DE102007051505A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Ladeluftkühler - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Ladeluftkühler Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Saugrohr (36) in einer Frischluftanlage (16), welches in Einlasskanäle in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine mündet, einer Abgasanlage (12) und einem Abgasturbolader (14), der eine in der Abgasanlage (12) angeordnete Turbine (18) und einen von der Turbine (18) angetriebenen, in der Frischluftanlage (16) angeordneten Verdichter (20) aufweist, wobei die Turbine (18) einen Wastegate-Kanal (22) zum überbrückenden Vorbeiströmen des Abgases an einem Turbinenrad der Turbine (18) vorbei aufweist, wobei in dem Wastegate-Kanal (22) ein Wastegateventil (24) zum wahlweise Öffnen und Verschließen des Wastegate-Kanals (22) angeordnet ist, wobei ein elektrischer Aktuator (26) zum Betätigen des Wastegateventils (24) vorgesehen ist, wobei in der Frischluftanlage (16) stromab des Verdichters (20) ein Ladeluftkühler angeordnet ist. Hierbei ist der Ladeluftkühler in das Saugrohr (36) integriert und der Ladeluftkühler mit einem wassergekühlten Wärmetauscher ausgebildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Saugrohr in einer Frischluftanlage, welches in Einlasskanäle in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine mündet, einer Abgasanlage und einem Abgasturbolader, der eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine und einen von der Turbine angetriebenen, in der Frischluftanlage angeordneten Verdichter aufweist, wobei die Turbine einen Wastegate-Kanal zum überbrückenden Vorbeiströmen des Abgases an einem Turbinenrad der Turbine vorbei aufweist, wobei in dem Wastegate-Kanal ein Wastegateventil zum wahlweise Öffnen und Verschließen des Wastegate-Kanals angeordnet ist, wobei ein elektrischer Aktuator zum Betätigen des Wastegateventils vorgesehen ist, wobei in der Frischluftanlage stromab des Verdichters ein Ladeluftkühler angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Die Ladedruckregelung bei Motoren mit Abgasturboaufladung erfolgt bei Wastegate-Turboladern nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus der DE 198 24 913 A1 bekannt, mittels pneumatischen Druckaktuatoren. Bei aufgeladenen Ottomotoren kommen zum überwiegenden Teil Turbolader mit Starrgeometrie und Wastegate-Regelung zur Anwendung, da hier dem breiten Einsatz der beim Diesel zur Anwendung kommenden VTG-Technologie (verstellbare Turbinengeometrie) vor allem die hohen Kosten, die eine Folge der deutlich höheren Abgastemperaturen gegenüber dem Diesel sind, im Wege stehen. Für preissensitive Anwendungen wird der turboaufgeladene Ottomotor daher auch in Zukunft über Starrgeometrie-ATL und Wastegate-Regelung verfügen.
  • Die Entwicklung bei diesen Motoren ist zunehmend von einem hohen LowEnd-Torque und einem verzögerungsfreien Ansprechverhalten geprägt. Diesen Sachverhalten wird mit einer ATL-Auslegung Rechnung getragen, die speziell für den unteren Drehzahlbereich optimiert ist. Solche ATL's sind von ihrem Durchsatzvermögen her bezogen auf das Hubvolumen des Motors sehr klein, womit sie schon bei kleinen Abgasmassenströmen hohe Druckverhältnisse über den Lader realisieren können. Bei hohen Motordrehzahlen und großen Abgasmassenströmen müssen entsprechend große Abgasmengen über das Wastegate an der Turbine vorbei geführt werden.
  • Die Anforderung an den Wastegate-Aktuator leitet sich daraus entsprechend ab, dass im LowEnd-Torque- und transienten Betrieb das Wastegate mit hoher Kraft geschlossen werden muss und im Bereich der Nennleistung ausreichend Regelreserve vorhanden sein muss, damit auch in der Höhe die Nennleistung sicher eingeregelt werden, bzw. eine Abregelung zum Schutz vor Überdrehzahl am ATL erfolgen kann. Darüber hinaus soll der Abgasgegendruck im Teillastbetrieb so gering wie möglich sein, um eine verbrauchsgünstige minimale Ladungswechselarbeit einstellen zu können. Dieser Tradeoff kann von den bisherigen, mit Überdruck geregelten Pneumatikaktuatoren am Ottomotor nur unzureichend aufgelöst werden. Eine Lösung stellen elektrisch betriebene Wastegate-Steller dar, die von den am Motor anliegenden Drücken unabhängig betätigt bzw. geregelt werden können.
  • Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Aktuator für das Wastegate und einem Ladeluftkühler ist aus der DE 10 2005 056 011 A1 bekannt. Es ergeben sich dadurch besondere Vorteile für die elektrische Betätigung des Wastegates, dass das über das Wastegate strömende Abgas einer eigenen Abgasflut zugeführt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der o. g. Art hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Ansprechverhalten bei Lastanforderung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ladeluftkühler in das Saugrohr integriert ist und dass der Ladeluftkühler mit einem wassergekühlten Wärmetauscher ausgebildet ist.
  • Dies hat den Vorteil, dass sich ein geringes Volumen in der Frischluftanlage stromab des Verdichters ergibt, wodurch auch bei im Teillastbetrieb geöffnetem Wastegateventil bzw. Wastegateklappe bei Lastanforderung ein schnelles Ansprechen der Brennkraftmaschine sichergestellt ist. Dadurch ist der reduzierte Kraftstoffverbrauch durch öffnen des Wastegateventils im Teillastbereicht nicht mehr mit einem verschlechterten Ansprechverhalten bei Lastanforderung kombiniert.
  • Zweckmäßigerweise ist der wassergekühlte Wärmetauscher des Ladeluftkühlers mit einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ladeluftkühler ein Wasser-Luft-Ladeluftkühler (WL-LLK).
  • Zweckmäßigerweise weist der elektrische Aktuator zum Betätigen des Wastegateventils einen Elektromotor auf, welcher derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Elektromotor ein elektrisches Ausgangssignal eines Motorsteuergerätes direkt in eine Stellbewegung des Wastegateventils umsetzt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Wastegateventil als Wastegateklappe ausgebildet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
  • 2 ein Kennfeld für eine Regelung des Wastegates mittels eines elektrischen Aktuators.
  • Die in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock 10, eine Abgasanlage 12, einen Abgasturbolader 14 (ATL) und eine Frischluftanlage 16. Der ATL 14 weist eine in der Abgasanlage 12 angeordnete Turbine 18 und einen in der Frischluftanlage 16 angeordneten Verdichter 20 auf. In der Abgasanlage 12 ist ferner ein Wastegate-Kanal 22 mit einem Wastegateventil 24 derart angeordnet, dass ein Teil des Abgases durch Öffnen des Wastegateventils 24 wahlweise an der Turbine vorbeigeleitet wird. Das Wastegateventil 24, welches bevorzugt als Wastegateklappe ausgebildet ist, weist einen elektrischen Aktuator 26 zum Betätigen des Wastegateventils 24 auf. Stromab der Turbine 18 ist in der Abgasanlage 12 ein Katalysator 28, insbesondere ein Vorkatalysator oder ein motornaher Hauptkatalysator, angeordnet.
  • In der Frischluftanlage 16 ist ein den Verdichter 20 überbrückender Bypasskanal 30 mit einem Schubumluftventil 32 (SUV) angeordnet. Weiterhin ist in der Frischluftanlage 16 eine Drosselklappe 34 (DKL) und ein Saugrohr 36 angeordnet. In das Saugrohr 36 ist ein Ladeluftkühler mit einem wassergekühlten Wärmetauscher integriert. Dieser wassergekühlte Wärmetauscher ist mit einem Kühlwasserkreislauf 38 der Brennkraftmaschine verbunden. Dieser Kühlwasserkreislauf 38 weist eine Pumpe 40 und einen Niedertemperaturkühler 42 auf.
  • 2 veranschaulicht ein Kennfeld für eine Regelung des Wastegateventils 24 mittels des elektrischen Aktuators 26. In 2 ist auf einer horizontalen Achse 44 eine Drehzahl in [1/min] und auf einer vertikalen Achse 46 ein relativer Mitteldruck in [%] aufgetragen. In einem ersten Kennfeldbereich 48 ist das Wastegateventil 24 geschlossen, in einem zweiten Kennfeldbereich 50 ist das Wastegateventil 24 geöffnet und in einem dritten Kennfeldbereich 52 wird das Wastegateventil 24 geregelt.
  • Darüber hinaus erfolgt die Aktuatoransteuerung auch in Abhängigkeit von einem Fahrpedalgradienten in der Art, dass bei einem schnellen Durchtreten des Pedals das Wastegateventil 24 grundsätzlich sofort geschlossen wird und bis zum Erreichen des maximal zulässigen Ladedruckes geschlossen bleibt, wenn der Fahrer nicht vorher vom Gas geht.
  • Damit der Vorteil der Entdrosselung im Teillastbetrieb durch ein geöffnetes Wastegateventil 24 auch in einen entsprechenden Verbrauchsvorteil umgesetzt werden kann, ist erfindungsgemäß der Ladeluftkühler in das Saugrohr 36 integriert und mit einem wassergekühlten Wärmetauscher ausgerüstet. Dies stellt sicher, dass das in der Teillast geöffnete Wastegateventil 24 keine merkliche Verzögerung im Ansprechverhalten des Motors bedingt, da ein lediglich geringes Luftvolumen zwischen ATL-Verdichteraustritt und Eintritt in die Brennräume der Brennkraftmaschine vorliegt. Daher sind erfindungsgemäß die beiden Technologien "elektrischer Wastegate-Aktuator" und ein "im Saugrohr integrierter, wassergekühlter Ladeluftkühler" miteinander kombiniert.
  • Erst durch die Kombination aus den beiden bekannten Technologien, nämlich "im Saugrohr 36 integrierter WL-LLK" und "elektrischer Wastegate-Aktuator", ist es möglich, die Vorteile des elektrischen Wastegate-Aktuators in der Praxis umzusetzen.
  • Der elektrische Wastegate-Aktuator kann seinen Vorteil, nämlich die Regelung des Wastegateventils 24 unabhängig von betriebspunktabhängigen Drücken, erst durch das sich ergebende, sehr geringe Druckluftvolumen aufgrund des im Saugrohr 36 integrierten WL-LLK erzielen, ohne dass eine Verschlechterung der Dynamik bei Lastanforderung aus niedriger Teillast bei dort geöffnetem Wastegateventil 24 in Kauf genommen werden muss, bei dem sich das gesamte Druckluftvolumen auf einem deutlich geringerem Druckniveau befindet als bei herkömmlichen Pneumatikaktuatoren, die aber auch einen 1–2% höheren Kraftstoffverbrauch verursachen.
  • Wird das Wastegateventil 24 schon in der niedrigen Teillast geschlossen, wird das dynamische Verhalten zwar mindestens auf das Niveau von pneumatischen Aktuatoren verbessert, aber dafür ist der Verbrauch im gesamten Kennfeldbereich in unerwünschter Weise auf dem schlechteren Niveau der pneumatischen Wastegate-Aktuatoren.
  • Bei in der Teillast offenem Wastegateventil 24, was den gewünschten Zustand darstellt, da die primäre Motivation für den Einsatz eines elektrischen Wastegate-Aktuators 26 die Reduktion des Verbrauches ist, lassen sich durch den Einsatz eines elektrischen Wastegate-Aktuators 26 sowohl die Dynamik als auch der Verbrauch verbessern, denn durch die Kombination von im Saugrohr 36 integriertem LLK und elektrischem Wastegate-Aktuator 26 lässt sich der Verbrauch verbessern ohne einen Nachteil bzgl. des dynamischen Verhaltens erleiden zu müssen. Hierdurch ergibt sich zudem die Möglichkeit, das Wastegateventil 24 nach rein motorischen, thermodynamischen Kriterien zu stellen. Damit ergibt sich das Kennfeld gemäß 2. Mit der hier dargestellten Betriebsstrategie eines elektrischen Wastegate-Aktuators 24 werden die Vorteile der elektrischen Ansteuerung maximiert. Die Voraussetzung für die Implementierung dieses Kennfeldes gemäß 2 ist der im Saugrohr 36 integrierte WL-LLK.
  • Hierin bedeutet elektrischer Wastegate-Aktuator 26 einen Aktuator, der ein elektrisches Ausgangssignal eines Motorsteuergerätes mittels eines elektrischen Motors in die gewünschte Stellbewegung des Wastegateventils bzw. der Wastegateklappe direkt umsetzt. Dies bedeutet Unabhängigkeit von betriebspunktabhängigen Versorgungsdrücken des Motors.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19824913 A1 [0002]
    • - DE 102005056011 A1 [0005]

Claims (5)

  1. Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Saugrohr (36) in einer Frischluftanlage (16), welches in Einlasskanäle in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine mündet, einer Abgasanlage (12) und einem Abgasturbolader (14), der eine in der Abgasanlage (12) angeordnete Turbine (18) und einen von der Turbine (18) angetriebenen, in der Frischluftanlage (16) angeordneten Verdichter (20) aufweist, wobei die Turbine (18) einen Wastegate-Kanal (22) zum überbrückenden Vorbeiströmen des Abgases an einem Turbinenrad der Turbine (18) vorbei aufweist, wobei in dem Wastegate-Kanal (22) ein Wastegateventil (24) zum wahlweise Öffnen und Verschließen des Wastegate-Kanals (22) angeordnet ist, wobei ein elektrischer Aktuator (26) zum Betätigen des Wastegateventils (24) vorgesehen ist, wobei in der Frischluftanlage (16) stromab des Verdichters (20) ein Ladeluftkühler angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler in das Saugrohr (36) integriert ist und dass der Ladeluftkühler mit einem wassergekühlten Wärmetauscher ausgebildet ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wassergekühlte Wärmetauscher des Ladeluftkühlers mit einem Kühlkreislauf (38) der Brennkraftmaschine verbunden ist.
  3. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler ein Wasser-Luft-Ladeluftkühler (WL-LLK) ist.
  4. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Aktuator (26) zum Betätigen des Wastegateventils (24) einen Elektromotor aufweist, welcher derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Elektromotor ein elektrisches Ausgangssignal eines Motorsteuergerätes direkt in eine Stellbewegung des Wastegateventils (24) umsetzt.
  5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wastegateventil (24) als Wastegateklappe ausgebildet ist.
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