DE102018209238A1 - Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit- einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft,- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,- mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2) umfasst, wobei der Verdichter (2) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und- einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (5c) in das Ansaugsystem (1) mündet.Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, mit der große Abgasmengen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Abgasrückführung entgegengewirkt werden kann.Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass- das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einem Phasenwechselmaterial (4) ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
    • - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
    • - 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 gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
    • - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
  • 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.
  • Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Brennkraftmaschinen werden daher 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 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. Häufig 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 Ladeluftkühler 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 keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
  • Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind neben der Aufladung aber weitere innermotorische Maßnahmen erforderlich.
  • So dient die Abgasrückführung zur Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Rückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR / (mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.
  • Die erfindungsgemäße mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet, deren Rückführleitung stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
  • Die Abgasrückführung kann vorliegend eine Hochdruck-AGR sein, die stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und in das Ansaugsystem einleitet, oder eine Niederdruck-AGR, die Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Eine Niederdruck-AGR umfasst eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und 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 Abgasrückführung 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 Abgasrückführung 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.
  • Probleme können sich hingegen stromaufwärts des Verdichters ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet. Dabei sind zwei Szenarien zu unterscheiden.
  • Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße 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 bzw. in der Ladeluft 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 das rückgeführte heiße 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.
  • 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.
  • 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 rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung 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.
  • Nach dem Stand der Technik wird das Ansaugsystem daher auch im Einzelfall mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, mit der die Temperatur der Innenwandung des Ansaugsystems erhöht werden kann. Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden. Dabei handelt es sich um ein aufwendiges und kostenintensives Konzept.
  • Insofern kann der aufgezeigte Konflikt nach dem Stand der Technik nicht kostengünstig aufgelöst werden, so dass häufig zusätzlich eine Hochdruck-AGR zum Einsatz kommen muss, die stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem und die im Ansaugsystem befindliche komprimierte und erwärmte Ladeluft einleitet.
  • Vor diesem Hintergrund 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, große Abgasmengen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Abgasrückführung entgegengewirkt werden kann.
  • 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,
    • - 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 gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
    • - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet,
    die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • - das Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.
  • Das Ansaugsystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet, mit dem die Temperatur der Innenwandung des Ansaugsystems im Bedarfsfall, beispielsweise auch vor oder bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, erhöht werden kann. Mittels Erwärmung kann die Wandtemperatur über die Tautemperatur der gasförmigen Komponenten der Ladeluft bzw. des rückgeführten Abgases hinaus angehoben werden.
  • Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. an der Innenwandung des Verdichtergehäuses kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden.
  • Mit dem Unterbinden der Bildung von Kondensat im Ansaugsystem und im Eintrittsbereich des Verdichters entfällt auch eine erhöhte Geräuschemission infolge von Kondensattröpfchen. Die Gefahr einer Beschädigung der Laufradschaufeln des mindestens einen Verdichters wird eliminiert.
  • Eine Begrenzung der stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleiteten rückgeführten Abgasmenge ist nicht erforderlich, so dass hohe Rückführraten realisiert werden können, um die Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren.
  • Das Phasenwechselmaterial wird im Bedarfsfall aktiviert, beispielsweise mechanisch oder elektrisch stimuliert, in der Art, dass Wärme abgegeben und in das Ansaugsystem eingetragen wird. Dabei durchläuft das Phasenwechselmaterial einen Phasenübergang von der flüssigen Phase zur festen Phase bzw. umgekehrt; je nach verwendetem Material.
  • Um das Phasenwechselmaterial wieder für den nächsten Einsatz bzw. die nächste Verwendung zu präparieren, muss Wärme zugeführt werden, wobei das Phasenwechselmaterial im Rahmen dieser Regeneration wieder einen Phasenübergang vollzieht und zwar in umgekehrter Richtung, d.h. zurück von der festen Phase in die flüssige Phase bzw. umgekehrt.
  • Das Phasenwechselmaterial gibt bei einem Phasenübergang entweder Wärme ab oder nimmt Wärme auf. D.h. das Material wirkt entweder wie eine thermische Senke, d.h. als Wärme aufnehmender Energiespeicher, oder aber als Wärme abgebende Heizeinrichtung.
  • Dadurch wird die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, große Abgasmengen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Abgasrückführung entgegen gewirkt werden kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichtergehäuses mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.
  • Das Verdichtergehäuse als solches bildet das Ansaugsystem mit aus, so dass es als Teil des Ansaugsystems angesehen werden kann. Gemäß der vorstehenden Ausführungsform ist aber das Verdichtergehäuse ausgenommen. Das Phasenwechselmaterial wird ausdrücklich nicht im Verdichtergehäuse, sondern im Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichtergehäuses platziert bzw. vorgesehen.
  • Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem am ersten Knotenpunkt mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.
  • An der Stelle des Ansaugsystems, an der das rückgeführte Abgas eingeleitet wird, nämlich am ersten Knotenpunkt, wird das Abgas mit der Frischluft gemischt und regelmäßig stärker umgelenkt, so dass die Gefahr einer Kondensatbildung am ersten Knotenpunkt besonders groß ist. Daher ist es besonders sinnvoll, das Ansaugsystem am ersten Knotenpunkt mit einem Phasenwechselmaterial auszustatten.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang von der flüssigen Phase in die feste Phase Wärme abgibt.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang von der festen Phase in die flüssige Phase Wärme aufnimmt.
  • Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang von der festen Phase in die flüssige Phase Wärme abgibt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden, wobei die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden kann, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslassseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers häufig angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
  • Anders als bei den Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente.
  • Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Axialverdichter ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt.
  • Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt. Dann handelt es sich bei der Abgasrückführung um eine Niederdruck-AGR, deren Rückführleitung stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
  • Bei zugeschalteter Abgasrückführung wird der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom nicht um die rückgeführte Abgasmenge reduziert, so dass immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks bereitgestellt wird.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des zweiten Knotenpunktes ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist. Das erste Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts im Abgasabführsystem zu steigern, und damit zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen bzw. genutzt werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des ersten Knotenpunktes ein zweites Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist. Das zweite Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit - wie das erste Absperrelement - zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das erste und/oder zweite Absperrelement eine verschwenkbare Klappe ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials mindestens einen Hohlraum aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Ansaugsystem muss mindestens einen Hohlraum bzw. mindestens ein Behältnis zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials aufweisen. Ein Hohlraum bzw. Behältnis zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials könnte im Rahmen eines Fertigungsprozesses als integraler Bestandteil des Ansaugsystems mit ausgebildet werden. Das Ansaugsystem könnte modular aufgebaut sein, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der das Phasenwechselmaterial aufnimmt.
  • Ein Hohlraum könnte dadurch ausgebildet werden, dass das eigentliche Ansaugsystem mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Ansaugsystem und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement ein Hohlraum ausbildet, in dem Phasenwechselmaterial aufgenommen wird. Das durch die Verschalung erweiterte Ansaugsystem umfasst dann den Hohlraum bzw. das Behältnis zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials.
  • Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet ist.
  • Das Ansaugsystem muss kein monolithisches Bauteil sein, in welches der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Herstellens als integraler Bestandteil mit eingearbeitet wird. Vielmehr ist das Ansaugsystem vorzugsweise ein - beispielsweise aus Blechen - gebautes System, bei dem der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Zusammenbaus unter Verwendung von beabstandet angeordneten Komponenten bzw. Schalungselementen ausgebildet wird. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, bereits auf dem Markt befindliche bzw. bereits konzipierte Ansaugsysteme nachzurüsten.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasrückführung ein Absperrelement umfasst, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient, am ersten Knotenpunkt angeordnet ist.
  • Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Absperrelement ein kombiniertes Ventil ist, mit dem sich sowohl die Menge rückgeführten Abgases als auch die Frischluftmenge einstellen lässt. Ein solches kombiniertes Ventil kann neben dem Ventilgehäuse eine verschwenkbare Klappe und weitere Ventilkomponenten umfassen.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement als Bestandteil des Ansaugsystems mit dem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist.
  • Wird als Absperrelement ein kombiniertes Ventil verwendet, wird vorzugsweise das Ventilgehäuse und/oder die verschwenkbare Klappe mit dem Phasenwechselmaterial ausgestattet.
  • Das Absperrelement als solches bzw. das Ventilgehäuse bildet das Ansaugsystem mit aus, so dass es als Teil des Ansaugsystems angesehen werden kann. Gemäß der vorstehenden Ausführungsform wird das Phasenwechselmaterial im Absperrelement bzw. im Ventilgehäuse platziert bzw. vorgesehen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist.
  • Eine Heizeinrichtung kann jederzeit aktiviert und eingesetzt werden, um das Phasenwechselmaterial durch Wärmezufuhr zu regenerieren, und im Bedarfsfall anstelle des Phasenwechselmaterials bzw. zusätzlich zur Erwärmung der Innenwandung des Ansaugsystems beitragen.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Heizeinrichtung mindestens einen im Ansaugsystem integrierten elektrisch beheizbaren Draht umfasst.
  • Eine Versorgung dieser elektrischen Heizeinrichtung mit Energie kann unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine beispielsweise mittels der Bordbatterie eines Fahrzeuges erfolgen. Der Draht kann bereits beim Herstellen des Ansaugsystems eingebracht werden, beispielsweise in das Ansaugsystem implementiert werden. Auf diese Weise wird ein hoher Wärmeübergang vom Draht in die Wandungen des Ansaugsystems gewährleistet bzw. realisiert.
  • Vorteilhaft können im vorliegenden Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Heizeinrichtung mindestens einen im Ansaugsystem angeordneten und mit einem Fluid beaufschlagbaren Kanal umfasst. Die Brennkraftmaschine hat in der Regel mehrere Betriebsflüssigkeiten, die für einen Wärmeintrag in das Ansaugsystem genutzt bzw. herangezogen werden können, beispielsweise das Kühlmittel einer Flüssigkeitskühlung oder das Öl aus einem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal mit dem Abgasabführsystem zumindest verbindbar ist. Vorliegend wird das heiße Abgas für einen Wärmeintrag in das Gehäuse genutzt, wobei das Abgas dem Abgasabführsystem oder der Abgasrückführung entnommen werden kann.
  • Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Flüssigkeitskühlung sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der mindestens eine Kanal mit der Flüssigkeitskühlung zumindest verbindbar ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Knotenpunkt in der Nähe des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Abstandes Δ ausgebildet und angeordnet ist. Eine verdichternahe Anordnung des ersten Knotenpunktes verkürzt die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem bis hin zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad, so dass die Zeit, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können, reduziert wird. Einer Bildung von Kondensattröpfchen wird dadurch entgegengewirkt.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 1.5Dv, wobei DV den Durchmesser des mindestens einen Verdichterlaufrades angibt. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 1.0DV, vorzugsweise Δ ≤ 0.75DV.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind.
  • Häufig bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Es wird aber häufig ein starker 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 Ladedruckabfall bzw. Drehmomentabfall.
  • 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 sukzessive Turbinen 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 bzw. elektrischer Lader vorgesehen werden.
  • Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Phasenwechselmaterial aktiviert wird, um im Rahmen eines Phasenüberganges zwecks Erwärmung des Ansaugsystems Wärme abzugeben und einem Ausscheiden von Kondensat entgegen zu wirken; vorzugsweise falls Abgas via Rückführleitung zurückgeführt 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.
  • Vorteilhaft können Verfahrensvarianten sein, bei denen das Phasenwechselmaterial vor oder während eines Kaltstarts aktiviert wird, beispielsweise mittels Zündschlüssel.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Phasenwechselmaterial mittels komprimierter Ladeluft indirekt erwärmt und regeneriert wird.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Phasenwechselmaterial mittels heißem Abgas erwärmt und regeneriert wird.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Phasenwechselmaterial mittels erwärmter Kühlflüssigkeit oder heißem Öl erwärmt und regeneriert wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • 1a schematisch ein Fragment des Ansaugsystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführleitung, teilweise geschnitten, und
    • 1b schematisch das in der 1a dargestellte Ansaugsystem im Querschnitt entlang des in 1a gekennzeichneten Schnittes A-A.
  • 1a zeigt schematisch ein Fragment des Ansaugsystems 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführleitung 5a, teilweise geschnitten.
  • Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 umfasst (nicht dargestellt). Der Eintrittsbereich 2a des Verdichters 2 ist angedeutet.
  • Der Eintrittsbereich 2a ist koaxial zur Welle des Verdichters 2 ausgebildet, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 2 des Abgasturboladers im Wesentlichen axial erfolgt und der Abschnitt des Ansaugsystems 1 stromaufwärts des Verdichters 2 keine Richtungsänderungen aufweist.
  • Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung 5 ausgestattet, welche eine Rückführleitung 5a umfasst, die stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 2 bzw. Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 5c in das Ansaugsystem 1 mündet.
  • Zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient ein Absperrelement 5b, welches vorliegend am Knotenpunkt 5c angeordnet und als kombiniertes Ventil 5b ausgebildet ist, mit dem sich nicht nur die Menge rückgeführten Abgases, sondern auch die Frischluftmenge einstellen lässt. Ein solches kombiniertes Ventil 5b umfasst neben dem Ventilgehäuse eine verschwenkbare Klappe.
  • Das Ansaugsystem 1 am ersten Knotenpunkt 5c, welches gleichzeitig das Ventilgehäuse des Absperrelementes 5b bildet, ist mit einem Phasenwechselmaterial 4 ausgestattet, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt und im Rahmen eines Phasenüberganges entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt. Vorliegend ist das Phasenwechselmaterial 4 in einem Hohlraum 3 des doppelwandig ausgeführten Ansaugsystems 1 platziert.
  • 1b zeigt schematisch das in der 1a dargestellte Ansaugsystem 1 im Querschnitt entlang des in 1a gekennzeichneten Schnittes A-A.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ansaugsystem
    2
    Verdichter des Abgasturboladers
    2a
    Eintrittsbereich des Verdichters
    3
    Hohlraum
    4
    Phasenwechselmaterial
    5
    Abgasrückführung
    5a
    Rückführleitung
    5b
    Absperrelement der Abgasrückführung, AGR-Ventil, kombiniertes Ventil
    5c
    erster Knotenpunkt
    AGR
    Abgasrückführung
    mAGR
    Masse an zurückgeführtem Abgas
    mFrischluft
    Masse an zugeführter Frischluft bzw. Ladeluft
    xAGR
    Abgasrückführrate

Claims (22)

  1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit - einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, - mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2) umfasst, wobei der Verdichter (2) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und - einer Abgasrückführung (5) umfassend eine Rückführleitung (5a), die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (5c) in das Ansaugsystem (1) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass - das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einem Phasenwechselmaterial (4) ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.
  2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des Verdichtergehäuses mit einem Phasenwechselmaterial (4) ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.
  3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) am ersten Knotenpunkt (5c) mit einem Phasenwechselmaterial (4) ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.
  4. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang von der flüssigen Phase in die feste Phase Wärme abgibt.
  5. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang von der festen Phase in die flüssige Phase Wärme aufnimmt.
  6. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang von der festen Phase in die flüssige Phase Wärme abgibt.
  7. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist.
  8. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich (2a) aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters (2) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter (2) im Wesentlichen axial erfolgt.
  9. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (5a) stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.
  10. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zweiten Knotenpunktes ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist.
  11. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des ersten Knotenpunktes ein zweites Absperrelement im Ansaugsystem (1) angeordnet ist.
  12. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Absperrelement eine verschwenkbare Klappe ist.
  13. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials (4) mindestens einen Hohlraum (3) aufweist.
  14. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials (4) zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet ist.
  15. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absperrelement (5b) am Knotenpunkt (5c) angeordnet ist, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient.
  16. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (5b) als Bestandteil des Ansaugsystems (1) mit dem Phasenwechselmaterial (4) ausgestattet ist.
  17. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist.
  18. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung mindestens einen im Ansaugsystem (1) integrierten elektrisch beheizbaren Draht umfasst.
  19. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung mindestens einen im Ansaugsystem (1) angeordneten und mit einem Fluid beaufschlagbaren Kanal umfasst.
  20. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal mit dem Abgasabführsystem zumindest verbindbar ist.
  21. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, bei der eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal mit der Flüssigkeitskühlung zumindest verbindbar ist.
  22. Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (4) aktiviert wird, um im Rahmen eines Phasenüberganges zwecks Erwärmung des Ansaugsystems (1) Wärme abzugeben und einem Ausscheiden von Kondensat entgegen zu wirken, falls Abgas via Rückführleitung (5a) zurückgeführt wird.
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