DE102017217759B3

DE102017217759B3 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und elektrisch antreibbarem Verdichter

Info

Publication number: DE102017217759B3
Application number: DE102017217759.4A
Authority: DE
Inventors: Hans-Günter Grosch; Andreas Kuske; Franz Arnd Sommerhoff; Rainer Lach
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2037-10-07
Also published as: US20190107044A1; US10704458B2; CN109630256A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- einem Ansaugsystem (1),
- einem Abgasabführsystem,
- mindestens einem Abgasturbolader (2), der einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2a) umfasst, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2b) angeordneten Laufrad (2c) ausgestattet ist, wobei das Verdichtergehäuse (2b) einen Ladeluft führenden Strömungskanal (3) aufweist, der von einem Eintrittsbereich (4) des Verdichters (2a) ausgeht und sich bis stromabwärts des mindestens einen Laufrades (2c) erstreckt, und
- einem elektrisch antreibbaren Verdichter (7), der stromabwärts des Verdichters (2a) des mindestens einen Abgasturboladers (2) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist.
Es soll eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, die über ein verbessertes Packaging verfügt und kostengünstiger ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine, bei der das Verdichtergehäuse (2b) über mindestens zwei Austrittsbereiche (5a, 5b) verfügt, wobei
- sich der Ladeluft führende Strömungskanal (3) in mindestens zwei armförmige Kanalzweige (3a, 3b) aufgabelt und jeweils ein armförmiger Kanalzweig (3a, 3b) in einen Austrittsbereich (5a, 5b) mündet,
- ein erster Austrittsbereich (5a) mit dem elektrisch antreibbaren Verdichter (7) verbunden ist, und
- ein zweiter Austrittsbereich (5b) mit dem Ansaugsystem (1) stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (7) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

- einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle angeordneten Laufrad ausgestattet ist und das Verdichtergehäuse einen Ladeluft führenden Strömungskanal aufweist, der von einem Eintrittsbereich des Verdichters ausgeht und sich bis stromabwärts des mindestens einen Laufrades erstreckt, und
- einem elektrisch antreibbaren Verdichter, der stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Die US 6,062,026 A beschreibt eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, bei der stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers ein zuschaltbarer elektrisch angetriebener Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2014 225 887 A1 beschreibt eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der zusätzlich ein elektrisch angetriebener Verdichter stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist.
Ein Aufladekonzept mit einem Abgasturbolader und einem elektrisch antreibbaren Verdichter, der stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers angeordnet ist, beschreibt auch die US 9,903,320 B2 , wobei der elektrisch antreibbare Verdichter mit einer Bypassleitung ausgestattet ist, die stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters unter Ausbildung eines Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt und zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des Abgasturboladers wieder in das Ansaugsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 055 507 A1 beschreibt ein Sammelgehäuse für eine Turboarbeitsmaschine bzw. Turbokraftmaschine, bei dem zwei voneinander getrennte Austrittskanäle vorgesehen sind.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse 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 reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
Regelmäßig 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. Die vom Abgasstrom 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 des mindestens einen Zylinders 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 gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem - mittels Hilfsantrieb antreibbaren - Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d.h. mindert.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d.h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch 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. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert versucht.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens einen Abgasturbolader sowie einen elektrisch antreibbaren Verdichter.
Der elektrisch antreibbare Verdichter ist dabei als zuschaltbarer Verdichter konzipiert, der im Bedarfsfall zur Unterstützung eines Abgasturboladers beim Verdichten der Ladeluft zugeschaltet wird. Den elektrisch antreibbaren Verdichter anstelle der Abgasturboaufladung zur Generierung des Ladedrucks einzusetzen, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen. Der elektrisch antreibbare Verdichter ist erfindungsgemäß stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet und komprimiert im Rahmen einer mehrstufigen Verdichtung bzw. Aufladung bereits vorverdichtete Ladeluft.
Nach dem Stand der Technik wird zum Zwecke der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters eine Bypassleitung vorgesehen, die zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist.
Dadurch wird das Leitungssystem auf der Einlassseite der Brennkraftmaschine, d.h. das Ansaugsystem, komplex und sehr aufwendig. Verkürzt man die Leitungen des Ansaugsystems ergibt sich ein Leitungssystem mit kleinen Krümmungsradien, in dem die Ladeluftströmung mehrmals stark umgelenkt wird bzw. werden muss, wodurch wiederum größere Druckverluste in der Ladeluftströmung auftreten, die als nachteilig anzusehen sind. Ein Leitungssystem mit einer weniger häufigen und weniger starken Umlenkung der Ladeluftströmung resultiert hingegen in einem vergleichsweise großvolumigen Ansaugsystem, welches einen entsprechenden Raumbedarf aufweist und damit einem möglichst dichten Packaging der Antriebseinheit im Motorraum des Fahrzeuges entgegen steht.
Die Auslegung des Ansaugsystems wird in der Regel noch aufwendiger, falls eine Abgasrückführung vorgesehen wird, um Abgase von der Auslassseite auf die Einlassseite zurück zu führen.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die über ein verbessertes Packaging verfügt und kostengünstiger ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, 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,
- mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle angeordneten Laufrad ausgestattet ist und das Verdichtergehäuse einen Ladeluft führenden Strömungskanal aufweist, der von einem Eintrittsbereich des Verdichters ausgeht und sich bis stromabwärts des mindestens einen Laufrades erstreckt, und
- einem elektrisch antreibbaren Verdichter, der stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist,

- sich der Ladeluft führende Strömungskanal stromabwärts des mindestens einen Laufrades in mindestens zwei armförmige Kanalzweige aufgabelt und jeweils ein armförmiger Kanalzweig in einen Austrittsbereich mündet,
- ein erster Austrittsbereich via Ansaugsystem mit dem elektrisch antreibbaren Verdichter verbunden ist, und
- ein zweiter Austrittsbereich via Ansaugsystem und bei Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters mit dem Ansaugsystem stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters verbunden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verzweigt sich das Ansaugsystem in Gestalt des Ladeluft führenden Strömungskanals bereits im Verdichtergehäuse und zwar stromabwärts des mindestens einen Laufrades. Hierzu verfügt das erfindungsgemäße Verdichtergehäuse über mindestens zwei Anschlüsse stromabwärts des mindestens einen Laufrades; die sogenannten Austrittsbereiche.
Die Ladeluft tritt via Eintrittsbereich in das Verdichtergehäuse ein, wird beim Durchströmen des mindestens einen Laufrades komprimiert und verlässt das Gehäuse entweder via einem ersten armförmigen Kanalzweig und einem ersten Austrittsbereich oder via einem zweiten armförmigen Kanalzweig und einem zweiten Austrittsbereich. Der erste armförmige Kanalzweig führt die vorverdichtete Ladeluft via Ansaugsystem dem elektrisch antreibbaren Verdichter zu. Der zweite Kanalzweig leitet die komprimierte Ladeluft via Ansaugsystem in das Ansaugsystem stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters, wodurch der elektrisch antreibbare Verdichter umgangen wird.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdichtergehäuses hat mehrere vorteilhafte Effekte.
Eine herkömmliche Bypassleitung, die zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet und in der ein Bypassventil angeordnet ist, entfällt. Die Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters erfolgt unter Verwendung des zweiten Kanalzweigs bzw. des zweiten Austrittsbereichs. Ein im Verdichtergehäuse vorgesehenes Absperrelement kann dem Freigeben und dem Versperren des zweiten Kanalzweiges dienen, d.h. der Aktivierung und der Deaktivierung dieses zweiten Kanalzweiges.
Infolge der Verzweigung des Ansaugsystems im Verdichtergehäuse wird das einlassseitige Leitungssystem der Brennkraftmaschine, d.h. das Ansaugsystem, weniger voluminös, wodurch der Raumbedarf entsprechend abnimmt. Ein dichtes Packaging wird damit unterstützt und das Gewicht des einlassseitigen Leitungssystems vermindert sich ebenfalls. Die Druckverluste in der Ladeluftströmung können reduziert werden. Durch den Wegfall einer herkömmlichen Bypassleitung mitsamt Bypassventil verkürzt sich auch die Gesamtlänge der einlassseitigen Leitungen des Ansaugsystems, wodurch sich das Ansprechverhalten der Aufladung spürbar verbessert. Zudem reduzieren sich die Kosten für das Ansaugsystem und zwar auch infolge eines verminderten Materialeinsatzes für die Leitungen und einem geringeren Montageaufwand im Rahmen der Fertigung.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die über ein verbessertes Packaging verfügt und kostengünstiger ist.
Ein erfindungsgemäßes Verdichtergehäuse kann stromabwärts des mindestens einen Laufrades auch über drei oder mehr Anschlüsse bzw. Austrittsbereiche verfügen, beispielsweise über einen dritten Anschluss, d.h. einen dritten Austrittsbereich, der die komprimierte Ladeluft bei Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters und Umgehung einer im Ansaugsystem vorgesehenen Ladeluftkühlung mit den Zylindern der Brennkraftmaschine verbindet. Letzteres wäre beispielsweise nach einem Kaltstart im Rahmen einer Warmlaufphase vorteilhaft.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Verdichtergehäuse über zwei Austrittsbereiche verfügt, wobei sich der Ladeluft führende Strömungskanal stromabwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in zwei armförmige Kanalzweige aufgabelt und ein erster armförmiger Kanalzweig in den ersten Austrittsbereich mündet und ein zweiter armförmiger Kanalzweig in den zweiten Austrittsbereich mündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder armförmige Kanalzweig mit einem Absperrelement ausgestattet ist, wobei das jeweilige Absperrelement dem Freigeben und dem Versperren des zugehörigen Kanalzweiges dient.
Verfügt das Verdichtergehäuse über zwei Austrittsbereiche, können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen für die zwei armförmigen Kanalzweige ein gemeinsames Absperrelement vorgesehen ist, wobei dieses gemeinsame Absperrelement den ersten armförmigen Kanalzweig freigibt, falls dieses gemeinsame Absperrelement den zweiten Kanalzweig versperrt, und umgekehrt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das gemeinsame Absperrelement eine verschwenkbare und am Knotenpunkt angeordnete Klappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Zwischenkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.
Der Zwischenkühler senkt die Lufttemperatur vor Eintritt in den elektrisch antreibbaren Verdichter, wodurch die Temperatur und der Druck am Austritt des elektrisch antreibbaren Verdichters ebenfalls gesenkt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem mit einem Drosselelement ausgestattet ist, das stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers angeordnet ist.
Bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, d.h. einem Ottomotor, erfolgt die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, d.h. mittels Quantitätsregelung. Durch Verstellen eines im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselelementes, beispielsweise einer Drosselklappe, kann der Druck der geförderten Ladeluft stromabwärts des Drosselelementes mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der Ladeluft die Luftmasse, d.h. die Quantität eingestellt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem mit einem Ladeluftkühler ausgestattet ist, der stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers angeordnet ist.
Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der komprimierten Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d.h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.
Ist neben dem Ladeluftkühler auch ein Drosselelement stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers angeordnet, sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Ladeluftkühler stromabwärts des Drosselelementes angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Verdichtergehäuse im Eintrittsbereich über einen Flansch zur Befestigung verfügt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter kleiner ausgelegt ist als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers.
Vorteilhaft ist dies insbesondere hinsichtlich der erfindungsgemäßen Funktion des elektrisch antreibbaren Verdichters, der als zuschaltbarer Verdichter konzipiert ist und im Rahmen einer mehrstufigen Verdichtung vorverdichtete Ladeluft komprimiert. Dabei fungiert der elektrisch antreibbare Verdichter als Hochdruckstufe.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen nur ein Abgasturbolader vorgesehen ist. Dies reduziert das Gewicht und die Kosten der Aufladung.
In definierten Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine erfolgt dann regelmäßig eine einstufige Aufladung bzw. Verdichtung. Hinsichtlich der Reibleistung und des Gesamtwirkungsgrades ist es vorteilhafter, einen einzelnen Abgasturbolader anstelle mehrerer Turbolader zu verwenden, weshalb die vorstehende Ausführungsform Vorteile im Wirkungsgrad aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers mit einer variablen Verdichtergeometrie ausgestattet wird. Insbesondere wenn nur eine geringe Abgasmenge durch die Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da die Pumpgrenze des Verdichters durch Verstellen der Leitschaufeln im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird. Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie daher auch, wenn große Abgasmengen stromaufwärts der Turbine abgezweigt und zurückgeführt werden, um hohe Rückführraten zu realisieren. Verfügt die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie kann die variable Verdichtergeometrie auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abgestimmt werden.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nicht nur Vorteile beim Kraftstoffverbrauch, d.h. dem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, sondern auch bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ohnehin ab.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Dabei ist die Abgasrückführung zielführend.
Das Abgas kann mittels Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen und zurückgeführt werden. Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom aber gleichzeitig ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzlich Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze einstellen. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.
Aus diesem Grunde kann das Abgas auch mittels Niederdruck-AGR zurückgeführt werden. Im Gegensatz zu der vorstehend erwähnten Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und - vorzugsweise - stromabwärts eines Verdichters in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine aufzuzeigen, bei der das Verdichtergehäuse über zwei Austrittsbereiche verfügt, wobei sich der Ladeluft führende Strömungskanal stromabwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in zwei armförmige Kanalzweige aufgabelt und ein erster armförmiger Kanalzweig in den ersten Austrittsbereich mündet und ein zweiter armförmiger Kanalzweig in den zweiten Austrittsbereich mündet, wird gelöst mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste armförmige Kanalzweig freigegeben und der zweite armförmige Kanalzweig versperrt wird, um die Ladeluft unter Verwendung des elektrisch antreibbaren Verdichters mehrstufig zu verdichten.
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 Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der erste armförmige Kanalzweig versperrt und der zweite armförmige Kanalzweig freigegeben wird, um den elektrisch antreibbaren Verdichter im Rahmen der Aufladung zu umgehen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen und gemäß den 1a, 1b und 2 näher erläutert. Hierbei zeigt:

1a schematisch den Verdichter eines Abgasturboladers einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
1b schematisch den Verdichter eines Abgasturboladers einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
2 schematisch die Konzeption des Ansaugsystems gemäß einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine.

1a zeigt schematisch den Verdichter 2a eines Abgasturboladers 2 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Der Abgasturbolader 2 umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2a.
Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine unter Energieabgabe und treibt den Verdichter 2a an. Der Verdichter 2a komprimiert die Ladeluft, die via Ansaugsystem 1 den Zylindern zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine erreicht wird.
Der Verdichter 2a ist mit einem auf einer drehbaren Welle angeordneten Laufrad 2c ausgestattet, das in einem Verdichtergehäuse 2b angeordnet ist. Das Verdichtergehäuse 2b weist einen Ladeluft führenden Strömungskanal 3 auf, der von einem Eintrittsbereich 4 des Verdichters 2a ausgeht und sich bis hinter, d.h. stromabwärts des Laufrades 2c erstreckt.
Das Verdichtergehäuse 2b verfügt über zwei Austrittsbereiche 5a, 5b, wobei sich der Ladeluft führende Strömungskanal 3 stromabwärts des Laufrades 2c unter Ausbildung eines Knotenpunktes 8 in zwei armförmige Kanalzweige 3a, 3b aufgabelt. Jeweils ein armförmiger Kanalzweig 3a, 3b mündet in einen Austrittsbereich 5a, 5b.
Der erste Austrittsbereich 5a ist via Ansaugsystem 1 mit einem elektrisch antreibbaren Verdichter verbunden (nicht dargestellt). Der zweite Austrittsbereich 5b ist unter Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters mit dem Ansaugsystem 1 stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters verbunden (nicht dargestellt).
Jeder der beiden armförmigen Kanalzweige 3a, 3b ist mit einem eigenen Absperrelement 6a, 6b ausgestattet, wobei das jeweilige Absperrelement 6a, 6b dem Freigeben und dem Versperren des zugehörigen Kanalzweiges 3a, 3b dient.
Das Verdichtergehäuse 2b verfügt im Eintrittsbereich 4 über einen Flansch 13 zur Befestigung.
1b zeigt schematisch den Verdichter 2a eines Abgasturboladers 2 einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform ist bei dem in 1b dargestellten Verdichter 2a für die zwei armförmigen Kanalzweige 3a, 3b ein gemeinsames Absperrelement 6 vorgesehen, wobei dieses gemeinsame Absperrelement 6 den ersten armförmigen Kanalzweig 3a freigibt, falls dieses gemeinsame Absperrelement 6 den zweiten Kanalzweig 3b versperrt, und umgekehrt. Als gemeinsames Absperrelement 6 dient eine verschwenkbare Klappe, die am Knotenpunkt 8 angeordnet ist.
2 zeigt schematisch die Konzeption des Ansaugsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Das Verdichtergehäuse 2b des im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichters 2 verfügt über zwei Austrittsbereiche 5a, 5b, wobei der erste Austrittsbereich 5a via Ansaugsystem 1 mit dem elektrisch antreibbaren Verdichter 7 und der zweite Austrittsbereich 5b unter Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters 7 mit dem Ansaugsystem 1 stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters 7 verbunden ist.
Zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter 7 und dem Verdichter 2a des Abgasturboladers 2 ist ein Zwischenkühler 10 im Ansaugsystem 1 angeordnet. Der Zwischenkühler 10 senkt die Temperatur der vorverdichteten Ladeluft vor Eintritt in den elektrisch antreibbaren Verdichter 7, wodurch auch die Temperatur und der Druck am Austritt des elektrisch antreibbaren Verdichters 7 abgesenkt werden und der elektrisch antreibbare Verdichter 7 vor Beschädigungen infolge thermischer Überbeanspruchung geschützt wird.
Des Weiteren ist das Ansaugsystem 1 mit einem Drosselelement 11 ausgestattet, das stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters 7 und stromabwärts des Verdichters 2a des Abgasturboladers 2 angeordnet ist. Durch Verstellen der Drossel 11 lässt sich die den Zylindern 12 zugeführte Ladeluftmenge einstellen.
Stromabwärts des Drosselelementes 11 ist zudem ein Ladeluftkühler 9 im Ansaugsystem 1 angeordnet. Der Ladeluftkühler 9 senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der komprimierten Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder 12, wodurch auch dieser Kühler 9 zu einer besseren Füllung der Zylinder 12 beiträgt.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Abgasturbolader
2a: Verdichter des Abgasturboladers
2b: Verdichtergehäuse
2c: Laufrad
3: Ladeluft führender Strömungskanal
3a: erster armförmiger Kanalzweig
3b: zweiter armförmiger Kanalzweig
4: Eintrittsbereich
5a: erster Austrittsbereich
5b: zweiter Austrittsbereich
6: gemeinsames Absperrelement
6a: erstes Absperrelement
6b: zweites Absperrelement
7: elektrisch antreibbarer Verdichter
8: Knotenpunkt
9: Ladeluftkühler
10: Zwischenkühler
11: Drossel, Drosselelement
12: Zylinder der Brennkraftmaschine
13: Flansch

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit - einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, - mindestens einem Abgasturbolader (2), der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2a) umfasst, wobei der Verdichter (2a) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2b) auf einer drehbaren Welle angeordneten Laufrad (2c) ausgestattet ist und das Verdichtergehäuse (2b) einen Ladeluft führenden Strömungskanal (3) aufweist, der von einem Eintrittsbereich (4) des Verdichters (2a) ausgeht und sich bis stromabwärts des mindestens einen Laufrades (2c) erstreckt, und - einem elektrisch antreibbaren Verdichter (7), der stromabwärts des Verdichters (2a) des mindestens einen Abgasturboladers (2) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2b) über mindestens zwei Austrittsbereiche (5a, 5b) verfügt, wobei - sich der Ladeluft führende Strömungskanal (3) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (2c) in mindestens zwei armförmige Kanalzweige (3a, 3b) aufgabelt und jeweils ein armförmiger Kanalzweig (3a, 3b) in einen Austrittsbereich (5a, 5b) mündet, - ein erster Austrittsbereich (5a) via Ansaugsystem (1) mit dem elektrisch antreibbaren Verdichter (7) verbunden ist, und - ein zweiter Austrittsbereich (5b) via Ansaugsystem (1) und bei Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters (7) mit dem Ansaugsystem (1) stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (7) verbunden ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2b) über zwei Austrittsbereiche (5a, 5b) verfügt, wobei sich der Ladeluft führende Strömungskanal (3) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (2c) unter Ausbildung eines Knotenpunktes (8) in zwei armförmige Kanalzweige (3a, 3b) aufgabelt und ein erster armförmiger Kanalzweig (3a) in den ersten Austrittsbereich (5a) mündet und ein zweiter armförmiger Kanalzweig (3b) in den zweiten Austrittsbereich (5b) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder armförmige Kanalzweig (3a, 3b) mit einem Absperrelement (6a, 6b) ausgestattet ist, wobei das jeweilige Absperrelement (6a, 6b) dem Freigeben und dem Versperren des zugehörigen Kanalzweiges (3a, 3b) dient.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die zwei armförmigen Kanalzweige (3a, 3b) ein gemeinsames Absperrelement (6) vorgesehen ist, wobei dieses gemeinsame Absperrelement (6) den ersten armförmigen Kanalzweig (3a) freigibt, falls dieses gemeinsame Absperrelement (6) den zweiten Kanalzweig (3b) versperrt, und umgekehrt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Absperrelement (6) eine verschwenkbare und am Knotenpunkt (8) angeordnete Klappe ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter (7) und dem Verdichter (2a) des mindestens einen Abgasturboladers (2) ein Zwischenkühler (10) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) mit einem Drosselelement (11) ausgestattet ist, das stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (7) und stromabwärts des Verdichters (2a) des mindestens einen Abgasturboladers (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) mit einem Ladeluftkühler (9) ausgestattet ist, der stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (7) und stromabwärts des Verdichters (2a) des mindestens einen Abgasturboladers (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) mit einem Ladeluftkühler (9) ausgestattet ist, der stromabwärts des Drosselelementes (11) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2b) im Eintrittsbereich (4) über einen Flansch (13) zur Befestigung verfügt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (7) kleiner ausgelegt ist als der Verdichter (2a) des mindestens einen Abgasturboladers (2).
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Abgasturbolader (2) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Verdichtergehäuse (2b) über zwei Austrittsbereiche (5a, 5b) verfügt, wobei sich der Ladeluft führende Strömungskanal (3) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (2c) unter Ausbildung eines Knotenpunktes (8) in zwei armförmige Kanalzweige (3a, 3b) aufgabelt und ein erster armförmiger Kanalzweig (3a) in den ersten Austrittsbereich (5a) mündet und ein zweiter armförmiger Kanalzweig (3b) in den zweiten Austrittsbereich (5b) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste armförmige Kanalzweig (3a) freigegeben und der zweite armförmige Kanalzweig (3b) versperrt wird, um die Ladeluft unter Verwendung des elektrisch antreibbaren Verdichters (7) mehrstufig zu verdichten.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste armförmige Kanalzweig (3a) versperrt und der zweite armförmige Kanalzweig (3b) freigegeben wird, um den elektrisch antreibbaren Verdichter (7) im Rahmen der Aufladung zu umgehen.