DE102009060181A1

DE102009060181A1 - Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung und eine entsprechende Anordnung

Info

Publication number: DE102009060181A1
Application number: DE102009060181A
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr. 83026 Gerum; Manuel Dr. 85258 Marx
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-30
Also published as: CN102667097A; US20120317976A1; CA2785119A1; EP2516823A1; JP2013515892A; KR20120113759A; US9238997B2; MX2012007386A; WO2011076641A1

Abstract

Ein Abgasturbolader (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere Dieselmotor, mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung (4), umfasst zumindest einen Verdichter (11); zumindest eine Abgasturbine (12); eine Turboladerwelle (13), über welche der zumindest eine Verdichter (11) und die zumindest eine Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt sind; und einen Energiespeicher (14) zur Erhöhung eines Massenträgheitsmoments, wobei der Energiespeicher (14) über die Turboladerwelle (13) mit dem zumindest einen Verdichter (11) und der zumindest einen Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt ist. Eine Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) weist einen solchen Abgasturbolader (10) und eine Frischgasversorgungsvorrichtung auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungskraftmaschine.
Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Dieselmotoren, sind häufig mit Abgasturboladern ausgerüstet. 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 1 nach dem Stand der Technik, deren Abgasleitung 6 mit einer Abgasturbine 12 eines Abgasturboladers 10 verbunden ist. Diese Abgasturbine 12 treibt einen Verdichter 11 des Abgasturboladers 10 an, wobei hier die Abgasturbine 12 und der Verdichter 11 über eine Turboladerwelle 13 gekoppelt sind. Der Verdichter 11 verdichtet Ansaugluft aus einem Frischgaseinlass 2 und erhöht damit einen Ansaugdrucks in einer Ansaugleitung 5 der Verbrennungskraftmaschine 1. Dadurch wird z. B. ein Beschleunigungsverhalten eines nicht gezeigten Fahrzeugs, das mit der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgerüstet ist, verbessert. Außerdem wird eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erzielt.
Verdichterlaufräder von Abgasturboladern (ATL) in Verbrennungskraftmaschinen werden aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen oder Titan bzw. Titanlegierungen hergestellt. Die Ursache dazu liegt in der niedrigen spezifischen Masse und damit auch in einem geringen Massenträgheitsmoment. Dies begünstigt einen schnellen Hochlauf des Turboladers und verringert damit das so genannte „Turboloch”. Dieses Turboloch entsteht bei Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturboladern deshalb, da bei einem Beschleunigungsvorgang der Abgasmassenstrom von der Verbrennungskraftmaschine 1 durch die Abgasturbine 12 den Verdichter 11 des Abgasturboladers 10 beschleunigen muss, damit dieser seinen vollen Ladedruck aufbauen kann. Die Zeit bis der maximale Ladedruck erreicht wird, hängt maßgeblich von der Massenträgheit der Laufräder (der Abgasturbine 12 und des Verdichters 11) ab. Je geringer das Massenträgheitsmoment ist, desto mehr reduziert sich die Turboladerdrehzahl während eines Schaltvorgangs bzw. Gangwechsels (insbesondere bei Schaltgetrieben und automatisierten Schaltgetrieben). Die hat zur Folge, dass der Abgasturbolader 10 nach dem Einkuppeln zunächst wieder auf die notwendige Drehzahl beschleunigt werden, die zu der dann vorhandenen Motordrehzahl korrespondiert.
Zur Überbrückung dieses „Turbolochs” sind Lösungsvorschläge gemacht worden, wobei Druckluft, zum Beispiel aus einem von einem Luftverdichter 9 gespeisten Druckluftbehälter 8, gesteuert in die Ansaugleitung 5 der Verbrennungskraftmaschine 1 eingeleitet wird, um bei erhöhtem Ansaugluftbedarf der Verbrennungskraftmaschine 1 diesen zu decken. Dieses erfolgt mittels einer Frischgasversorgungsvorrichtung 4, welche zwischen dem Verdichter 11 des Turboladers 10 bzw. einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Ladeluftkühler 3 und der Ansaugleitung 5 angeordnet ist.
Die WO 2006/089779 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Frischluftversorgung einer turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb derselben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Abgasturbolader zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demgemäß umfasst ein Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung, wobei der Abgasturbolader zumindest einen Verdichter; zumindest eine Abgasturbine; eine Turboladerwelle, über welche der zumindest eine Verdichter und die zumindest eine Abgasturbine drehfest gekoppelt sind; und einen Energiespeicher zur Erhöhung eines Massenträgheitsmoments, wobei der Energiespeicher über die Turboladerwelle mit dem zumindest einen Verdichter und der zumindest einen Abgasturbine drehfest gekoppelt ist.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, den Abgasturbolader mit einem Energiespeicher auszurüsten, welcher ein Massenträgheitsmoment des Abgasturboladers erhöht.
Im Gegensatz zu der Tatsache, dass eine Erhöhung der Massenträgheit des Abgasturboladers, d. h. der rotierenden Bauteile, zu einer deutlichen Vergrößerung des so genannten Turbolochs führt, ergibt eine Kombination in einer Anordnung von Abgasturbolader und Frischgasversorgungsvorrichtung den Vorteil, dass nach einem Gangwechsel der Abgasturbolader mit der vorhandenen Motordrehzahl so synchronisiert ist, dass ein Beschleunigen des Abgasturboladers auf einen für die vorhandene Motordrehzahl erforderlichen Turoboladerdrehzahlwert für einen zugehörigen Ladedruck entfällt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Druckluftverbrauch der Frischgasversorgungsvorrichtung reduziert wird, da ein Beschleunigen des Abgasturboladers nach einem Gangwechsel entfällt.
Der Energiespeicher weist dazu eine Schwungmasse auf. Er kann als eine Art Schwungrad ausgebildet sein, das auf die Turboladerwelle drehfest aufgebracht ist.
Diese Schwungmasse auch zumindest teilweise in die Turboladerwelle integriert sein, wodurch sich eine Teilezahl reduziert.
Es ist weiterhin möglich, dass die Schwungmasse des Energiespeichers so aufgeteilt ist, dass sie zumindest teilweise in drehbare Teile des zumindest einen Verdichters und/oder der zumindest einen Abgasturbine integriert ist. Dies ist zum Beispiel dadurch möglich, wenn die Laufräder von Verdichter und/oder Abgasturbine aus Stahl hergestellt sind.
In bevorzugter Ausführung kann die Schwungmasse des Energiespeichers für eine vorbestimmte Verzögerung der Drehzahl des Abgasturboladers festgelegt sein, wodurch ein Druckluftverbrauch der Frischgasversorgungsvorrichtung reduziert wird. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erhöht.
Außerdem wird durch eine Reduzierung des Druckluftverbrauchs eine Anpassung eines Luftpressers bzw. Luftverdichters der Druckluftanlage für die Zusatzluft oder eines Lufttrocknungssystems vermieden, da durch den Energiespeicher kein erhöhter Mehrbedarf an Zusatzluft besteht, der eine Anpassung bedingen würde.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Frischgasversorgungsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers und einer Frischgasversorgungsvorrichtung; und
3a–c drei Diagramme von zeitlichen Zusammenhängen eines Gangstufenwechsels mit Motordrehzahl und Turoladerdrehzahl.
Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
1 ist oben beschrieben und wird nicht weiter erläutert.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 10 und einer Frischgasversorgungsvorrichtung 4.
Im Unterschied zu der Darstellung der 1 weist der erfindungsgemäße Abgasturbolader 10 in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Energiespeicher 14 auf.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 10 und die Frischgasversorgungsvorrichtung 4 bilden eine Anordnung zur Frischgasversorgung der Verbrennungskraftmaschine 1
Der Energiespeicher 14 ist mit der Turboladerwelle 13 gekoppelt und umfasst in diesem Beispiel eine Schwungmasse, welche mit dem Verdichter 11 und der Abgasturbine 12 zusammen rotiert, wenn die Abgasturbine 12 durch den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben wird.
Dabei erhöht der Energiespeicher als Schwungmasse in der Art eines Schwungrades die Massenträgheit von Verdichter 11 und Abgasturbine 12. Eine Erhöhung dieser Massenträgheit durch die Schwungmasse führt allerdings zu einer deutlichen Vergrößerung des Turbolochs bei Beschleunigungsvorgängen wie auch beim Anfahren des zur Verbrennungskraftmaschine 1 zugehörigen Fahrzeugs oder beim Beschleunigen aus niedriger Drehzahl ohne Schaltvorgang.
In der in 2 dargestellten Kombination des mit dem Energiespeicher 14 versehenen Abgasturboladers 10 mit der Frischgasversorgungsvorrichtung 4 wird aber auch das durch die erhöhte Massenträgheit der Laufräder von Verdichter 11 und Abgasturbine 12 vergrößerte Turboloch durch Einblasung von Druckluft mittels der Frischgasversorgungsvorrichtung 4 in die Ansaugleitung 5 der Verbrennungskraftmaschine 1 fast vollständig reduziert.
Der Energiespeicher 14 kann als Schwungmasse auf der Turboladerwelle 13 drehfest aufgebracht sein. Es ist auch möglich, dass die Schwungmasse zum Beispiel auf zwei oder mehr Schwungscheiben verteilt ist, die an geeigneter Position der Turboladerwelle 13 angeordnet sind. Der Energiespeicher 14 kann auch auf andere Art und Weise mit der Turboladerwelle 13 gekoppelt sein, zum Beispiel über eine Kupplung und/oder ein Getriebe. Natürlich kann auch die Turboladerwelle 14 so ausgebildet sein, dass der Energiespeicher in ihr integriert ist.
Die Schwungmasse des Energiespeichers 14 kann so gewählt werden, dass ein Abfall der Drehzahl des Abgasturboladers, zum Beispiel bei einem Gangwechsel, einen vorbestimmten Wert pro Zeiteinheit erreicht. Auf diese Weise kann insbesondere (aber nicht ausschließlich 9 bei automatisierten Schaltgetrieben nach einem Schaltvorgang bzw. Gangwechsel die Turboladerdrehzahl mit der dann vorhandenen Motordrehzahl synchronisiert werden. Dadurch wird ein unnötiger Hochlauf des Abgasturboladers 10 vermieden bzw. minimiert.
Dies soll an einem Beispiel im Zusammenhang mit 3a–c erläutert werden. In 3a–c sind drei Diagramme von zeitlichen Zusammenhängen eines Gangstufenwechsels mit Motordrehzahl n_M und Turoladerdrehzahl n_L dargestellt.
3a stellt ein Diagramm von Gangstufen G über der Zeit t dar. In diesem Beispiel ist vor einem Zeitpunkt T1 eine Gangstufe 5 eines nicht gezeigten automatisierten Schaltgetriebes eingestellt. Zu dem Zeitpunkt T1 erfolgt ein Gangstufenwechsel von der Gangstufe 5 in Gangstufe 7. Im Zeitpunkt T2 ist die Gangstufe 7 eingenommen.
Die Dauer des Gangstufenwechsels bzw. des Schaltvorgangs von T1 nach T2 beträgt in diesem Beispiel 2 s.
Im zeitlichen Zusammenhang mit 3a zeigt 3b ein Diagramm, in welchem eine Motordrehzahl n_M über der Zeit als Graphabschnitt schematisch aufgetragen ist. Im Zeitpunkt T1 beträgt die Motordrehzahl n_MT1 1500 U/min. Beim Auskuppeln zum Gangwechsel verringert sich die Motordrehzahl n_M, bis sie beim Einkuppeln zum Zeitpunkt T2 einen Wert von n_MT2 = 1150 U/min aufweist.
Die zugehörige Turboladerdrehzahl n_L zeigt 3c in einem weiteren Diagramm. Im Zeitpunkt T1 beträgt die Turboladerdrehzahl n_LT1 150000 U/min. Zunächst wird der Fall eines üblichen Turboladers beschrieben. Hierbei fällt Turboladerdrehzahl n_L während des Schaltvorgangs aufgrund eines sich verringernden Abgasstroms auf den Wert n_LT2 = 20000 U/min im Zeitpunkt T2 ab. Dies ist durch die gestrichelte Gerade angedeutet. Um einen für die im Zeitpunkt T2 vorhandene Motordrehzahl n_MT2 = 1150 U/min erforderlichen Ladedruck zu erreichen, müsste der Turbolader eine optimale Turboladerdrehzahl von n'_L = 70000 U/min aufweisen. Da dies in diesem Fall nicht zutrifft, muss der Turbolader von den 20000 U/min auf 70000 U/min beschleunigt werden.
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Turboladers 10 mit dem Energiespeicher 14 fällt die Turboladerdrehzahl n_L aufgrund der erhöhten Massenträgheit auf einen Wert von „nur” n'_LT2 = 70000 U/min im Zeitpunkt T2 ab.
Dabei ist die Schwungmasse so vorbestimmt, dass der Abgasturbolader 10 während des Schaltvorgangs von 2 s um 40000 U/s abgebremst wird. Auf diese Weise ergibt sich nach einem Schaltvorgang von 2 s im Zeitpunkt T2 die optimale Turboladerdrehzahl n'_LT2, die nun zu der vorhandenen Motordrehzahl n_MT2 synchronisiert ist. Es ist dann kein unnötiges Hochbeschleunigen des Abgasturboladers 10 mehr notwendig, ein Turboloch tritt nicht mehr auf.
Natürlich erhöht die Schwungmasse des Energiespeichers 14 das Turboloch beim Anfahren aus einer Leerlaufdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 bzw. beim Beschleunigen aus niedriger Motordrehzahl n_M ohne Schaltvorgang. Diese Auswirkung wird aber durch die Frischgasversorgungsvorrichtung 4 vollständig eliminiert.
Da bei Erreichen des Zeitpunkts T2, d. h. bei erfolgtem Schaltvorgang, die Turboladerdrehzahl n_LT2 zur Motordrehzahl n_MT2 synchronisiert ist und nicht mehr beschleunigt werden muss, wird der Luftverbrauch bei dem Einblasvorgang von Druckluft durch die Frischgasversorgungsvorrichtung reduziert. Daraus ergibt sich, dass eine notwendige Anpassung des Luftverdichters 9 oder eines Lufttrocknungssystems, z. B. in einem Nutzfahrzeug vermeidbar ist und eine Kosteneinsparung erbringt.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel schränkt die Erfindung nicht ein. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
Es ist zum Beispiel denkbar, dass der Energiespeicher 14 nachträglich an dafür vorbereitete Abgasturbolader 10 anbringbar, z. B. über eine entsprechende Kupplung, oder darin montierbar ist.
Bei dem Abgasturbolader 10 können die Laufräder von Verdichter 11 und/oder Abgasturbine 12 aus einem schwereren Werkstoff als Aluminium oder Titan bestehen, wie zum Beispiel Stahl. Dadurch kann zusätzliche Schwungmasse des Energiespeichers 14 verringert werden.
Es ist denkbar, dass der Energiespeicher 14 vollständig oder auf zwei oder mehrere Abschnitte aufgeteilt durch eine oder mehrere steuerbare Kupplungen mit der Abgasturboladerwelle 13 koppelbar ist, um das Massenträgheitsmoment an unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine 1 anzupassen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Frischgaseinlass
3: Ladeluftkühler
4: Frischgasversorgungsvorrichtung
5: Ansaugleitung
6: Abgasleitung
7: Abgasauslass
8: Druckluftbehälter
9: Luftverdichter
10: Abgasturbolader
11: Verdichter
12: Abgasturbine
13: Turboladerwelle
14: Energiespeicher
DL: Druckluftleitung
G: Gangstufe
nM: Motordrehzahl
nL: Turboladerdrehzahl
t, T1, T2: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/089779 A1 [0005]

Claims

Abgasturbolader (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere Dieselmotor, mit einer Frischgasversorgungsvorrichtung (4), wobei der Abgasturbolader (10) umfasst: zumindest einen Verdichter (11); zumindest eine Abgasturbine (12); eine Turboladerwelle (13), über welche der zumindest eine Verdichter (11) und die zumindest eine Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt sind; und einen Energiespeicher (14) zur Erhöhung eines Massenträgheitsmoments, wobei der Energiespeicher (14) über die Turboladerwelle (13) mit dem zumindest einen Verdichter (11) und der zumindest einen Abgasturbine (12) drehfest gekoppelt ist.
Abgasturbolader (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14) eine Schwungmasse aufweist.
Abgasturbolader (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse des Energiespeichers (14) zumindest teilweise in die Turboladerwelle (13) integriert ist.
Abgasturbolader (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse des Energiespeichers (14) zumindest teilweise in drehbare Teile des zumindest einen Verdichters (11) und/oder der zumindest einen Abgasturbine (12) integriert ist.
Abgasturbolader (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse des Energiespeichers (14) für eine vorbestimmte Verzögerung der Drehzahl des Abgasturboladers (10) festgelegt ist.
Anordnung zur Frischgasversorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere Dieselmotor, mit zumindest einer Frischgasversorgungsvorrichtung (4) und zumindest einem Abgasturbolader (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.