-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und insbesondere Turbolader, Superlader bzw. Lader mit mechanischem Antrieb (von. engl.: ”superchargers”) sowie Lufteinblasungssysteme für Verbrennungsmotoren.
-
HINTERGRUND
-
Der effiziente Gebrauch von Abgasrückführung (AGR) ist für Verbrennungsmotoren, einschließlich sowohl Benzin- als auch Dieselmotoren, wichtig. Der effiziente Gebraucht von AGR unterstützt allgemein die Aufgaben der Verwirklichung eines hohen Leistungsausgangs von diesen Motoren, während auch eine hohe Kraftstoffwirtschaftlichkeit erreicht und zunehmend strengere Motoremissionsanforderungen erreicht werden. Die Verwendung einer Motoraufladungsvorrichtung, insbesondere mit Turboladern und mechanisch angetriebenen Ladern, in diesen Motoren wird häufig verwendet, um den Motoransaugluftmassenstrom und den Leistungsausgang von Motoren mit geringerem Hubraum zu erhöhen.
-
Turbolader werden durch Abgas angetrieben, so dass der effiziente Gebrauch von AGR und Motoraufladung von Turboladern eine synergistische Konstruktion dieser Systeme erfordert. Die Zeit, die erforderlich ist, um den Turbolader auf eine Drehzahl zu bringen, bei der er einen erhöhten Luftdruck oder eine Aufladung für die Ansaugluft bereitstellen kann, ist als Turboloch bekannt. Das Turboloch wird durch die Zeit bewirkt, die von dem Abgassystem benötigt wird, um die Turbine so anzutreiben, dass sie auf einen höheren Druck kommt, und dass der Turbinenrotor seine Rotationsträgheit überwindet und die Drehzahl, die notwendig ist, um den Aufladungsdruck zu liefern, erreicht. Mechanisch angetriebene Lader umfassen einen direkt angetriebenen Kompressor, der nicht das Loch aufweist, das Turbolader beeinträchtigt. Jedoch werden mechanisch angetriebene Lader durch den Motor selbst mechanisch angetrieben, wodurch Leistung verbraucht wird, um Leistung zu erzeugen, was während einiger Betriebsbedingungen weniger effizient als ein Turbolader sein kann.
-
Zusätzlich kann, wenn AGR-Systeme mit Motoraufladungssystemen integriert sind, eine optimale Leistungsfähigkeit des Motors bei Bedingungen mit geringerer Last mehr rückgeführtes Abgas verwenden, als das System aufgrund von Beschränkungen bereitzustellen in der Lage ist, wie einer Niederlast-Pumpgrenze des Turbolader-Kompressors (oder ”Pumpgrenzlinie”), bei der eine Luftströmung zu dem Motor abstirbt, wodurch die Leistungsfähigkeit und der Wirkungsgrad bei geringeren Lasten reduziert werden. Bei den Ausführungsformen ist die Turboladeraufladung durch die Pumpgrenze begrenzt, um einen Schaden an dem Turbolader bei geringeren Lasten zu vermeiden.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verbrennungsmotor einen Turbolader, der derart konfiguriert ist, eine Luftströmung und eine erste Abgasströmung von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen, und einen mechanisch angetriebenen Lader stromabwärts von dem Turbolader, der derart konfiguriert ist, eine komprimierte Luftladung von dem Turbolader aufzunehmen. Der Motor umfasst ferner einen Abgasrückführungskreislauf, der eine zweite Abgasströmung von dem Verbrennungsmotor aufnimmt und die zweite Abgasströmung an die komprimierte Luftladung stromaufwärts des mechanisch angetriebenen Laders liefert, wobei die zweite Abgasströmung und die komprimierte Luftladung eine gemischte Abgas-Luft-Strömung umfassen, die von dem Verbrennungsmotor aufgenommen wird.
-
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors ein Aufnehmen der Luftströmung in einem Turbolader, ein Aufnehmen einer ersten Abgasströmung von dem Verbrennungsmotor in dem Turbolader und ein Aufnehmen einer komprimierten Luftladung von dem Turbolader in einem mechanisch angetriebenen Lader, der stromabwärts von dem Turbolader positioniert ist. Das Verfahren umfasst auch ein Lenken einer zweiten Abgasströmung von dem Verbrennungsmotor zur Mischung mit der komprimierten Luftladung stromaufwärts des mechanisch angetriebenen Laders, wobei die zweite Abgasströmung und die komprimierte Luftladung eine gemischte Abgas-Luft-Strömung umfassen, die von dem Verbrennungsmotor aufgenommen wird.
-
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen gezeigt, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
Die Figur ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors ist.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass über die Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Figur ein Schema, das einen beispielhaften Verbrennungsmotor 100 zeigt, der einen Motorblock 102, ein Abgassystem 104, einen Turbolader 106, einen mechanisch angetriebenen Lader 108 und einen Controller 110 aufweist. Der Verbrennungsmotor 100 kann ein beliebiger geeigneter Diesel- oder Benzinmotor sein. Der Motorblock 102 weist Zylinder 103 auf, die eine Kombination aus Verbrennungsluft und Kraftstoff aufnehmen. Das Verbrennungsluft/Kraftstoff-Gemisch wird verbrannt, was in einer Hubbewgung von Kolben (nicht gezeigt), die in den Zylindern angeordnet sind, resultiert. Die Hubbewegung der Kolben rotiert eine Kurbelwelle (nicht gezeigt), um Antriebsleistung an einen Fahrzeugantriebsstrang (nicht gezeigt) oder an einen Generator oder einen anderen stationären Empfänger derartiger Leistung (nicht gezeigt) in dem Fall einer stationären Anwendung des Verbrennungsmotors 100 zu liefern. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches bewirkt eine Abgasströmung 120 durch den Turbolader 106 und in das Abgassystem 104. Bei einer Ausführungsform umfasst der Turbolader 106 einen Kompressor 112 und eine Turbine 114, die durch eine Welle (nicht gezeigt) gekoppelt sind, die drehbar in dem Turbolader 106 angeordnet ist. Die Abgasströmung 120 wird von dem Motorblock 102 durch einen Durchgang 146 zum Antrieb der Turbine 114 kommuniziert.
-
Das Abgassystem 104 kann einen Oxidationskatalysator 116 und einen Partikelfilter 118 wie auch zusätzliche Abgasbehandlungssystemkomponenten aufweisen. Das Abgas 120 strömt durch das Abgassystem 104 zur Entfernung und/oder Reduzierung von Schmutzstoffen, bevor es in die Atmosphäre freigesetzt wird. Bei einem beispielhaften Verbrennungsmotor 100 steht der Controller 110 in Signalkommunikation mit dem Turbolader 106, einem Bypass bzw. einer Umgehung 122 des mechanisch angetriebenen Laders, einem Lufteinlass 124 und einem Abgasrückführungs-(AGR-)System 126. Der Controller kann auch mit Sensoren gekoppelt sein, wie einem oder mehreren Krümmerdrucksensoren (nicht gezeigt). Der Controller 110 ist derart konfiguriert, verschiedene Signaleingänge zu verwenden, um verschiedene Prozesse zu steuern, wie eine Strömung von rückgeführtem Abgas 130 in eine komprimierte Luftladung 132, die durch den mechanisch angetriebenen Lader 108 aufgenommen wird. Bei einer Ausführungsform ist der Controller 110 mit der Umgehung 122 des mechanisch angetriebenen Laders und dem Turbolader 106 gekoppelt und steuert diese, um eine Aufladung und Leistung an den Motor über niedrige und hohe Motorlasten bereitzustellen. Wie hier verwendet ist, betrifft der Begriff ”Controller” eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
-
Der Lufteinlass 124 nimmt eine Strömung von frischer Luft 154 auf, die durch den Kompressor 112 über einen Durchgang 134 aufgenommen wird, wobei der Kompressor 112 eine komprimierte Luftladung 132 erzeugt, die entlang eines Durchgangs 136 zu dem mechanisch angetriebenen Lader 108 kommuniziert wird. Wie gezeigt ist, umfasst die Umgehung 122 des mechanisch angetriebenen Laders ein Ventil und einen Durchgang, der selektiv eine direkte Kommunikation der komprimierten Luftladung 132 durch Durchgänge 140 und 142 an den Motorblock 102 über einen Durchgang 144 ermöglicht. Zusätzlich liefert das AGR-System 126 rückgeführtes Abgas 130, das durch den Durchgang 145 strömt. Das rückgeführte Abgas 130 wird der komprimierten Luftladung 132 in dem Durchgang 136 hinzugesetzt, was in einer gemischten Abgas-Luft-Strömung 133 resultiert.
-
Wie gezeigt ist, wird ein Anteil des Abgases 120 als rückgeführtes Abgas 130 umgelenkt, das durch einen Durchgang 147 zu dem AGR-System 126 strömt. Bei Ausführungsformen weist das AGR-System 126 auch geeignete Komponenten zum Behandeln und Steuern einer Strömung des rückgeführten Abgases 130 auf. Beispielhafte Komponenten des AGR-Systems 126 können einen Kühler 148, eine Umgehung 150 und ein Ventil 152 aufweisen. Der Kühler 148 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung zum Austausch von Wärme sein, wie ein Wärmetauscher auf Fluidbasis. Bei einer Ausführungsform weist die Umgehung 150 ein Ventil und einen Durchgang auf, der eine direkte Strömung von rückgeführtem Abgas 130 zu dem Ventil 152 ohne Kühlung durch den Kühler 148 ermöglicht. Alternativ entfernt der Kühler 148 Wärme von dem rückgeführten Abgas 130, um gekühltes Abgas zur Mischung mit der komprimierten Luftladung 132 bereitzustellen und damit die Verbrennungsleistung zu verbessern. Ausführungsformen des AGR-Systems 126 können beliebige geeignete Komponenten aufweisen, die auf eine Art und Weise angeordnet sind, um rückgeführtes Abgas bereitzustellen, das zum Mischen mit Luft geeignet ist, um die Verbrennung des Motors zu verbessern. Bei einer Ausführungsform kann das Ventil 152 eine Baugruppe sein, die einen Filter aufweist, um Partikel von dem rückgeführten Abgas 130 zu entfernen, um eine Kontamination der frischen Luft 154 durch Partikelmaterial zu reduzieren, wodurch die Verbrennung verbessert wird.
-
Bei einer Ausführungsform strömt das Abgas 120 von der Turbine 114 in den Oxidationskatalysator 116 und den Partikelfilter 118. Ein behandeltes Abgas 156 mit reduzierten Mengen regulierter Bestandteile strömt von dem Partikelfilter 118 in die Atmosphäre. Bei einer Ausführungsform wird das behandelte Abgas 156 dazu verwendet, das AGR-System 126 mit rückgeführtem Abgas 130 über einen Durchgang 158 zu beliefern. Die Ausführungsform verbessert eine Verbrennung aufgrund reduzierter Partikel und anderer Abgasbestandteile in dem rückgeführten Abgas 130, das mit der komprimierten Luftladung 132 gemischt ist. Bei Lieferung durch das behandelte Abgas 156 ist das rückgeführte Abgas 130 eine Fluidströmung mit relativ geringerem Druck im Vergleich zu der Abgasströmung direkt aus dem Motorblock 102. Demgemäß befindet sich die Ausführungsform von rückgeführtem Abgas 130, das über Durchgang 158 geliefert wird, bei geringerem Druck, als die Ausführungsform von rückgeführtem Abgas 130, das von dem Durchgang 146 geliefert wird. Wie gezeigt ist, ermöglichen die Anordnung des Turboladers 106, des AGR-Systems 126 und des mechanisch angetriebenen Laders 108 dem mechanisch angetriebenen Lader 108, als eine Pumpe zu wirken, um das rückgeführte Abgas 130 in die komprimierte Luftladung 132 zu ziehen. Ferner wirkt der mechanisch angetriebene Lader 108 als ein Mischer, um das rückgeführte Abgas 130 mit der komprimierten Luftladung 130 zu mischen, wodurch der Verbrennungsprozess weiter verbessert und Emissionen reduziert werden.
-
Bei einer Ausführungsform kann rückgeführtes Abgas 130 durch einen Durchgang 160 zur Mischung mit frischer Luft 154 vor Eintritt in den Turbolader 106 geführt werden. Die Ausführungsform führt das rückgeführte Abgas 130 in die frische Luft 154, wobei das Gemisch dann in dem Turbolader 106 komprimiert und in den Durchgang 136 geführt wird. Bei einer Ausführungsform kann die Konfiguration, die AGR verwendet, die von dem Durchgang 158 geliefert wird, mit dem Durchgang 160 zur Mischung mit der frischen Luft verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Durchgang 158 in Kombination mit dem Durchgang 145 verwendet, um das rückgeführte Abgas 130 mit der komprimierten Luftladung 132 zu führen. Bei Ausführungsformen, bei denen der mechanisch angetriebene Lader 108 nicht so positioniert ist, dass er als eine Pumpe für rückgeführte Abgasströmung 130 wirkt, können Ventile verwendet werden, um Druckdifferenzen zu bewirken und damit die Strömung von AGR-Abgas zu steuern. Bei der gezeigten Ausführungsform ermöglicht die Anordnung des AGR-Systems 126 und des mechanisch angetriebenen Laders 108 eine verbesserte Emissionsreduzierung für den Verbrennungsmotor 100.
-
Durch Positionierung des mechanisch angetriebenen Laders 108 stromabwärts (in Bezug auf die Luftströmung) des Kompressors 112 kann die Größe des mechanisch angetriebenen Laders 108 im Wesentlichen reduziert werden, wodurch die Motorpackung verbessert wird. Der mechanisch angetriebene Lader 108 nimmt eine vorher mit Druck beaufschlagte komprimierte Luftladung 132 auf, die im Vergleich zu der nicht komprimierten frischen Luft 154 auch dichter ist. Bei einer Ausführungsform kann der mechanisch angetriebene Lader 108 während Perioden mit niedriger Last arbeiten, wie direkt nach einem Start des Motors, wenn die Turbine 114 nicht ausreichend durch Abgasströmung 120 angetrieben ist. Somit liefert während der Periode mit geringerer Last der mechanisch angetriebene Lader 108 komprimierte Luft an den Motorblock 102, um die reduzierte komprimierte Luft von dem Turbolader 106 zu kompensieren. Die Aufladung des mechanisch angetriebenen Laders 108 reduziert die Wirkung eines ”Turbolochs”, wie, wenn die Turbine 114 während eines Übergangs- oder Niedriglastzustands nicht ausreichend angetrieben wird, wobei die Abgasleistung zu gering ist, um die Turbine 114 ausreichend zu beschleunigen. Bei erhöhten Lasten sieht der Turbolader 106 ausreichend Aufladung vor, und die Umgehung 122 des mechanisch angetriebenen Laders kann ermöglichen, dass die komprimierte Luftladung den mechanisch angetriebenen Lader 108 umgeht. Die Anordnung sieht eine glatte oder konsistente Leistungslieferung für den Verbrennungsmotor 100 vor, während der Wirkungsgrad des AGR-Systems 126, das mit den Konfigurationen des mechanisch angetriebenen Laders 108 und des Turboladers 106 integriert ist, verbessert ist. Bei einer Ausführungsform kann die Umgehung 122 des mechanisch angetriebenen Laders als ein Rückführungsventil abhängig von Drücken in dem System wirken, wobei die Umgehung eine Rückführung von komprimierter Luft zu dem Einlass des mechanisch angetriebenen Laders ermöglicht, um einen Druckanstieg zu minimieren.
-
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und äquivalente Gegenelemente derselben ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen, die offenbart sind, beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
