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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2015 214 034 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine geführt werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem ein in dem Ansaugtrakt angeordnetes Verdichterrad auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet werden kann. Außerdem ist eine elektrische Maschine vorgesehen, mittels welcher das Verdichterrad zum Verdichten der Luft, insbesondere unter Nutzung von elektrischer Energie, angetrieben werden kann. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine einen einfach aus als Krümmer bezeichneten Abgaskrümmer auf, welcher von Abgas aus dem Brennraum durchströmbar ist.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2013 013 663 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, mit einer Brennkraftmaschine, mit einer an die Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasanlage, die wenigstens einen Katalysator aufweist, und mit einer Heizeinrichtung zum Erzeugen eines Warmluftstroms.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abgaskrümmer wenigstens einen von mittels des Verdichterrads verdichteter Luft aus dem Ansaugtrakt durchströmbaren Kühlkanal aufweist und dadurch mittels der den Kühlkanal durchströmenden und mittels des Verdichterrads verdichteten Luft aus dem Ansaugtrakt zu kühlen ist. Somit ist beispielsweise eine einstufige Turbokühlung des Abgaskrümmers vorgesehen, so dass auf besonders einfache Weise ein besonders vorteilhafter, insbesondere effizienter, Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: In modernen, auch als Verbrennungsmotoren bezeichneten Verbrennungskraftmaschinen werden zunehmend elektrisch unterstützte Abgasturbolader eingesetzt. Ein solch elektrisch unterstützter Abgasturbolader wird auch als eATL bezeichnet. Es ist denkbar, dass die elektrische Maschine und das Verdichterrad Bestandteile eines solchen elektrisch unterstützten Abgasturboladers sind, welcher beispielsweise auch ein von Abgas aus dem Brennraum antreibbares Turbinenrad umfasst. Dabei ist das Verdichterrad, insbesondere über eine Welle, von dem Turbinenrad antreibbar. Ferner ist es denkbar, dass das Verdichterrad über die Welle von der elektrischen Maschine angetrieben werden kann. Die Applikation solcher Abgasturbolader ist begrenzt durch die Rahmenbedingungen des Verbrennungsmotors in dessen Betrieb. Häufig ist die Auslegung einer das Turbinenrad umfassenden Turbine und eines das Verdichterrad umfassenden Verdichters des Abgasturboladers ein Kompromiss zwischen dem sogenannten Drehmomenteckpunkt und der maximalen Leistung des Verbrennungsmotors, da die maximale Temperatur des einfach auch als Motor bezeichneten Verbrennungsmotors stromauf der Turbine beziehungsweise des Turbinenrads und stromab der Turbine beziehungsweise des Turbinenrads bei maximaler Leistung und teilweise bei kleineren Drehzahlen erreicht wird. Üblicherweise wird die Leistung begrenzt, die von dem Abgasturbolader maximal bereitgestellt werden könnte. Üblicherweise kommt hierzu eine auch als Bypass oder Bypass-Einrichtung bezeichnete Umgehungseinrichtung zum Einsatz, bei wenigstens eine Umgehungsleitung aufweist. Die Umgehungsleitung ist zumindest von einem Teil des Abgases durchströmbar. Das die Umgehungsleitung durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad und treibt somit das Turbinenrad nicht an. Die Umgehungseinrichtung weist dabei beispielsweise wenigstens ein Ventilelement auf, mittels welchem eine die Umgehungsleitung durchströmende Menge des Abgases eingestellt werden kann. Hierdurch kann die Leistung des Abgasturboladers eingestellt, insbesondere geregelt oder gesteuert werden. Eine solche Umgehungseinrichtung kann zum Einsatz kommen, um die maximale Temperatur vor und nach dem Turbinenrad einhalten zu können. Die Nutzung eines solchen Bypasses an dem Turbinenrad verringert jedoch die Effizienz des als Turbomaschine ausgebildeten Abgasturboladers und entsprechend des Verbrennungsmotors. Gleichzeitig sind der Ladedruck und der Durchsatz am Verdichter zu groß für diesen Betriebspunkt, da es nicht mehr benötigt wird, aufgrund der erhöhten Temperatur. Daher erfolgt eine Drosselung oder eine Umgehung oder beides wird gleichzeitig durchgeführt.
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Grundsätzlich ist es denkbar, den Abgaskrümmer in ein Zylinderkopfgehäuse zu integrieren. Hierdurch kann der Abgaskrümmer insbesondere bei maximaler Leistung des Verbrennungsmotors effizient gekühlt werden. Jedoch kann diese Kühlung des Abgaskrümmers nicht ausgeschaltet werden, was bei niedrigeren Lasten nachteilhaft ist, bei denen der Verbrennungsmotor sehr oft betrieben wird. Dies kann für eine Funktion eines Katalysators problembehaftet sein und bei Teillast die vorhandene Enthalpie an der Turbine verringern, was zu einer unerwünschten Ineffizienz führen kann. Ferner ist es denkbar, in die Luft, insbesondere in den Brennraum, Wasser einzuspritzen und/oder Wasser kann stromauf des Turbinenrads eingespritzt werden. Dies erfordert jedoch komplexe und kostenintensive, parallele Versorgungen und eine Lagerung des als Kühlungsmittel fungierenden Wassers. Ferner ist die Verwendung von zweistufigen Aufladesystemen denkbar. Dieses System ist jedoch aufwendig und bauraum-, gewichts- und kostenintensiv sowie nur sehr aufwendig zu steuern oder zu regeln.
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Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können durch die Erfindung vermieden werden. Vorzugsweise ist lediglich eine einstufige Aufladung vorgesehen, so dass beispielsweise in dem Ansaugtrakt lediglich der eine Verdichter zum Verdichten der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft angeordnet ist. Da das Verdichterrad mittels der elektrischen Maschine angetrieben werden kann, können der Verdichter und gegebenenfalls auch die Turbine im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen größer ausgestaltet werden. Außerdem kann der Abgaskrümmer bezüglich des Zylinderkopfes extern angeordnet sein und insbesondere je nach Betriebspunkt bedarfsgerecht gekühlt werden. In der Folge kann eine besonders hohe Leistung des Verbrennungsmotors realisiert werden, da die Temperaturen vor und nach dem Turbinenrad dank der Kühlung gering gehalten werden können. Ein weiterer wichtiger Betriebspunkt ist der Drehmomenteckpunkt. Dieser wird trotz der größeren Auslegung des Verdichters und gegebenenfalls der Turbine erreicht mittels der elektrischen Unterstützung der elektrischen Maschine, und eine besonders hohe Dynamik des Verbrennungsmotors kann realisiert werden.
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Außerdem ermöglicht die Erfindung die Realisierung einer besonders einfachen Turbokühlung des Abgaskrümmers mittels eines einzigen, elektrisch unterstützten Abgasturboladers. Verrohrungen und etwaige Umgehungseinrichtungen können im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen einfach sowie bauraum-, gewichts- und kostengünstig gestaltet werden. Außerdem ist die Applikation des erfindungsgemäßen Systems durch dessen geringere Komplexität besonders einfach und nicht so anfällig für mechanisch Probleme. Außerdem können die Kosten der Erfindung gering gehalten werden. Des Weiteren ist die Verbrennungskraftmaschine besonders effizient betreibbar. Des Weiteren kann die Erfindung für unterschiedliche Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeuge und dabei insbesondere sowohl für leistungsstarke Fahrzeug als auch für leistungsschwächere Fahrzeuge zum Einsatz kommen, so dass eine besonders hohe Stückzahl realisiert werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine; und
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines vorzugsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagens. Das Kraftfahrzeug ist mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein beispielsweise als Kurbelgehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Gehäuseelement 12 auf, durch welches mehrere Zylinder 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet sind. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ferner einen in den Figuren nicht gezeigten und beispielsweise separat von dem Gehäuseelement ausgebildeten und mit dem Gehäuseelement 12 verbundenen Zylinderkopf auf, welcher beispielsweise je Zylinder 14 ein Brennraumdach bildet. In dem jeweiligen Zylinder 14 ist beispielsweise ein jeweiliger Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen. Der jeweilige Kolben, der jeweilige Zylinder 14 und das jeweilige Brennraumdach bilden jeweils teilweise einen jeweiligen Brennraum 16 der Verbrennungskraftmaschine 10.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt 18 auf, in welchem ein Luftfilter 20 zum Filtern der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft angeordnet ist. Mittels des Ansaugtrakts 18 wird die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft zu den und in die Brennräume 16 geleitet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem genau einen Abgasturbolader 22 auf, welcher, insbesondere genau, einen Verdichter 24 und, insbesondere genau, eine Turbine 35 aufweist. Der Verdichter 24 ist in dem Ansaugtrakt 18 angeordnet und umfasst ein Verdichtergehäuse 26 und ein Verdichterrad 28, welches drehbar in einem durch das Verdichtergehäuse 26 begrenzten Aufnahmeraum 30 aufgenommen ist. Mittels des Verdichterrads 28 kann die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet werden. Hierzu wird beispielsweise das Verdichterrad 28 relativ zu dem Verdichtergehäuse 26 gedreht.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem eine von Abgas aus den Brennräumen 16 durchströmbaren Abgastrakt 32 auf, in welchem die Turbine 35 angeordnet ist. Die Turbine 35 weist, insbesondere genau, ein Turbinenrad 34 auf, welches von zumindest einem Teil des den Abgastrakt 32 durchströmenden Abgases antreibbar und dadurch um ein in den Figuren nicht dargestelltes Turbinengehäuse der Turbine 35 drehbar ist. Der Abgasturbolader 22 umfasst außerdem eine Welle 36, über welche beispielsweise das Verdichterrad 28 von dem Turbinenrad 34 antreibbar und dadurch relativ zu dem Verdichterrad 26 drehbar ist. Beispielsweise sind das Verdichterrad 28 und/oder das Turbinenrad 34 drehfest mit der Welle 36 verbunden.
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Der Abgasturbolader 22 ist als elektrisch unterstützter Abgasturbolader ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Abgasturbolader 22 und somit die Verbrennungskraftmaschine 10 eine in den Figuren nicht näher dargestellte, elektrische Maschine umfassen, welche in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar ist. Mittels des Elektromotors, das heißt mittels der elektrischen Maschine kann das Verdichterrad 28, insbesondere über die Welle 36, unter Nutzung von elektrischer Energie angetrieben und somit relativ zu dem Verdichtergehäuse 26 gedreht werden, wodurch mittels des Verdichterrads 28 die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet werden kann.
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Durch das Verdichten der Luft wird die Luft erwärmt. Um dennoch besonders hohe Aufladegrade zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 18 stromab des Verdichterrads 28 ein Ladeluftkühler 38 zum Kühlen der verdichteten und dadurch erwärmten Luft angeordnet. Der Ladeluftkühler 38 ist beispielsweise ein Luft-Luft-Kühler, so dass die verdichtete Luft über den Ladeluftkühler 38 mittels weiterer Luft gekühlt werden kann. Ferner ist es denkbar, dass der Ladeluftkühler 38 als Luft-Wasser-Kühler ausgebildet ist. Somit kann beispielsweise die verdichtete Luft über den Ladeluftkühler 38 mittels Wasser gekühlt werden. In dem Ansaugtrakt 18 ist stromab des Ladeluftkühlers 38 eine Drosselklappe 40 angeordnet, mittels welcher eine in die Brennräume 16 einströmende Menge der Luft eingestellt werden kann.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem einen Abgaskrümmer 42 auf, welcher von Abgas aus den Brennräumen 16 durchströmbar ist. Mittels des Abgaskrümmers 42 werden die Brennräume 16 zusammengeführt. Mit anderen Worten wird beispielsweise das Abgas aus den Brennräumen 16 in dem Abgaskrümmer 42 beziehungsweise mittels des Abgaskrümmers 42 zusammengeführt. Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 zu realisieren, weist der Abgaskrümmer 42 wenigstens einen von mittels des Verdichterrads 28 verdichteter Luft aus dem Ansaugtrakt 18 durchströmbaren Kühlkanal 44 auf, wodurch der Abgaskrümmer 42 mittels der den Kühlkanal 44 durchströmenden und mittels des Verdichterrads 28 verdichteten Luft gekühlt werden kann. Der Kühlkanal 44 ist beispielsweise durch wenigstens eine Wandung des Abgaskrümmers 42 begrenzt. Der Kühlkanal 44 ist beispielsweise über einen Versorgungskanal 46 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden oder verbindbar, so dass mittels des Versorgungskanals 46 zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft aus dem Ansaugtrakt 18 abgezweigt und in den Versorgungskanal 46 eingeleitet werden kann. Die aus dem Ansaugtrakt 18 abgezweigte und in den Versorgungskanal 46 eingeleitete Luft kann den Versorgungskanal 46 durchströmen und wird mittels des Versorgungskanals 46 zu dem und in den Kühlkanal 44 geleitet, woraufhin die aus dem Ansaugtrakt 18 abgezweigte Luft den Kühlkanal 44 durchströmen und in der Folge den Abgaskrümmer 42 kühlen kann.
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Dabei ist in dem Versorgungskanal 46 ein beispielsweise als Drosselklappe ausgebildetes Ventilelement 48 angeordnet, mittels welchem eine den Versorgungskanal 46 und in der Folge den Kühlkanal 44 durchströmende Menge der Luft aus dem Ansaugtrakt 18 einstellbar ist. Der Versorgungskanal 46 ist dabei stromab des Ladeluftkühlers 38 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden, so dass die den Versorgungskanal 46 durchströmende Luft mittels des Verdichterrads 28 verdichtet und mittels des Ladeluftkühlers 38 gekühlt ist.
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In dem Abgastrakt 32 ist stromab des Turbinenrads 34 ein beispielsweise als Drei-Wege-Katalysator ausgebildeter Katalysator 50 angeordnet. Außerdem ist der Turbine 35 eine Umgehungseinrichtung 52 zugeordnet, welche eine Umgehungsleitung 54 aufweist. Die Umgehungsleitung 54 ist an einer ersten Verbindungsstelle und an einer zweiten Verbindungsstelle fluidisch mit dem Abgastrakt 32 verbunden. Die erste Verbindungsstelle ist dabei stromab des Abgaskrümmers 42 und stromauf des Turbinenrads 34 angeordnet, und die zweite Verbindungsstelle ist stromauf des Katalysators 50 und stromab des Turbinenrads 34 angeordnet. Mittels der Umgehungsleitung 54 kann zumindest ein Teil des den Abgastrakt 32 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 32 abgezweigt und in die Umgehungsleitung 54 eingeleitet werden. Das die Umgehungsleitung 54 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad 34, so dass das die Umgehungsleitung 54 durchströmende Abgas das Turbinenrad 34 umgeht und somit nicht antreibt. Die Umgehungseinrichtung 52 umfasst außerdem ein in der Umgehungsleitung 54 angeordnetes und auch als Waste-Gate oder Waste-Gate-Ventil bezeichnetes Ventilelement 56, mittels welchem eine die Umgehungsleitung 54 durchströmende Menge des Abgases ausgestaltet werden kann.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 frei von einer Umgehungseinrichtung ist, mittels welcher Abgas das Turbinenrad 34 umgehen kann. Dadurch können die Teileanzahl und somit die Kosten, der Bauraumbedarf und das Gewicht in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden. Bei der ersten Ausführungsform und bei der zweiten Ausführungsform weist das Verdichtergehäuse 26 wenigstens einen zumindest teilweise von dem Aufnahmeraum 30 getrennten, zweiten Kühlkanal 58 auf, welcher von einem beispielsweise als Flüssigkeit ausgebildeten Kühlmittel zum Kühlen des Verdichtergehäuses 26 durchströmbar ist. Somit kann beispielsweise mittels des Kühlmittels die das Verdichtergehäuse 26 durchströmende Luft, insbesondere während des Verdichtens der Luft, gekühlt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Gehäuseelement
- 14
- Zylinder
- 16
- Brennraum
- 18
- Ansaugtrakt
- 20
- Luftfilter
- 22
- Abgasturbolader
- 24
- Verdichter
- 26
- Verdichtergehäuse
- 28
- Verdichterrad
- 30
- Aufnahmeraum
- 32
- Abgastrakt
- 34
- Turbinenrad
- 35
- Turbine
- 36
- Welle
- 38
- Ladeluftkühler
- 40
- Drosselklappe
- 42
- Abgaskrümmer
- 44
- Kühlkanal
- 46
- Versorgungskanal
- 48
- Ventilelement
- 50
- Katalysator
- 52
- Umgehungseinrichtung
- 54
- Umgehungsleitung
- 56
- Ventilelement
- 58
- Kühlkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015214034 A1 [0002]
- DE 102013013663 A1 [0003]
