DE102015205854A1

DE102015205854A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Verdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015205854A1
Application number: DE102015205854.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuske; Daniel Roettger; Christian Winge Vigild
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und – mindestens einem im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2), der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist. Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird. Erreicht wird dies durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – im Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichters (2) ein Siphon (3) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und
– mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Die Bedeutung aufgeladener Brennkraftmaschinen nimmt ständig zu, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung, wie beispielsweise ein Zugmitteltrieb, zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der hilfsweise mittels Elektromaschine antreibbar ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis, weshalb das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Abblaseleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Abblaseleitung an der Turbine vorbei geführt, d. h. abgeblasen. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das energiereiche abgeblasene Abgas ungenutzt bleibt und das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen regelmäßig unzureichend ist.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden. Da eine Abgasturboaufladung insbesondere unter Verwendung mehrerer Abgasturbolader kostenintensiv ist, kann anstelle einer Abgasturboaufladung auch eine Aufladung mittels einem mechanischem Lader vorgenommen werden. Die Vorteile sind die oben bereits Genannten.
Die aufgeladene Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen Verdichter, welcher ein mechanischer Lader oder der Verdichter eines Abgasturboladers sein kann.
Probleme können sich stromaufwärts des Verdichters ergeben, wenn sich Kondensat bildet. Dabei sind mehrere Szenarien zu berücksichtigen.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d. h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Verdichtergehäuses trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.
Die vorstehend in Zusammenhang mit der Rückführung heißen Abgases beschriebenen Effekte gelten in analoger Weise auch für den Entlüftungsstrom, welcher üblicherweise dem Kurbelgehäuse entnommen und in das Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichters eingeleitet wird.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und
– mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichters ein Siphon vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt im Ansaugsystem über einen Siphon, in welchem Kondensat abgeschieden und gesammelt werden kann. Ein Siphon im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Senke im Ansaugsystem, die aufgrund ihrer geodätischen Höhe geeignet ist, Kondensat zu sammeln, und aufgrund eines ausreichend großen Sammelvolumens fähig ist, eine vorgebbare Mindestmenge an Kondensat aufzunehmen, d. h. zu bevorraten.
Der Siphon sollte zu diesem Zweck zumindest einen Bereich aufweisen, der in der Einbauposition der Brennkraftmaschine geodätisch tiefer liegt als die Bereiche, die sich stromabwärts und stromaufwärts an diesen tiefer gelegenen Bereich anschießen.
Mit dem Sammeln des Kondensats stromaufwärts des mindestens einen Verdichters wird die Gefahr einer Beschädigung der Laufradschaufeln des Verdichters eliminiert. Der Wirkungsgrad des Verdichters wird gesteigert bzw. bleibt von der Kondensatbildung unbeeinflusst. Auch eine erhöhte Geräuschemission infolge von Kondensattröpfchen entfällt.
Eine Begrenzung der mittels einer gegebenenfalls vorgesehenen Niederdruck-AGR rückgeführten Abgasmenge ist nicht erforderlich, so dass hohe Rückführraten mittels Niederdruck-AGR realisiert werden können, um die Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Siphon ein u-förmiges oder topfförmiges Leitungsstück des Ansaugsystems bildet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter zu einem Abgasturbolader gehört, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und den Verdichter umfasst, wobei der Verdichter und die Turbine auf derselben Welle angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des Siphons ein Luftfilter vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung vorgesehen ist, wobei die Rückführleitung stromaufwärts des mindestens einen Verdichters in das Ansaugsystem mündet. Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasrückführung ein Absperrelement umfasst, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient.
Die Abgasrückführung dient der Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Rückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet.
Gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform ist die aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet und zwar mit einer Niederdruck-AGR. Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem stromabwärts des Verdichters einleitet, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR vorliegend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da vorzugsweise Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
Vorteilhaft sind in Zusammenhang mit einer Abgasrückführung Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung in den Siphon mündet bzw. in das Ansaugsystem stromaufwärts des Siphons.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Entlüftungsleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Entlüftungsleitung in den Siphon mündet. bzw. in das Ansaugsystem stromaufwärts des Siphons.
Eine vollständige Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Kurbelgehäuse kann in der Praxis nicht sichergestellt werden, so dass ein Teil der Verbrennungsgase bzw. der Ladeluft in das Kurbelgehäuse gelangt und dort für eine Druckerhöhung sorgt. Die Entlüftung des Kurbelgehäuses soll verhindern, dass der Druck, der sich im Kurbelgehäuse während des Betriebes der Brennkraftmaschine aufbaut, unerwünscht hohe Werte annimmt.
Die Problematik bei der Entlüftung besteht insbesondere darin, dass die im Kurbelgehäuse befindlichen Gase mit Öl kontaminiert sind. Folglich ist es nicht zielführend, das Kurbelgehäuse lediglich mit Entlüftungsöffnungen zu versehen, über die ein Druckausgleich erfolgen kann. In der Regel wird der aus dem Kurbelgehäuse austretende Entlüftungsstrom von den im Entlüftungsstrom befindlichen flüssigen Bestandteilen, insbesondere dem Öl, getrennt. Dabei wird das abgeschiedene und rückgewonnene Öl vorzugsweise in das Kurbelgehäuse zurückgeführt, wohingegen der gereinigte Entlüftungsstrom häufig dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine zugeführt wird, um an der Verbrennung teilzunehmen.
Mit dem Entlüftungsstrom gelangen aber auch andere gasförmige Komponenten via Entlüftungsleitung in das Ansaugsystem, insbesondere Wasser. Es kann – wie bereits beschrieben – beim Eintritt des wärmeren Entlüftungsstroms in das Ansaugsystem bzw. in die kühlere Ladeluft zur Kondensatbildung kommen. Die in Zusammenhang mit der Abgasrückführung beschriebenen Effekte gelten in analoger Weise auch für den Entlüftungsstrom.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Entleerungsleitung von dem Siphon abzweigt und stromabwärts des mindestens einen Verdichters in das Ansaugsystem mündet. Um das im Siphon abgeschiedene bzw. gesammelte Kondensat abführen zu können und damit den Siphon zu entleeren, ist eine Entleerungsleitung vorgesehen, die das Kondensat aus dem Siphon entnimmt und in das Ansaugsystem stromabwärts des mindestens einen Verdichters einleitet. Das Kondensat wird dann beim Ladungswechsel den Zylindern zugeführt, wobei dies vorzugsweise im Schubbetrieb bei nicht befeuerten Zylindern erfolgt. Aufgrund der hohen Temperaturen der in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine ist davon auszugehen, dass das Kondensat dampfförmig via Abgasabführsystem in die Umgebung abgeführt wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Entleerungsleitung an einer Stelle geodätisch geringster Höhe des Siphons abzweigt. Dadurch wird gewährleistet, dass der Siphon vollständig bzw. weitestgehend entleert werden kann.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Entleerungsleitung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement wird zum Entleeren des Siphons geöffnet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mindestens einen Verdichters ein Drosselelement im Ansaugsystem vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Drosselelement eine Drosselklappe ist.
Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen wird, d. h. je mehr diese Klappe das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Ladedruck hinter der Drosselklappe und vor dem Einlass in die Zylinder. Die Klappe dient der Druckabsenkung im Ansaugsystem und damit auch der Generierung eines Druckgefälles zur Förderung des im Siphon gesammelten Kondensats beim Entleeren des Siphons via Entleerungsleitung. Die Drosselklappe kann beim Ottomotor auch zur Laststeuerung dienen bzw. verwendet werden.
Vorteilhaft sind aus diesem Grund auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Entleerungsleitung stromabwärts des Drosselelements in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Drosselelements ein Drucksensor zur messtechnischen Erfassung des Ladedrucks p_charge im Ansaugsystem vorgesehen ist. Das in der Entleerungsleitung angeordnete Absperrelement, welches zum Entleeren des Siphons geöffnet wird, lässt sich in vorteilhafter Weise unter Verwendung des Ladedrucks p_charge steuern. Ist der Ladedruck p_charge ausreichend niedrig, kann von einem Schubbetrieb bei nicht befeuerten Zylindern ausgegangen werden und damit von einem Betriebsmodus, der sich zum Entleeren des Siphons eignet und genutzt werden kann.
Steigt der Ladedruck dann wieder an, wurde entweder die Drosselklappe weiter geöffnet, was ein Indiz für einen befeuerten Betrieb bzw. eine Lastanforderung ist, oder der Siphon wurde soweit entleert, dass ein Druckausgleich zwischen dem Siphon im Ansaugsystem und dem Ansaugsystem stromabwärts des Drosselelements stattfindet, wobei die Entleerungsleitung als Kurzschlussleitung fungiert. In beiden Fällen wird das Entleeren des Siphons durch Schließen des Absperrelements beendet bzw. unterbrochen.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der stromabwärts des mindestens einen Verdichters ein Drosselelement im Ansaugsystem angeordnet ist und eine Entleerungsleitung vom Siphon abzweigt, die stromabwärts des Drosselelements in das Ansaugsystem mündet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Siphon während des Schubbetriebs entleert wird, indem die Entleerungsleitung freigegeben wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der stromabwärts des Drosselelements ein Drucksensor zur messtechnischen Erfassung des Ladedrucks p_charge im Ansaugsystem vorgesehen ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Entleerungsleitung freigegeben wird, wenn der Ladedruck p_charge eine erste vorgebbare Druckschwelle p_{thershold,down} unterschreitet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen die Entleerungsleitung gesperrt wird, wenn der Ladedruck p_charge eine zweite vorgebbare Druckschwelle p_thershold,up überschreitet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch das Ansaugsystem einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch das Ansaugsystem 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern via Einlasskrümmer 6 verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Verdichter 2 vorgesehen, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist. Zur Reinigung der angesaugten Ladeluft ist ein Luftfilter 4 im Ansaugsystem 1 vorgesehen, wobei zwischen dem Luftfilter 4 und dem Verdichter 2 ein Siphon 3 im Ansaugsystem 1 angeordnet ist, der dem Sammeln von Kondensat dient, welches sich im Ansaugsystem 1 bildet und abscheidet. Im Ansaugsystem 1 stromabwärts des Verdichters 2 ist zudem ein Drosselelement 5, vorliegend eine Drosselklappe 5a, angeordnet und stromabwärts dieser Drosselklappe ein Drucksensor 9 zur messtechnischen Erfassung des Ladedrucks p_charge im Ansaugsystem 1.
Der Siphon 3 ist vorliegend eine u-förmige Senke im Ansaugsystem 1, die aufgrund ihrer geodätischen Höhe geeignet ist, Kondensat zu sammeln, wobei der Siphon 3 an der geodätisch niedrigsten Stelle ein Sammelbehältnis aufweist, das eine vorgebbare Mindestmenge an Kondensat aufnehmen und bevorraten kann.
In den Siphon 3 mündet eine Entlüftungsleitung 7, die einen aus dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine stammenden Entlüftungsstrom in das Ansaugsystem 1 einleitet. Die im Entlüftungsstrom enthaltenen gasförmigen Bestandteile können beim Einleiten in das Ansaugsystem 1 zumindest teilweise auskondensieren, d. h. Kondensat bilden, insbesondere das im Entlüftungsstrom enthaltene Wasser.
Eine Entleerungsleitung 8 zweigt von dem Siphon 3 an einer Stelle geodätisch geringster Höhe ab und mündet stromabwärts der Drosselklappe 5a in das Ansaugsystem 1, wobei in dieser Entleerungsleitung 8 ein Absperrelement 8a angeordnet ist, welches unter Verwendung des mittels Sensor 9 messtechnisch erfassten Ladedrucks p_charge gesteuert, d. h. geöffnet und geschlossen wird.
Um das im Siphon 3 abgeschiedene und gesammelte Kondensat abführen zu können und damit den Siphon 3 zu entleeren, wird die Entleerungsleitung 8 durch Öffnen des Absperrelementes 8a freigegeben. Das aus dem Siphon 3 entnommene Kondensat wird stromabwärts des Verdichters 2 in das Ansaugsystem 1 eingeleitet und beim Ladungswechsel den Zylindern zugeführt. Zur Förderung des Kondensats wird die Drosselklappe 5a in Richtung Schließstellung verstellt, wodurch der Ladedruck p_charge stromabwärts der Klappe 5a abgesenkt wird. Wird die Drosselklappe 5a wieder weiter geöffnet, beispielsweise bei einer Lastanforderung, oder ist der Siphon 3 entleert, steigt der Ladedruck p_charge an und die Förderung von Kondensat via Entleerungsleitung 8 wird eingestellt, vorzugsweise sobald der Ladedruck p_charge einen vorgebaren Ladedruck p_thershold,up übersteigt.
Mit dem Sammeln des Kondensats stromaufwärts Verdichters 2 wird die Gefahr einer Beschädigung der Laufradschaufeln des Verdichters 2 eliminiert. Der Wirkungsgrad des Verdichters 2 wird erhöht bzw. bleibt von der Kondensatbildung unbeeinflusst. Auch eine erhöhte Geräuschemission infolge von Kondensattröpfchen entfällt.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Verdichter
3: Siphon
4: Luftfilter
5: Drosselelement
5a: Drosselklappe
6: Einlasskrümmer
7: Entlüftungsleitung
8: Entleerungsleitung
8a: Absperrelement
9: Drucksensor
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Ladeluft
x_AGR: Abgasrückführrate
p_charge: Ladedruck im Ansaugsystem stromabwärts des Drosselelements
p_{thershold,down}: erste vorgebbare Druckschwelle
p_thershold,up: zweite vorgebbare Druckschwelle

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und – mindestens einem im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2), der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – im Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichters (2) ein Siphon (3) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (2) zu einem Abgasturbolader gehört, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und den Verdichter (2) umfasst, wobei der Verdichter (2) und die Turbine auf derselben Welle angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Siphons (3) ein Luftfilter (4) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung vorgesehen ist, wobei die Rückführleitung stromaufwärts des mindestens einen Verdichters (2) in das Ansaugsystem (1) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung in den Siphon (3) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlüftungsleitung (7) vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichters (2) in das Ansaugsystem (1) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsleitung (7) in den Siphon (3) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entleerungsleitung (8) von dem Siphon (3) abzweigt und stromabwärts des mindestens einen Verdichters (2) in das Ansaugsystem (1) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerungsleitung (8) an einer Stelle geodätisch geringster Höhe des Siphons (3) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entleerungsleitung (8) ein Absperrelement (8a) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des mindestens einen Verdichters (2) ein Drosselelement (5) im Ansaugsystem (1) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (5) eine Drosselklappe (5a) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerungsleitung (8) stromabwärts des Drosselelements (5) in das Ansaugsystem (1) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Drosselelements (5) ein Drucksensor (9) zur messtechnischen Erfassung des Ladedrucks p_charge im Ansaugsystem (1) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der stromabwärts des mindestens einen Verdichters (2) ein Drosselelement (5) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist und eine Entleerungsleitung (8) vom Siphon (3) abzweigt, die stromabwärts des Drosselelements (5) in das Ansaugsystem (1) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Siphon (3) während des Schubbetriebs entleert wird, indem die Entleerungsleitung (8) freigegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 15 zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der stromabwärts des Drosselelements (5) ein Drucksensor (9) zur messtechnischen Erfassung des Ladedrucks p_charge im Ansaugsystem (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerungsleitung (8) freigegeben wird, wenn der Ladedruck p_charge eine erste vorgebbare Druckschwelle p_{thershold,down} unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerungsleitung (8) gesperrt wird, wenn der Ladedruck p_charge eine zweite vorgebbare Druckschwelle p_thershold,up überschreitet.