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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen eines mit einer Abgasturbolader-Anordnung ausgerüsteten Antriebssystems.
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Zur Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte von Verbrennungsmotoren, insbesondere hinsichtlich von deren NOx-Emissionen, werden zunehmend Abgasturbolader-Anordnungen mit Abgasrückführung bzw. Abgasrezirkulation eingesetzt. Dabei geht es darum, Abgas des Verbrennungsmotors der Ladeluft für den Verbrennungsmotor beizumischen.
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Beispielsweise ist aus der
DE 102 44 535 A1 bekannt das (Motor-)Abgas aus einer Abgasrückführleitung über einen Zusatzkanal an einer bestimmten Stelle am Verdichterrad zuzuleiten. Die
EP 0 585 105 A1 offenbart ebenfalls eine Abgasturbolader-Anordnung mit Abgasrezirkulation.
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Bei einer Abgasrückführung muss in der Regel ein ”Spülgefälle”, d. h. eine Druckdifferenz zwischen dem Druck in einer Ladeluftleitung und dem Druck in einer Abgasleitung, überbrückt werden, wozu z. B. separate Gebläse eingesetzt werden oder das Abgas vor einem Verdichter der jeweiligen Abgasturbolader-Anordnung in den Ladeluftstrang hinein zugemischt wird. In jedem Fall ist zur Überwindung des Spülgefälles ein nicht unerheblicher Energieaufwand notwendig, welcher den Wirkungsgrad der Abgasturbolader-Anordnung beeinträchtigen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren eines mit einer Abgasturbolader-Anordnung ausgerüsteten Antriebssystems bereitzustellen, bei dem der Energieaufwand zur Verdichtung eines in den Ladeluftstrang hinein rückzuführenden Abgasstroms reduziert bzw. minimiert ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auslegen eines Antriebssystems mit einer Abgasturbolader-Anordnung und einem Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei die Abgasturbolader-Anordnung einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine aufweist, die in einem mit einem Abgasausgang des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung zu bringenden Abgasstrang der Abgasturbolader-Anordnung angeordnet ist, und einem mit der Abgasturbine in Drehantriebsverbindung stehenden Verdichter und eine Abgasrezirkulations-Einrichtung mit einem Eingang, der mit dem Abgasstrang fluidverbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Ladeluftstrang fluidverbunden ist, so dass aus dem Abgasstrang abgezweigtes Abgas über den Ausgang an einer Abgaseintrittsposition in den Ladeluftstrang eintreten kann; wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bestimmen einer lastabhängigen Abgasdruck-Kennlinie für den Verbrennungsmotor, Bestimmen einer lastabhängigen Ladedruck-Kennlinie für den Verdichter, Bestimmen einer Arbeitslast für den Verbrennungsmotor, Bestimmen einer auf die Arbeitslast bezogenen Druckdifferenz zwischen der Abgasdruck-Kennlinie und der Ladedruck-Kennlinie, Bestimmen einer verdichterspezifischen Druckaufbau-Kennlinie in Abhängigkeit von einer auf eine Verdichtungspfadlänge bezogenen Längenposition im Fluidverdichtungspfad, Bestimmen einer Längenposition im Fluidverdichtungpfad, an der ein vom Verdichter erzielbarer Druckaufbau gleich der bestimmten Druckdifferenz zwischen Abgasdruck-Kennlinie und Ladedruck-Kennlinie ist, und Festlegen der Abgaseintrittsposition, so dass die Abgaseintrittsposition der bestimmten Längenposition entspricht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegegen des Antriebssystems einer Abgasturbolader-Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgaseintrittsposition derart in einem Fluidverdichtungspfad im Verdichter angeordnet ist, dass in den Verdichter einströmendes Abgas unter lediglichem Ausgleich einer Druckdifferenz zwischen einem Eintrittsdruck des Abgases in den Fluidverdichtungspfad und einem zu erzielenden Ladedruck von dem Eintrittsdruck aus gerade bis auf den zu erzielenden Ladedruck verdichtet wird.
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Mit anderen Worten wird dem Abgas genau die Arbeit bzw. Energie zugeführt, die zum Ausgleichen bzw. Überbrücken einer Druckdifferenz zwischen Eintrittsdruck des Abgases und zu erzielendem Ladedruck notwendig ist.
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Gemäß der Erfindung wird nur lokal ein begrenzter Teil des Verdichters, der auch noch im Gereicht geringerer Fliehkraftbeanspruchung liegen kann oder sogar im Leitgittersystem des Verdichters, mit Abgas beaufschlagt.
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Damit kann der Energieaufwand zur Verdichtung des in den Ladeluftstrang rückzuführenden Abgases reduziert bzw. minimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad der Abgasturbolader-Anordnung verbessert werden kann.
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Damit wird zur Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte von Verbrennungsmotoren, insbesondere hinsichtlich von deren NOx-Emissionen, eine wirkungsgradoptimierte Abgasturbolader-Anordnung mit Abgasrückführung bzw. Abgasrezirkulation bereitgestellt, die insbesondere auch für langsamlaufende Zweitaktmotoren und mittelschnelllaufende Viertaktmotoren im Schwerölbetrieb einsetzbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslegen des Antriebssystems einer Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen einem Laufrad-Fluideintritt des Verdichters und einem Diffusor-Fluidaustritt des Verdichters.
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Dieser Bereich im Fluidverdichtungspfad des Verdichters stellt im Wesentlichen den Bereich des Druckaufbaus im Verdichter dar, so dass durch die Wahl einer geeigneten Abgaseintrittsposition, welche von dem Eintrittsdruck des Abgases und einer Verdichterkennlinie abhängig ist, die zur Verdichtung des Abgases aufzuwendende Arbeit bzw. Energie optimal reduziert bzw. minimiert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslegen des Antriebssystems einer Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluideintritt des Verdichters und einem Nachleitapparat-Fluidaustritt des Verdichters.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslegen des Antriebssystems einer Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluideintritt des Verdichters und einem Laufrad-Fluidaustritt des Verdichters.
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Eine derartige Abgaseintrittsposition ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Druckdifferenz bzw. das Spülgefälle relativ hoch ist.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslegen des Antriebssystems einer Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluidaustritt des Verdichters und dem Diffusor-Fluidaustritt des Verdichters.
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Eine derartige Abgaseintrittsposition ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Druckdifferenz bzw. das Spülgefälle relativ gering ist, wie z. B. bei Zweitaktmotoren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslegen des Antriebssystems einer Abgasturbolader-Anordnung ist der Eingang der Abgasrezirkulations-Einrichtung an einer Abgasabzweigposition mit dem Abgasstrang fluidverbunden, wobei sich die Abgasabzweigposition entlang des Abgastranges vor einem Turbineneingang befindet.
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Eine solche Abgasabzweigposition gewährleistet, dass der Eintrittsdruck des Abgases möglichst hoch ist und damit das Spülgefälle bzw. die Druckdifferenz möglichst gering ist.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslegen des Antriebssystems einer Abgasturbolader-Anordnung kann die Abgasrezirkulations-Einrichtung einen Abgaskühler und/oder einen Abgaswäscher aufweisen.
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Mit anderen Worten kann das Abgas aus dem Abgasstrang von ”nach Zylinder” des Verbrennungsmotors bzw. ”vor Abgasturbine” ggf. gekühlt und gereinigt nach ”vor Zylinder” in den im Verdichter befindlichen Fluidverdichtungspfad des Ladeluftstrangs beigemischt werden.
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Im Fazit wurde vom Erfinder erkannt, dass, da das Abgas vor der Abgasturbine bereits auf einem relativ hohen Druckniveau ist, lediglich ein Ort bzw. eine Position (Abgaseintrittsposition) gefunden werden muss, wo die restliche Druckerhöhung bis auf Ladedruckniveau erzielt werden kann.
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Gemäß Ausführungsfomen der Erfindung könnte sich die Abgaseintrittsposition z. B. in einem Radialverdichter an der Deckelkontur nach dem Laufrad-Fluideintritt bis vor den Laufrad-Fluidaustritt befinden. Bei entsprechend niedrigem Spülgefälle, wie bei Zweitaktmotoren, könnte sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluidaustritt und Diffusor-Fluidaustritt befinden, da auch dort noch eine Erhöhung des statischen Druckes stattfindet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische geschnitteme Teilansicht eines Verdichters einer Abgasturbolader-Anordnung des Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine der 2 ähnliche vergrößerte Teilansicht eines Verdichters einer Abgasturbolader-Anordnung des Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt ein Diagramm, in dem eine Ladedruck-Kennlinie und eine Abgasdruck-Kennlinie in Abhängigkeit von einer Motorlast eines Verbrennungsmotors des Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind.
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5 zeigt ein Diagramm, in dem eine verdichterspezifische Druckaufbau-Kennlinie in Abhängigkeit von einer auf eine Verdichtungspfadlänge bezogenen Längenposition im Fluidverdichtungspfad des Verdichters der Abgasturbolader-Anordnung des Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
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1 zeigt in schematischer Ansicht ein Antriebssystem 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Das Antriebsystem 1 weist eine Abgasturbolader-Anordnung 10 und einen z. B. als Dieselmotor und/oder z. B. Gasmotor ausgebildeten und mit der Abgasturbolader-Anordnung 10 verbundenen Verbrennungsmotor 60 auf.
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Die Abgasturbolader-Anordnung 10 weist einen Abgasturbolader 20, eine Abgasrezirkulations-Einrichtung 30 und einen Ladluftkühler 40 auf.
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Der Abgasturbolader 20 weist eine Abgasturbine 21 mit einem Turbineneingang 21a und einem Turbinenausgang 21b sowie einen über eine Verbindungswelle 25 mit der Abgasturbine 21 drehantriebsverbundenen Verdichter 26 mit einem Verdichtereingang 26a und einem Verdichterausgang 26b auf.
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Der Turbineneingang 21a steht über eine Abgasleitung 22 mit einem Abgasausgang 60b des Verbrennungsmotors 60 in Fluidverbindung, so dass die Abgasturbine 21 über die Energie des Abgases A des Verbrennungsmotors 60 drehangetrieben werden kann.
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Der Turbinenausgang 21b steht mit einer Auslassleitung 23 in Fluidverbindung, so dass aus der Abgasturbine 21 austretendes Abgas A z. B. in die Atmosphäre ableitbar ist.
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Die Abgasleitung 22, die Abgasturbine 21 und die Auslassleitung 23 bilden zusammen einen Abgasstrang der Abgasturbolader-Anordnung 10.
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Der Verdichtereingang 26a steht mit einer Frischluftleitung 27 in Fluidverbindung, so dass dem Verdichter 26 über die Frischluftleitung 27 Frischluft z. B. aus der Atmosphäre zuführbar ist.
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Der Verdichterausgang 26b steht über eine Zuluftleitung 28, 29 und den Ladeluftkühler 40 mit einem Lufteingang 60a des Verbrennungsmotors 60 in Fluidverbindung, so dass dem Verbrennungsmotor 60 über die Zuluftleitung 28, 29 von dem Verdichter 26 verdichtete Luft zuführbar ist.
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Die Frischluftleitung 27, der Verdichter 26, der Ladeluftkühler 40 und die Zuluftleitung 28, 29 bilden zusammen einen Ladeluftstrang der Abgasturbolader-Anordnung 10.
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Die Abgasrezirkulations-Einrichtung 30 kann mit einer Abgasreinigungs-Vorrichtung (nicht gezeigt) und einem Abgaskühler (nicht gezeigt) sowie geeigneten Regeleinrichtungen versehen sein und weist einen Eingang 30a, der vor dem Turbineneingang 21a mit der Abgasleitung 22 fluidverbunden ist (an einer Abgasabzweigposition), und einen Ausgang 30b auf, der mit dem Verdichter 26 fluidverbunden ist.
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Wie in 2 und 3 gezeigt, weist der hier als Radialverdichter ausgebildete Verdichter 26 ein Gehäuse 260 und ein auf der drehbar im Gehäuse 260 gelagerten Verbindungswelle 25 befestigtes Laufrad 261 mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln 262 auf.
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Gehäuse 260 und Laufrad 261 (mit seinen Laufradschaufeln 262) bilden gemeinsam einen Fluidverdichtungspfad VP, über den hinweg bzw. den entlang das durch den Verdichter 26 strömende Fluid (aus Frischluft und Abgas) verdichtet wird und dessen Beschränkung in seiner Länge mit a und b bezeichnet ist.
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Genauer gesagt erstreckt sich der Fluidverdichtungspfad VP von einem Laufrad-Fluideintritt 263 über einen Laufrad-Fluidaustritt 264 und einen einen Diffusor 265 bildenden Radialspalt bis zu einem Diffusor-Fluidaustritt 266, welcher in ein in dem Gehäuse 260 ausgebildetes Spiralgehäuse mit einem Spiralkanal 267 mündet, welcher seinerseits mit dem Verdichterausgang 26b fluidverbunden ist. In dem Diffusor 265 kann ein Nachleitapparat bzw. Leitgitter 268 angeordnet sein.
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Wie die 1 bis 3 zeigen, ist der Ausgang 30b der Abgasrezirkulations-Einrichtung 30 derart mit dem Ladeluftstrang fluidverbunden, dass aus dem Abgasstrang abgezweigtes Abgas A über den Ausgang 30b an einer Abgaseintrittsposition AE (siehe 3) in den Ladeluftstrang, genauer gesagt in den Fluidverdichtungspfad VP, eintreten kann.
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Wie eingangs beschrieben weist das Abgas A einen von der Motorlast L des Verbrennungsmotors 60 abhängigen Abgasdruck PA auf, mit welchem das Abgas A in den Ladeluftstrang eintritt und welcher sich dort als Eintrittsdruck des Abgases A manifestiert. Wie ebenfalls eingangs beschrieben, ist der Abgasdruck PA üblicherweise um eine Druckdifferenz ΔP geringer als ein mit dem Verdichter 26 für den Verbrennungsmotor 60 zu erzielender Ladedruck PL in der Zuluftleitung 28, 29 bzw. am Lufteingang 60a des Verbrennungsmotors 60. Dieser Zusammenhang ist in 4 dargestellt, in der in einem Diagramm des Druckes P in Abhängigkeit von der Motorlast L des Verbrennungsmotors 60 eine Ladedruck PL-Kennlinie und eine Abgasdruck PA-Kennlinie dargestellt sind.
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5 zeigt ein Diagramm, in dem eine verdichterspezifische Druckaufbau-Kennlinie in Abhängigkeit von einer auf eine Verdichtungspfadlänge (hier von einer ersten Begrenzung a bis zu einer zweiten Begrenzung b) bezogenen Längenposition im Fluidverdichtungspfad VP des Verdichters 26 dargestellt ist. Wie aus 5 ersichtlich, weist die Druckaufbau-Kennlinie nach anfänglichem kurvenförmigen Verlauf einen nahezu linearen Verlauf auf. Daraus lässt sich schlussfolgern: Je größer die vom zu verdichtenden Fluid im Fluidverdichtungspfad VP zurückgelegte Strecke ist, desto größer ist der erzielte Druckaufbau. Jedoch stellt die in 5 dargestellte Kurve nur einen prinzipiellen Druckverlauf dar.
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Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, die Abgaseintrittsposition AE in dem Fluidverdichtungspfad VP im Verdichter 26 gerade so anzuordnen, so dass in den Verdichter 26 einströmendes Abgas A (wie durch die fetten Pfeile in 3 angedeutet) unter lediglichem Ausgleich der Druckdifferenz ΔP (siehe 4) zwischen dem Eintrittsdruck (Abgasdruck PA) des Abgases A in den Fluidverdichtungspfad VP und dem zu erzielenden Ladedruck PL von dem Eintrittsdruck aus gerade bis auf den zu erzielenden Ladedruck PL verdichtet wird.
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In allgemeinster Form wird sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung also die Abgaseintrittsposition AE zwischen dem Laufrad-Fluideintritt 263 des Verdichters 26 und dem Diffusor-Fluidaustritt 266 des Verdichters 26 befinden. Etwas spezifizierter kann sich gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Abgaseintrittsposition AE zwischen dem Laufrad-Fluideintritt 263 des Verdichters 26 und einem Fluidaustritt des Nachleitapparates 268 des Verdichters 26 befinden.
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Gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Abgaseintrittsposition AE zwischen dem Laufrad-Fluideintritt 263 des Verdichters 26 und dem Laufrad-Fluidaustritt 264 des Verdichters 26.
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Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann sich die Abgaseintrittsposition AE auch zwischen dem Laufrad-Fluidaustritt 264 des Verdichters 26 und dem Diffusor-Fluidaustritt 266 des Verdichters 26 befinden.
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Gemäß den obigen Erläuterungen wird ein Verfahren zum Auslegen des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 zumindest die folgenden Schritte aufweisen: Bestimmen einer lastabhängigen Abgasdruck PA-Kennlinie für den Verbrennungsmotor 60, Bestimmen einer lastabhängigen Ladedruck PL-Kennlinie für den Verdichter 26, Bestimmen einer Arbeitslast AL (z. B. einer Motorlast L, mit der der Verbrennungsmotor 60 hauptsachlich betrieben werden soll) für den Verbrennungsmotor 60 und Bestimmen einer auf die Arbeitslast bezogenen Druckdifferenz ΔP zwischen der Abgasdruck PA-Kennlinie und der Ladedruck PL-Kennlinie (wie in 4 gezeigt) sowie Bestimmen einer verdichterspezifischen Druckaufbau-Kennlinie (wie in 5 gezeigt) in Abhängigkeit von einer auf eine Verdichtungspfadlänge (a bis b in 2) bezogenen Längenposition im Fluidverdichtungspfad VP, Bestimmen einer Längenposition im Fluidverdichtungpfad VP, an der ein vom Verdichter 26 erzielbarer Druckaufbau gleich der bestimmten Druckdifferenz ΔP zwischen Abgasdruck PA-Kennlinie und Ladedruck PL-Kennlinie ist, und Festlegen der Abgaseintrittsposition AE, so dass die Abgaseintrittsposition AE der bestimmten Längenposition (wie in 3 gezeigt) entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsystem
- 10
- Abgasturbolader-Anordnung
- 20
- Abgasturbolader
- 21
- Abgasturbine
- 21a
- Turbineneingang
- 21b
- Turbinenausgang
- 22
- Abgasleitung
- 23
- Auslassleitung
- 25
- Verbindungswelle
- 26
- Verdichter
- 26a
- Verdichtereingang
- 26b
- Verdichterausgang
- 260
- Gehäuse
- 261
- Laufrad
- 262
- Laufradschaufel(n)
- 263
- Laufrad-Fluideintritt
- 264
- Laufrad-Fluidaustritt
- 265
- Diffusor
- 266
- Diffusor-Fluisaustritt
- 267
- Spiralkanal
- 268
- Nachleitapparat
- 27
- Frischluftleitung
- 28
- Zuluftleitung
- 29
- Zuluftleitung
- 30
- Abgasrezirkulations-Einrichtung
- 30a
- Eingang
- 30b
- Ausgang
- 40
- Ladeluftkühler
- 60
- Verbrennungsmotor
- 60a
- Lufteingang
- 60b
- Abgasausgang
- AE
- Abgaseintrittsposition
- VP
- Fluidverdichtungspfad
- a
- erste Begrenzung
- b
- zweite Begrenzung
- P
- Druck
- PA
- Abgasdruck
- PL
- Ladedruck
- ΔP
- Druckdifferenz
- L
- Motorlast
- AL
- Arbeitslast
- A
- Abgas
