine von hoher
Last in Richtung tiefer Teillast auftreten, was mit einem starken
Druckabfall im Ansaugtrakt unmittelbar stromauf der Zylindereinlässe einhergeht.
Der Verdichter wird hierdurch stark entlastet und schlagartig in
den Kaltluft-Turbinenbetrieb
versetzt, in welchem der Verdichter Antriebsenergie für den Rotor liefert.
Zugleich sorgt der heiße
Abgaskrümmer
für eine
hohe Energiezufuhr an das Abgas, so dass auch die Abgasturbine kurzzeitig
weitere Antriebsenergie leistet, was insgesamt zu einem unzulässig hohen Anstieg
der Abgasturboladerdrehzahl führen
würde. Um
dies zu vermeiden, wird die variable Turbinengeometrie des Abgasturboladers
schnellstmöglich
so weit geöffnet,
bis der Wirkungsgrad der Abgasturbine negativ und die Turbine im
Ventilationsbetrieb gefahren wird, in welchem Energie verbraucht
wird. Die resultierende, negative Leistung aus Lagerreibung und Bremsleistung
der Abgasturbine muss größer sein als
die Antriebsleistung des im Kaltluftturbinenbetrieb gefahrenen Verdichters.
-
Nachdem über den
bremsenden Einfluss der Abgasturbine die Abgasturboladerdrehzahl
bis auf einen zulässigen
Wert abgesenkt worden ist, kann die variable Turbinengeometrie wieder
die der aktuellen Betriebsweise angemessene Position einnehmen, also
bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftma schine insbesondere
wieder in Richtung der Stauposition versetzt werden.
-
Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,
-
2 einen
Schnitt durch den Verdichter des Abgasturboladers, welcher einen
parallel zum Verdichtereinlasskanal verlaufenden Zusatzkanal aufweist, über den
Verbrennungsluft radial auf das Verdichterrad auftrifft,
-
3 einen
Schnitt durch die Abgasturbine des Abgasturboladers, die einen radialen
und einen halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt
aufweist, wobei im radialen Strömungseintrittsquerschnitt
eine variable Turbinengeometrie angeordnet ist,
-
4 eine
Draufsicht auf die variable Turbinengeometrie,
-
5 ein Detail der variablen Turbinengeometrie
in Seitenansicht in einer vergrößerten Darstellung,
-
6 ein
Schaubild mit dem Verlauf des Wirkungsgrads in Abhängigkeit
des Verhältnisses
von Umfangsgeschwindigkeit zu isentroper Expansionsgeschwindigkeit,
dargestellt für
den Verdichter im Kaltluftturbinenbetrieb,
-
7 ein 6 entsprechendes
Schaubild, dargestellt für
die Abgasturbine.
-
In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 – eine Dieselbrennkraftmaschine
oder ein Ottomotor – ist
mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine Abgasturbine 3 im
Abgasstrang 4 und einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst.
Das Turbinenrad der Abgasturbine 3 ist über eine Welle 7 drehfest
mit dem Verdichterrad im Verdichter 5 gekoppelt. Im Abgasstrang 4 ist
ein die Abgasturbine 3 überbrückender
Bypass 8 vorgesehen, der stromauf der Abgasturbine abzweigt
und stromab der Abgasturbine wieder in den Abgasstrang einmündet und
in welchem ein einstellbares Abblaseventil 9 angeordnet ist.
Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 22 versehen, über die
der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen
Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition verstellt werden
kann.
-
Der
Verdichter 5 ist mit einer variablen Verdichtergeometrie 10 ausgestattet, über die
einer von insgesamt zwei Strömungsquerschnitten, über die Verbrennungsluft
dem Verdichterrad zuzuführen
ist, veränderlich
eingestellt werden kann. Der Strömungsquerschnitt
mit der variablen Verdichtergeometrie 10 befindet sich
in einem Zusatzkanal 11, welcher vom Verdichtereinlasskanal
stromauf des Verdichterrades abzweigt und in Höhe des Verdichterrades radial
wieder in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Der Verbrennungsluftstrom,
welcher über den
Zusatzkanal 11 zugeführt
wird, wird mit Hilfe eines einstellbaren Sperrventiles 12 reguliert,
das zwischen einer den Zusatzkanal 11 sperrenden und einer
den Zusatzkanal 11 freigebenden Position zu regulieren
ist und außerdem
auch den a xialen Verdichtereinlasskanal sperren bzw. freigeben kann. Über den
axialen Verdichtereinlasskanal wird bei mittleren und hohen Lasten
bzw. Drehzahlen der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft axial auf
das Verdichterrad zugeführt,
welches über
die Welle 7 vom Turbinenrad angetrieben wird und die zugeführte Verbrennungsluft
auf einen erhöhten
Ladedruck verdichtet. Der Zusatzkanal 11 ist in diesem
Betrieb zweckmäßig abgesperrt.
Bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird
dagegen die Verbrennungsluft über
den Zusatzkanal 11 zugeführt, wobei in dieser Betriebsphase
unmittelbar stromauf der Zylindereinlässe ein Unterdruck herrscht,
wodurch sich über
dem Verdichter ein Druckgefälle
einstellt, der zum Antrieb des Laders ausgenutzt werden kann. Die
in dieser Betriebsphase über
den Zusatzkanal 11 zugeführte Verbrennungsluft trifft
radial auf die Verdichterradschaufeln auf und versetzt diesen einen antreibenden
Impuls. Der Strömungsweg über den Verdichtereinlasskanal
ist in dieser Betriebsphase zweckmäßigerweise abgesperrt.
-
Stromauf
des Verdichters 5 befindet sich ein Luftfilter 13 im
Ansaugtrakt, in welchem die zugeführte Verbrennungsluft gereinigt
wird. Stromab des Luftfilters 13 und stromauf des Verdichters 5 ist
ein Luftmesser 14 im Ansaugtrakt 6 angeordnet, über den Luftdurchsatz
gemessen und als Informationssignal einer Regel- und Steuereinheit 21 zugeführt wird. Stromab
des Verdichters 5 ist im Ansaugtrakt 6 eine Ladeluftkühler 15 angeordnet,
in welchem die Verbrennungsluft gekühlt wird. Im Anschluss an den
Ladeluftkühler 15 wird
die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
-
Auf
der Abgasseite werden die von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgase über den
Abgasstrang 4 der Abgasturbine 3 zugeleitet, wobei über die
aktuelle Einstellung der variablen Turbinengeometrie zwischen Stauposition
und beliebigen Zwi schenpositionen bis hin zur Öffnungsposition Einfluss auf
den Wirkungsgrad der Abgasturbine genommen werden kann. Gegebenenfalls
kommt auch eine Abblasung über
den Bypass 8 bei geöffnetem Abblaseventil 9 in
Betracht. Stromab der Abgasturbine 3 werden die Abgase
in einer Abgasreinigungseinheit 16 gereinigt.
-
Des
Weiteren ist in der Brennkraftmaschine eine Abgasrückführungseinrichtung 17 vorgesehen, welche
eine Rückführleitung 18 zwischen
dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und
dem Ansaugtrakt 6 des Ladeluftkühlers 15 umfasst.
In der Rückführleitung 18 befindet
sich ein regelbares Rückführsperrventil 19 sowie
ein Abgaskühler 20.
Mit Hilfe der Abgasrückführung ist
es möglich,
insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine die NOx-Emissionen zu reduzieren.
-
Über eine
Regel- und Steuereinheit 21 sind sämtliche einstellbaren Aggregate
der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
von Zustands- und Betriebsgrößen einzustellen.
Dies betrifft insbesondere das Sperrventil 12, über das
die Luftzufuhr in den Verdichtereinlasskanal bzw. in den Zusatzkanal 11 zu
regulieren ist, die Position der variablen Verdichtergeometrie 10,
das Rückführ-Sperrventil 19 in
der Rückführleitung 18 der
Abgasrückführungseinrichtung
und die Position der variablen Turbinengeometrie 22.
-
In 2 ist
der Verdichter 5 im Schnitt dargestellt. Im axialen Verdichtereinlasskanal 25 ist
ein Sperrorgan 28 koaxial zur Längsachse 30 in Pfeilrichtung 29 längsverschieblich
angeordnet und wird von einem Stellglied 31 in Achsrichtung
verschoben. Dem axialen Verdichtereinlasskanal 25 ist ein
radial nach außen
versetzter Luftsammelraum 26 vorgelagert, von dem aus der
Verdichtereinlasskanal über eine
Eintrittsöffnung 27 verzweigt.
Je nach axialer Position des Sperrorgans 28 ist die Eintrittsöffnung 27 geöffnet oder,
wie in 2 dargestellt, verschlossen.
-
Parallel
zum Verdichtereinlasskanal 25, jedoch radial nach außen versetzt
und gegenüber
dem Verdichtereinlasskanal über
einen Axialschieber 32 separiert ist ein Zusatzkanal 33 vorgesehen,
welcher ebenfalls vom vorgelagerten Luftsammelraum 26 abzweigt
und über
einen Mündungsbereich 34 wieder radial
in den Verdichtereinlasskanal einmündet, wobei der Mündungsbereich 34 sich
axial in Höhe
der Verdichterradschaufeln 24 des Verdichterrades 23 befindet.
In der in 2 dargestellten Position des Sperrorgans 28 mit
abgesperrten Eintrittsöffnung 27 des
Verdichtereinlasskanals 25 wird die zuzuführende Verbrennungsluft
ausschließlich über den
Zusatzkanal 33 herangeführt
und trifft radial auf die Verdichterradschaufeln 24 auf
und überträgt auf diese
einen antreibenden Impuls. Im Mündungsbereich 34 ist eine
variable Verdichtergeometrie angeordnet, welche ein Drallgitter 35 umfasst,
das ortsfest an einer Gehäusewandung
des Verdichtergehäuses
gehalten ist und in einen Aufnahmeöffnung 38 einschiebbar ist,
welche sich an einer Stirnseite des verstellbaren Axialschiebers 32 befindet.
Die gegenüberliegende Stirnseite
des Axialschiebers 32 wird von dem Sperrorgan 28 in
der Weise beaufschlagt, dass bei einer dem Verdichterrad angenäherten Position
des Sperrorgans 28 der Axialschieber 32 auf das
Drallgitter 35 zubewegt und das Drallgitter 35 in
die Aufnahmeöffnung 38 eingeschoben
wird. Auf diese Weise kann je nach axialer Stellposition des Sperrorgans 28 nicht nur
die Eintrittsöffnung 27 des
Verdichtereinlasskanals eingestellt, sondern zusätzlich auch der freie Mündungsquerschnitt
im Mündungsbereich 34 des Zusatzkanals 33 reguliert
werden. Der Axialschieber 32 führt gemäß Pfeilrichtung 36 eine
axiale Stellbewegung aus.
-
Der
Axialschieber 32 wird von einem Federelement 37 axial
kraftbeaufschlagt und von dem feststehenden Drallgitter 35 weggedrückt. Dies
führt dazu,
dass bei einer Bewegung des Sperrorgans 28 weg von dem
Verdichterrad 23 auch der Axialschieber 32 durch
die Kraft des Federelements 37 in die gleiche Richtung
wie das Sperrorgan verschoben wird, wodurch der freie Strömungsquerschnitt
im Mündungsbereich 34 vergrößert wird.
Die Öffnungsbewegung
des Axialschiebers 32 wird von einem Anschlag 39 begrenzt.
-
Der
Verdichter 5 nimmt die in 2 dargestellte
Position des Sperrorgans 28 im niedrigen Last-/Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine ein, in dem stromab des Verdichters im Ansaugtrakt
ein Unterdruck herrscht. In diesem Zustand wird die zuzuführende Verbrennungsluft über den
Zusatzkanal 33 und das Drallgitter 35 radial auf
die Verdichterradschaufeln 34 geleitet, wobei das Drallgitter 35 der Verbrennungsluft
einen zusätzlichen
Drall versetzt, unter dem die Verbrennungsluft auf die Verdichterradschaufeln
auftrifft.
-
Mit
zunehmender Last und Drehzahl wird das Sperrorgan 28 zurückverschoben,
bis die Eintrittsöffnung 27 des
Verdichtereinlasskanals 25 geöffnet wird. Daraufhin kann
Verbrennungsluft aus dem Luftsammelraum 26 über die
Eintrittsöffnung 27 in
den Verdichtereinlasskanal 25 einströmen und trifft axial auf das
Verdichterrad 23 auf. In dieser Betriebsweise leistet der
Verdichter Verdichterarbeit und komprimiert die herangeführte Verbrennungsluft
auf einen erhöhten
Ladedruck. Herrscht dagegen über
dem Verdichter ein Druckabfall, so liefert die über den Zusatzkanal 33 herangeführte Verbrennungsluft
einen das Verdichterrad antreibenden Impuls.
-
In 3 ist
die Abgasturbine 3 im Schnitt dargestellt. Den Turbinenradschaufeln 41 des
Turbinenrades 40 wird das Abgas aus dem Abgasstrang über einen
Spiralkanal 42 im Turbinengehäuse zugeführt. Die Abgasturbine ist als
Radial- /Halbaxialturbine
ausgeführt
und besitzt sowohl einen radialen Turbineneintrittsquerschnitt,
der im Pfeilrichtung 43 angeströmt wird, als auch einen halbaxialen
Turbineneintrittsquerschnitt, der in Pfeilrichtung 44 durchströmt wird.
Im halbaxialen Strömungsquerschnitt befindet
sich ein fest stehendes Drallgitter, im radialen Strömungseintrittsquerschnitt
dagegen die variable Turbinengeometrie 22, über die
der freie Strömungseintrittsquerschnitt
zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu
verstellen ist.
-
Die
variable Turbinengeometrie 22 ist in den 4 und 5 im Detail dargestellt. Die variable Turbinengeometrie 22 besteht
aus einer Mehrzahl kreisförmig
angeordneter Leitschaufeln 46, die jeweils auf einer Leitschaufelwelle 47 drehbar
gelagert sind, wobei die Leitschaufelwellen 47 von einer
Verstelleinrichtung 48 (3) zu betätigen sind.
Zwischen benachbarten Leitschaufeln 46 ist ein Strömungsweg freigegeben,
wobei dieser Strömungsweg
je nach Position der Leitschaufeln zwischen der Stauposition und
der maximalen Öffnungsposition
zu verstellen ist.
-
In
den
6 und
7 sind Schaubilder mit dem Verlauf
des Wirkungsgrades in Abhängigkeit vom
Verhältnis
der Umfangsgeschwindigkeit zur isentropen Expansionsgeschwindigkeit
dargestellt, und zwar in
6 für den im Kaltluft-Turbinenbetrieb gefahrenen
Verdichter – gekennzeichnet
mit „KT" (Kaltluft) – und in
7 dargestellt
für die
Abgasturbine – dargestellt
mit „HT" für Heißturbine.
Der auf der Y-Achse
aufgetragene Wirkungsgrad η ist
auf einen Referenzwert η
ref normiert. Mit c
0 wird
die isentrope Expansionsgeschwin digkeit bezeichnet, die für den als
Kaltluftturbine betriebenen Verdichter und für die Abgasturbine aus dem
Zusammenhang
in Abhängigkeit der Wärmekapazität c
P des jeweils durchströmenden Gases, der Temperatur
T
t,ein am Verdichterrad- bzw. Turbinenradeintritt,
des Verdichter- bzw. Turbinendruckverhältnisses p
t,ein/p
t,aus und des Isentropenexponenten κ ermittelt
wird. Gemäß dieses
Zusammenhangs wächst
die isentrope Expansionsgeschwindigkeit c
0 mit
zunehmendem Druckverhältnis
p
t,ein/p
t,aus an.
Das bedeutet für
die Abgasturbine, dass deren isentrope Expansionsgeschwindigkeit
c
0 zunimmt, wenn die variable Turbinengeometrie
in Richtung Staustellung versetzt wird, da bei kleinerem Turbineneintrittsquerschnitt
der Abgasgegendruck und damit auch das Druckverhältnis über der Abgasturbine ansteigt.
-
Die
Umfangsgeschwindigkeit u berechnet sich aus u
= DKT π nATL u = DHT π nATL für
den Verdichter (Kaltluftbetrieb „KT") bzw, für die Abgasturbine (Heißturbine „HT") in Abhängigkeit
des Durchmessers DKT des Verdichterrades
bzw. des Durchmessers DHT des Turbinenrades,
jeweils an der Eintrittschaufelkante gemessen, wie den 2 bzw. 3 zu
entnehmen ist, sowie als Funktion der Zahl π und der Laderdrehzahl nATL.
-
Das
Verhältnis
u/c0 von Umfangsgeschwindigkeit u und isentroper
Expansionsgeschwindigkeit c0 steigt mit
zunehmender Laderdrehzahl nATL an und nimmt
mit zunehmendem Abgasgegendruck wegen der hierbei ansteigenden Expansionsgeschwindigkeit
c0 ab. Wird die variable Turbinengeometrie
in Staustellung versetzt, steigt der Abgasgegendruck an und das
Verhältnis
u/c0 nimmt ab.
-
In
den beiden Kurven gemäß 6 und 7 befindet
sich das Wirkungsgradoptimum an der Spitze des etwa glockenkurvenförmigen Verlaufs des
Wirkungsgrades. Das Wirkungsgradoptimum liegt etwa für jede Kurve
bei einem Wert des Verhältnisses
der Umfangsgeschwindigkeit u zur isentropen Expansionsgeschwindigkeit
c0 von 0.7. Das jeweilige Wirkungsgradoptimum
ist bei diesem Wert mit den Punkten AKT bzw.
CHT gekennzeichnet. Um diesen Wert in beiden
Kurven erreichen zu können,
ist es erforderlich, in denjenigen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine,
in denen ein Unterdruck im Ansaugtrakt herrscht und der Verdichter
im Kaltluft-Turbinenbetrieb gefahren wird, die variable Turbinengeometrie
der Abgasturbine so weit in Richtung ihrer Stauposition zu verstellen,
bis der in 7 dargestellte Turbinenwirkungsgrad
der Abgasturbine zumindest annähernd
im Bereich des Wirkungsgradoptimums liegt, der bei Verhältnis u/c0 bei etwa 0,7 erreicht wird. Ohne die Korrektur über die
Verstellung der variablen Turbinengeometrie läge das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit
zu isentroper Expansionsgeschwindigkeit für die Turbine bei einem erheblich
höheren Wert,
der gegebenenfalls sogar oberhalb des Schnittpunktes der Wirkungsgradkurve
mit der X-Achse liegt, der die Umkehrung vom Antriebsmodus in den Ventilationsmodus
mit energiekonsumierendem Verhalten der Abgasturbine kennzeichnet;
Ursache hierfür
ist der geringe Druckabfall bei niedrigen Lasten und Drehzahlen
der Brennkraftmaschine, was gemäß oben angegebenem
Zusammenhang für
die Berechnung der isentropen Expansionsgeschwindigkeit c0 zu einem verhältnismäßig kleinen Wert für die Expansionsgeschwindigkeit
und damit zu einem großen Verhältnis von
Umfangsgeschwindigkeit zu Expansionsgeschwindigkeit führt. Mit
Hilfe der Verstellung der variablen Turbinengeometrie in Richtung
Stauposition wird der Abgasgegendruck erhöht, ebenso die isentrope Expansionsgeschwindigkeit
c0 und dadurch das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit zur
Expansionsgeschwindigkeit in Richtung des Wirkungsgradoptimums verringert.
Diese Einstellung sorgt dafür,
dass auch bei niedrigen Lasten und Drehzahlen die Abgasturbine Antriebsleistung
an die Laderwelle abgibt und somit einen Beitrag zur Aufrechterhaltung
des Drehzahlniveaus des Laders leistet.
-
Um
unzulässig
hohe Drehzahlen des Rotors des Abgasturboladers zu verhindern, was
insbesondere im Falle von Lastwechseln von hoher Last der Brennkraftmaschine
in Richtung geringer Teillast passieren kann, weil hierbei auf der
Verdichterseite ein Unterdruck stromab des Verdichters eingestellt wird,
der den Verdichter zusätzlich
antreibt, zugleich aber Nachheizenergie des Abgaskrümmers auf
der Abgasseite für
ein Aufheizen und eine entsprechend hohe Energie des Abgases sorgt,
wodurch ebenfalls zusätzlich
Antriebsenergie auf die Laderwelle wirkt, wird in diesem Fall die
variable Turbinengeometrie so weit in Richtung ihrer Öffnungsposition
verstellt, bis die Wirkungsgradkurve gemäß 7 in ihren
negativen Bereich gelangt und die Abgasturbine im Ventilationsbetrieb
Energie konsumiert und hierdurch die Laderwelle abbremst. Diese
Querschnittserweiterung wird in der Regel durch eine Verstellung
der variablen Turbinengeometrie in Richtung ihrer Öffnungsposition
erreicht; gegebenenfalls kann aber auch das Abblaseventil im Bypass
zur Abgasturbine geöffnet
werden. Eine Abbremsung wird für
den Fall erreicht, dass die Summe aus der Verlustleistung, die sich
aus Beiträgen
der Lagerreibung und der Brems leistung der Abgasturbine zusammensetzt,
größer ist als
die Antriebsleistung auf Seiten des Verdichters, der im Kaltluftturbinenbetrieb
gefahren wird und den Rotor antreibt.
-
Nachdem
die Abgasturboladerdrehzahl ein gewünschtes Drehzahlniveau erreicht
hat, insbesondere wieder auf ein niedrigeres Drehzahlniveau abgesenkt
worden ist, kann die variable Turbinengeometrie wieder in Richtung
ihrer Stauposition verstellt werden, um die Abgasturbine aus dem
Energie konsumierenden Ventilationsbetrieb in den Energie abgebenden
Antriebsmodus zu versetzen. Diese Verstellung der variablen Turbinengeometrie
in Richtung ihrer Stauposition kann durchgeführt werden, sobald ein der
Abgasturboladerdrehzahl zugeordneter Parameter einen definierten
Wert einnimmt, beispielsweise wenn die Abgasturboladerdrehzahl über einen Mindestzeitraum
unterhalb eines definierten Grenzwertes liegt.
