DE10245388A1

DE10245388A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführeinrichtung

Info

Publication number: DE10245388A1
Application number: DE10245388A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. Schmid; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-09-28
Filing date: 2002-09-28
Publication date: 2004-04-08
Also published as: WO2004031552A3; WO2004031552A2

Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader auf, dessen Abgasturbine zwei separate Strömungsfluten mit unterschiedlichem Querschnitt besitzt, wobei jede Strömungsflut mit jeweils einer Abgasleitung zur Versorgung mit Abgas der Brennkraftmaschine verbunden ist. Weiterhin ist eine Abgasrückführeinrichtung mit einer Abgasrückführleitung vorgesehen, welche die der kleineren Strömungsflut zugeordnete Abgasleitung mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbindet. Die der größeren Strömungsflut zugeordnete Abgasleitung kommuniziert über eine Verbindungsleitung mit der Abgasrückführleitung, wobei in dieser Verbindungsleitung ein unidirektionales Strömungsventil angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Druckschrift DE 100 48 237 A1 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, deren Abgasturbine zwei Strömungsfluten unterschiedlichen Durchmessers aufweist, die über separate Abgasleitungen mit dem Abgas jeweils eines Teils der Zylinder der Brennkraftmaschine beaufschlagt werden. Die Strömungsfluten sind dem Turbinenrad vorgelagert, wobei das in die Strömungsfluten eingeführte Abgas über jeweils einen Strömungseintrittsquerschnitt dem Turbinenrad zugeführt wird, das daraufhin in Rotation versetzt wird und über eine Welle ein Verdichterrad antreibt, das Verbrennungsluft aus der Umgebung ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindereinlässen zugeführt wird. Zur Verbesserung des Abgasverhaltens kann über eine Abgasrückführeinrichtung insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang stromauf der Turbine in den Ansaugtrakt stromab des Verdichters geleitet werden. Hierfür zweigt von der Abgasleitung, die die kleinere der beiden Strömungsfluten mit Abgas versorgt, eine Abgasrückführleitung ab, in welcher ein einstellbares Sperrventil angeordnet ist.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen größeren Arbeits- bzw. Betriebsbereich zu ermöglichen, in welchem eine Abgasrückführung durchgeführt werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die teilnehmende Abgasmenge durch Kopplung der Stränge erhöht wird. Hierzu wird diejenige Abgasleitung, welche der größeren der beiden Strömungsfluten zugeordnet ist, über eine Verbindungsleitung entweder direkt oder indirekt mit der Rückführleitung verbunden, wobei in der Verbindungsleitung ein unidirektionales Strömungsventil angeordnet ist, beispielsweise ein Rückschlagventil oder ein Flatterventil, welches den Durchfluss von Abgas durch die Verbindungsleitung nur in Richtung der Rückführleitung freigibt. Das unidirektionale Strömungsventil sperrt dagegen in allen Betriebszuständen einen Rückfluss des Abgases über die Verbindungsleitung zurück in die Abgasleitung. Diese Ausführung ermöglicht es, Druckpulsationen in der der größeren Strömungsflut zugeordneten Abgasleitung trotz eines niedrigeren mittleren Druckniveaus in dieser Abgasleitung für das Überströmen von Abgas auf die Seite der kleineren Strömungsflut bzw. der Abgasrückführeinrichtung auszunutzen, sofern die Druckspitzen in der Abgasleitung der größeren Strömungsflut zeitweise den aktuell herrschenden Druck im Bereich der kleineren Strömungsflut übersteigen. Diese Druckspitzen führen in Kombination mit dem unidirektionalen Strömungsventil zu einem Überströmen von Abgas und einer Erhöhung des Drucks im Bereich der Abgasleitung der kleineren Strömungsflut bzw. der Abgasrückführeinrichtung. Das erhöhte Druckniveau und die teilnehmende, erhöhte Abgasmenge ermöglicht eine Abgasrück führung in einem größeren Betriebsbereich, als dies im Stand der Technik der Fall ist. Hierdurch kann das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden.

Als Strömungsventil wird zweckmäßig ein selbsttätig arbeitendes Ventil eingesetzt, insbesondere ein Rückschlagventil, welches lediglich in eine Richtung öffnet und in Gegenrichtung sperrt, bzw. ein Flatterventil, das ebenfalls unidirektional arbeitet. Steuernde Eingriffe zur Einstellung des Schaltzustandes des Ventiles sind nicht erforderlich.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführung liegt die Verbindungsleitung einschließlich dem darin angeordneten, unidirektionalen Strömungsventil zwischen den beiden Abgasleitungen für die größere und die kleinere Strömungsflut der Abgasturbine. Aufgrund des kleineren Querschnittes der kleineren Strömungsflut und des erhöhten Rückstauvermögens herrscht in diesem Teil des Abgasstranges ein höheres, mittleres Druckniveau als in dem der größeren Strömungsflut zugeordneten Teil des Abgasstranges. Die Druckpulsationen, welche sich in die Abgasleitung der größeren Strömungsflut ausbreiten, können in ihrem Spitzenwert den aktuellen Druckwert der gegenüberliegenden Abgasleitung übersteigen, wodurch ein Abgasübertritt über die Verbindungsleitung und das unidirektionale Strömungsventil ermöglicht wird. Da die Abgasrückführleitung von der Abgasleitung der kleineren Strömungsflut abzweigt, kommt das gesteigerte Druckniveau in der Abgasleitung der kleineren Strömungsflut auch der Abgasrückführung zugute.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführung ist die Verbindungsleitung zwischen der Abgasleitung der größeren Strömungsflut und unmittelbar der Rückführleitung der Abgasrückführeinrichtung angeordnet. Im Leitungsabschnitt zwischen der Abgasleitung der kleineren Strömungsflut und der Abgasrück führleitung kann ebenfalls ein unidirektionales Strömungsventil angeordnet sein, so dass die in dieser Abgasleitung herrschenden Druckspitzen ebenfalls in die Rückführleitung eingespeist werden und somit eine weitere Drucksteigerung in der Abgasrückführeinrichtung erzielt werden kann.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer zweiflutigen Abgasturbine und einer zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt angeordneten Abgasrückführeinrichtung, wobei zwischen zwei Abgasleitungen, die jeweils zu einer Strömungsflut der Abgasturbine geführt sind, eine Verbindungsleitung mit einem unidirektionalen Strömungsventil angeordnet ist,
2 eine 1 entsprechende Brennkraftmaschine, jedoch mit einer Verbindungsleitung einschließlich unidirektionalem Strömungsventil zwischen der Abgasleitung der größeren Strömungsflut und der Abgasrückführleitung,
3 eine Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Abgasturbine, wobei die Abgasleitungen zu den beiden Strömungsfluten über eine Verbindungsleitung mit unidirektionalem Strömungsventil verbunden sind, mit einer variablen Turbinengeometrie in der Abgasturbine.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 – ein Ottomotor oder ein Dieselmotor – ist ein Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 sowie einem Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 zugeordnet, wobei das Verdichterrad im Verdichter 5 über eine Welle 7 von einem Turbinenrad 8 in der Abgasturbine 3 angetrieben wird. Das Turbinenrad 8 wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine saugt der Verdichter 5 unter Umgebungsdruck p₁ stehende Verbrennungsluft an und verdichtet diese auf einen erhöhten Druck p₂. In einem stromab des Verdichters 5 im Ansaugtrakt 6 angeordneten Ladeluftkühler 9 wird die verdichtete Verbrennungsluft gekühlt und anschließend über eine Durchflussreguliereinrichtung 10 den Zylindern der Brennkraftmaschine unter dem Ladedruck p_2S zugeführt. Die Brennkraftmaschine 1 weist insbesondere v-Form auf und besitzt zwei Zylinderbänke bzw. Zylinderreihen 1a und 1b, deren Abgase über separate Abgasleitungen 4a und 4b, die jeweils Bestandteil des Abgasstranges 4 sind, zwei separaten Strömungsfluten 11a und 11b in der Abgasturbine 3 zugeführt werden. Der Abgasgegendruck in der in der Figur links dargestellten Abgasleitung ist mit p_3L, der Abgasgegendruck in der zweiten, rechten Abgasleitung mit p_3R bezeichnet.
Die beiden Strömungsfluten 11a und 11b in der Abgasturbine 3 sind dem Turbinenrad 8 vorgelagert. Das in die beiden Strömungsfluten 11a und 11b gelangende, unter Abgasgegendruck stehende Abgas wird über einen Strömungseintrittsquerschnitt auf die Turbinenschaufeln des Turbinenrades 8 geleitet und treibt dadurch das Turbinenrad an. Die beiden Strömungsfluten 11a und 11b weisen einen unterschiedlich großen Querschnitt auf, wobei die linke Strömungsflut 11a einen kleineren Quer schnitt besitzt als die rechte Strömungsflut 11b. Die beiden Strömungsfluten 11a und 11b sind durch eine zwischenliegende Trennwand 12 separiert, die die beiden Strömungsfluten druckdicht und strömungsdicht gegeneinander abteilt. Im Strömungseintrittsquerschnitt zwischen den Strömungsfluten 11a und 11b und dem Turbinenrad 8 ist eine variabel einstellbare Turbinengeometrie 13 angeordnet, über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine sowie der der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregate einstellbar ist. Die variable Turbinengeometrie ist im Ausführungsbeispiel als in den Strömungseintrittsquerschnitt einschiebbares Leitgitter ausgebildet, daneben kommen aber auch andere Ausführungen in Betracht, beispielsweise ein Leitgitter mit um eine Drehachse verstellbaren Leitschaufeln.
Des Weiteren ist eine Abgasrückführeinrichtung 14 vorgesehen, über die Abgas aus dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 in den Ansaugtrakt 6 stromab des Verdichters 5 überführt werden kann. Die Abgasrückführeinrichtung 14 umfasst eine Abgasrückführleitung 15, in welcher ein einstellbares Rückführventil 16 sowie ein Abgaskühler 17 angeordnet sind. Die Abgasrückführleitung 15 zweigt von der linken Abgasleitung 4a ab, welche der kleineren Strömungsflut 11a zugeordnet ist.
Sämtliche einstellbaren Aggregate sind über eine Regel- und Steuereinheit 18 in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 sowie der Aggregate selbst einzustellen.
Die beiden Abgasleitungen 4a und 4b sind stromauf der Abgasturbine 3 über eine Verbindungsleitung 19 verbunden, in welcher ein unidirektionales Strömungsventil 20 angeordnet ist, welches einen Übertritt von Abgas nur in einer Richtung ge stattet, nämlich von der Abgasleitung 4b, die der größeren Strömungsflut 11b zugeordnet ist, hin zur Abgasleitung 4a, die der kleineren Strömungsflut 11a zugeordnet ist. Im Bereich der Einmündung der Verbindungsleitung 19 in die Abgasleitung 4a kann ein Ejektor angeordnet sein, über den der Abgasfluss in die Abgasleitung 4a hinein unterstützt wird. Das unidirektionale Strömungsventil 20 ist als selbsttätig arbeitendes Ventil ausgebildet, welches keiner steuernden Einstellung bedarf. Es handelt sich bei dem Strömungsventil 20 beispielsweise um ein Rückschlagventil oder ein Flatterventil. Dieses Strömungsventil erlaubt einen Übertritt von Abgas aus der rechten Abgasleitung 4b in die linke Abgasleitung 4a für den Fall, dass durch Druckpulsationen erzeugte Druckspitzen in der Abgasleitung 4b den aktuellen Druck in der linken Abgasleitung 4a übersteigen. Hierdurch wird das Druckniveau, welches in der linken Abgasleitung 4a herrscht, gesteigert. Da von der linken Abgasleitung 4a die Abgasrückführleitung 15 der Abgasrückführeinrichtung 14 abzweigt, wird der Betriebsbereich, in welchem eine Abgasrückführung durchgeführt werden kann, verbreitert.
Gegebenenfalls kommt auch ein steuerbares bzw. einstellbares unidirektionales Strömungsventil 20 in Betracht, welches insbesondere in eine jeglichen Durchfluss sperrende Schließposition überführt werden kann.
Unmittelbar vor dem Eintritt der linken Abgasleitung 4a in die kleinere Strömungsflut 11a zweigt von der Abgasleitung eine Umgehungsleitung 21 ab, welche einen Bypass zur Abgasturbine 3 darstellt. Im Bereich der Abzweigung befindet sich ein einstellbares Ablassventil 22 in der Abgasleitung 4a, welches insbesondere bei höheren Motordrehzahlen in eine die Umgehungsleitung 21 öffnende Position geschaltet wird, so dass Abgas aus der Abgasleitung 4a unter Umgehung der Abga sturbine unmittelbar abgeleitet werden kann und unter dem entspannten Druck p₄ abgeführt wird.
In 2 ist eine modifizierte Ausführung dargestellt. Die Verbindungsleitung 19 zweigt stromab der Abgasturbine 3 von der rechten Abgasleitung 4b ab, die der größeren Strömungsflut 11b der Turbine zugeordnet ist, und mündet unmittelbar in die Abgasrückführleitung 15 stromab des Rückführventiles 16. Das Rückführventil 16, welches in einem Leitungsabschnitt zwischen der Abgasrückführleitung 15 und der linken Abgasleitung 4a für die kleinere Strömungsflut 11a angeordnet ist, kann ebenfalls als unidirektionales Strömungsventil ausgebildet sein, beispielsweise als Rückschlagventil oder als Flatterventil, so dass über das Abgasrückführventil 16 Druckspitzen durchgelassen und in die Abgasrückführleitung 15 übertragen werden, welche in der linken Abgasleitung 4a anliegen und den aktuell herrschenden Druck in der Abgasrückführleitung 15 übersteigen. Über die Verbindungsleitung 19 werden zusätzliche Druckspitzen aus der rechten Abgasleitung 4b in die Abgasrückführleitung 15 übertragen, welche ebenfalls den in der Abgasrückführleitung 15 aktuell herrschenden Druck übersteigen.
Die Druckregulierung in der linken Abgasleitung 4a kann über die Einstellung des Ablassventiles 22 und die Umgehungsleitung 21 erfolgen. Durch Öffnen des Ablassventiles 22 kann zumindest ein Teilstrom des Abgases in der linken Abgasleitung 4a unter Umgehung der Abgasturbine abgeleitet werden. Es kann aber auch zweckmäßig sein, das Rückführventil 16 aus der Abgasrückführeinrichtung 14 einstellbar auszuführen und in Abhängigkeit des aktuellen Zustandes der Brennkraftmaschine zu öffnen und zu schließen.
In der Ausführung gemäß 3 ist die Verbindungsleitung 19 zwischen den beiden Abgasleitungen 4a und 4b angeordnet. Das unidirektionale Strömungsventil 20 erlaubt einen Durchfluss von Abgas von der rechten Abgasleitung 4b ausgehend hin zur linken Abgasleitung 4a. Die Regulierung des in den Ansaugtrakt 6 zu überführenden Abgasmassenstromes erfolgt mit Hilfe des einstellbaren Rückführventiles 16 in der Abgasrückführleitung 15.
Die Abgasturbine 3 ist ebenfalls mit einer variablen Turbinengeometrie 13 ausgestattet, die jedoch im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sich auf den Strömungseintrittsquerschnitt von der größeren Strömungsflut llb zum Turbinenrad 8 beschränkt, wohingegen im Strömungseintrittsquerschnitt der kleineren Strömungsflut 11a zum Turbinenrad 8 ein Gitter 23 mit einer Festgeometrie angeordnet ist. Die variable Turbinengeometrie 13 ist als Leitgitter mit verstellbaren, um jeweils eine Drehachse verschwenkbaren Leitschaufeln ausgeführt. Diese Aufteilung der Strömungseintrittsquerschnitte mit variabler Turbinengeometrie einerseits und Festgeometrie andererseits ermöglicht eine Funktionsaufteilung, indem die größere Strömungsflut 11b mittels der Einstellung der variablen Turbinengeometrie 13 maßgeblich die Turbinendrehzahl beeinflusst, wohingegen die kleinere Strömungsflut 11a durch den Aufstau des Abgasgegendruckes für ein vergleichsweise hohes Druckniveau sorgt, das für die Abgasrückführung genutzt werden kann. Über die Verbindungsleitungen 19 und das Strömungsventil 20 können zwischen den beiden Abgasleitungen 4a und 4b Druckspitzen übertragen werden.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführeinrichtung, wobei die Abgasturbine (3) zwei separate, dem Turbinenrad (8) vorgelagerte Strömungsfluten (11a, 11b) mit unterschiedlichem Querschnitt aufweist und jede Strömungsflut (11a, 11b) mit jeweils einer Abgasleitung (4a, 4b) zur Versorgung mit Abgas der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist, und wobei eine Abgasrückführleitung (15) der Abgasrückführeinrichtung (14) die der kleineren Strömungsflut (11a) zugeordnete Abgasleitung (4a) mit dem Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1) verbindet, dadurch gekennzeichnet , dass die der größeren Strömungsflut (11b) zugeordnete Abgasleitung (4b) über eine Verbindungsleitung (19) mit der Abgasrückführleitung (15) kommuniziert, wobei in der Verbindungsleitung (19) ein unidirektionales Strömungsventil (20) in der Weise angeordnet ist, dass der Durchfluss von der der größeren Strömungsflut (11b) zugeordneten Abgasleitung (4b) in Richtung Abgasrückführleitung (15) erfolgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsventil (20) als selbsttätig arbeitendes Ventil ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsventil (20) als Flatterventil ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Verbindungsleitung (19) die Abgasleitung (4b) für die größere Strömungsflut (11b) mit der Abgasleitung (4a) für die kleinere Strömungsflut (11a) verbindet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (19) die Abgasleitung (4b) für die größere Strömungsflut (11b) mit der Abgasrückführleitung (15) verbindet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (19) stromab eines Rückführventils (16) in die Abgasrückführleitung (15) einmündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführventil (16) in der Abgasrückführleitung (15) als Flatterventil ausgeführt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der der kleineren Strömungsflut (11a) der Abgasturbine (3) zugeordneten Abgasleitung (4a) ein steuerbares Abblaseventil (22) angeordnet ist.