DE10331396A1 - Verbrennungsmotor mit hydraulisch betätigtem Turbolader - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verbrennungsmotor ist eine Abgasturbine (2) in einem Abgastrakt (13) angeordnet, wobei ein an die Abgasturbine (2) angekoppelter Kompressor (11) im Ansaugtrakt (13) angeordnet ist. Im Bereich der Abgasturbine (2) ist ein mit Drucköl des Verbrennungsmotors betätigbares Waste-Gate (8) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor.
  • Solche Turbolader sind als Turbinenanordnung für den Zuluft- und Abgasbereich eines Verbrennungsmotors ausgebildet. Dabei ist eine Abgasturbine mit einem Kompressor gekoppelt, wobei die Abgasturbine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Der Kompressor ist im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angekoppelt und fördert diesem verdichtete Luft zu.
  • Zur Betätigung des Turboladers sind ein oder mehrere Abgasleitelemente sowie eine Betätigungseinrichtung für die Abgasleitelemente vorgesehen. Das Abgasleitelement kann dabei als Waste-Gate-Ventil ausgebildet sein, wie es in der DE 198 53 391 A1 gezeigt ist. Mit Turboladern ausgerüstete Verbrennungsmotoren sind gerade beim Einsatz in Ottomotoren stets nur sehr schwer zu regeln. Besonders bei Ottomotoren ist in niedrigen Leerlaufbereichen ein verminderter Wirkungsgrad zu beobachten. Deshalb wurden für deren Betrieb aufwendige Regelmechanismen und Regelstrategien erarbeitet, wie beispielsweise in der EP 0 277 466 B1 und in der US 4 732 003 .
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, der mit einer Turbinenanordnung ausgerüstet ist. Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung soll dabei einfach aufgebaut sein und eine gute Regelung bereitstellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen.
  • Die Erfindung sieht als Betätigungseinrichtung für das Abgasleitelement bzw. für die Abgasleitelemente einen hydraulischen Aktuator mit einem Druckölanschluss vor. Dabei weist die Abgasturbine Vorteilhafterweise ein mit Drucköl geschmiertes Lager auf, wobei der hydraulische Aktuator und das Lager einen zusammenhängenden Druckölanschluss aufweisen können, der mit einem Druckölvorrat am Verbrennungsmotor verbunden ist.
  • Mit der Erfindung lassen sich Motoren in der Leistung steigern, indem man sie mit Druckluft versorgt. Eine Möglichkeit dazu ist die erfindungsgemäße Turboaufladung. Dabei wird über das Abgas eine Turbine angetrieben, die wiederum einen Kompressor antreibt, der Druckluft liefert. Da Turbolader Strömungsmaschinen sind, die – anders als Kompressoren – nicht direkt bzw. unmittelbar von der Drehzahl des Motors abhängen, sondern vom Gasmassenstrom und dessen Temperatur, regelt man energetisch günstig und technisch einfach den Ladedruck durch Beeinflussung der über die Turbine fließenden Abgasmenge.
  • Dazu gibt es z. B. ein sogenanntes Waste-Gate, das eine Umgehungsleitung verschließen oder freigeben kann. Wenn das Waste-Gate geöffnet wird, fließt eine Teilmenge des Abgasstroms an der Turbine vorbei, die Drehzahl der Turbine nimmt ab und der Ladedruck sinkt.
  • Weiterhin gibt es verschiedene Konzepte von Turbinen mit variabler Geometrie, die durch Leitschaufeln den Abgasstrom in verschiedenen Winkeln auf die Turbine leiten können. Die Erfindung ermöglicht den Einsatz solcher Turbolader mit variabler Geometrie nicht nur für Dieselmotoren, sondern auch für Ottomotoren.
  • Das Waste-Gate wird bei aufgeladenen Ottomotoren herkömmlich mit Druckluft betätigt, die vom Turbosystem bereitgestellt wird. Bei Dieselmotoren wird die Regelung meist über Unterdruck vorgenommen, der von einer im Dieselmotor sowieso für die Bremsunterstützung vorhandenen Vakuumpumpe erzeugt wird. Diese Möglichkeit besteht beim Ottomotor i.a. nicht. Der für das Bremsen erforderliche Unterdruck entsteht zuverlässig im Saugrohr, weil gleichzeitig die Drosselklappe geschlossen wird.
  • Es hat sich ergeben, dass die erfindungsgemäße Betätigung der Regeleinrichtungen den bisher bekannten Möglichkeiten überlegen ist. Im Stand der Technik wird Druckluft, die der Lader selbst erzeugt hat, auf eine Druckdose geleitet, die mittels einer Membran die Regeleinrichtung bewegt.
  • Gemäß der Erfindung wird die Regeleinrichtung mit Öldruck betätigt. Dieser Druck wird elektronisch geregelt. Dazu befindet sich ein Ventil in der Leitung zur Betätigungsdose. Mit diesem Ventil lässt sich in einer Stellung Drucköl auf eine Membran oder einen hydraulischen Kolben leiten, in einer anderen Stellung wird das Drucköl aus der Betätigungsdose wieder abgelassen. Durch sogenanntes „Takten" des Ventils, also durch dau ernd wiederholtes Öffnen und Schließen, lässt sich der auf die Betätigungsdose wirkende Druck regeln. Damit ist dann eine Ladedruckregelung möglich.
  • Anders als bei den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist eine Regelung nicht erst dann möglich, wenn ein Mindest-Ladedruck vorhanden ist. Ein Öffnen des Waste-Gates im Bereich des Kennfeldes, in dem der Motor als Saugmotor oder mit sehr geringem Ladedruck arbeitet, ist mit der Erfindung erstmals auf einfache Weise möglich. Außerdem erfordert die Erfindung nicht mehr, dass eine im Durchmesser verhältnismäßig große Waste-Gate-Betätigungsdose verwendet wird, um auf möglichst niedrige Ladedrücke abregeln zu können.
  • Es hat sich herausgestellt, dass mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenanordnung auch Ottomotoren bereits bei geringer Drehzahl. gut geregelt werden können. Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis beruht dies darauf, dass mit einem öldruckbetriebenem Aktuator bereits bei niedrigen Drehzahlen eine zuverlässige und gute Betätigung der Abgasleitelemente möglich ist. Gerade bei Ottomotoren, die im niedrigen Drehzahlbereich nur einen geringen Unterdruck erzeugen, führte dies offenbar dazu, dass die Regelungseigenschaften der Abgasleitelemente bei niedriger Motordrehzahl verschlechtert sind, was durch die übrigen Elemente der Regelung des Turboladers nur schlecht oder gar nicht ausgleichbar ist.
  • Mit einem öldruckbetriebenem Aktuator ergeben sich bei herkömmlichen PKW-Motoren Drücke, die zur Regelung verwendet werden können, bereits bei einer Drehzahl von ca. 1.000 1/min bis 1.500 1/min. Bereits dort lässt sich eine zuverlässige Regelung erzielen. Dies begünstigt den Einsatz von Turboladern gerade bei Ottomotoren.
  • Hinzu kommt, dass besonders kleine Betätigungseinrichtungen genügen, weil der Öldruck eines Verbrennungsmotors um ein Vielfaches größer ist als der Luftdruck im Ansaugkanal, der zur Betätigung von Betätigungseinrichtungen des Standes der Technik verwendet wird. Dadurch können Betätigungselemente und Betätigungseinrichtungen mit Aktuatoren vorgesehen werden, deren Querschnitt nur 25 % bis zu 10 % des bisher benötigten Querschnittes aufweisen. Die Erfindung zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die Regelstrategie bei pneumatisch betätigten Betätigungseinrichtungen übernommen und für einen wesentlichen Teil des Motorkennfeldes deutlich freier ausgebaut werden kann. Es lässt sich eine Ladedruckregelung einführen, die bereits beim Motorstart ein geöffnetes Waste-Gate aufweist. Bei einem Abbau des Öldrucks, beispielsweise beim Abstellen des Motors, wird das Waste-Gate automatisch geschlossen.
  • Besonders viele neue Elemente sind bei der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik nicht erforderlich. Bei herkömmlichen Turboladern sind zahlreiche Komponenten bereits vorhanden, wie beispielsweise Ölzuleitungen oder Ölableitungen. Oft ist auch ein Taktventil vorgesehen. Diese Komponenten sind auch großserienmäßig erhältlich, wobei ein hydraulisches Betätigungselement typischerweise als kleiner Hydraulikzylinder ausgebildet ist. Nach der Erfindung ist es auch denkbar, eine Betätigungseinrichtung bzw. einen hydraulischen Aktuator der Erfindung direkt in das Lagergehäuse einer Turboeinheit zu integrieren. Dadurch sind die Zufuhr von Drucköl sowie die Abfuhr von entspanntem Öl leicht möglich.
  • Die geringen Baumaße empfehlen die Erfindung auch für Dieselmotoren, die mit einem Turbolader ausgestattet sind. Bei Kraftfahrzeugen mit einem Dieselmotor lässt sich sogar häufig eine separat vorgesehene Vakuumpumpe einsparen, wenn der Bremskraftverstärker des Kraftfahrzeugs elektrohydraulisch oder irgendwie anders ersetzt wird.
  • Die Erfindung ist auch einer Betätigung des Waste-Gates mit Elektromotoren überlegen. Dies erfordert sehr große E-Motoren für die erforderlichen Stellkräfte. Die Waste-Gate-Öffnung muss im Querschnitt so bemessen sein, dass die durchleitbare Gasmenge zu einem entsprechenden Absinken der Drehzahl des Laders und des korrespondierenden Ladedrucks führt. Bei hohem erforderlichen Ladedruck ist die Öffnung jedoch auch sicher zu verschließen. Dies erfolgt über eine passend dimensionierte Feder, die bei der Erfindung nicht unbedingt benötigt wird. Außerdem wird dauernd eine hohe elektrische Energie erforderlich, um das Waste-Gate in seiner Stellung gegen den Abgasdruck positioniert zu halten.
  • Die Erfindung lässt es anders als bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen am Ottomotor auf einfache Weise zu, dass im gesamten Kennfeldbereich eine willkürliche Positionierung des Waste-Gates vorgenommen wird. Die Erfindung ermöglicht es, zunächst die Drosselklappe zu öffnen, und den Betrieb mit Ladedruck allein über das Waste-Gate zu regeln. Mit geöffneter Drosselklappe läuft der Motor bis auf seinen Saugmotoransaugdruck, und erst darüber hinaus wird das Waste-Gate geschlossen, um Ladedruck aufzubauen. Dies ist mit der Erfindung anders als bei einer ladedruckbetätigten Ladedruckregelung erstmals möglich. Die Erfindung schlägt eine Ladedruckregelung mit Motoröldruck vor, der bei laufendem Motor immer vorhanden ist.
  • Bei der Erfindung kann der Aufbau der bekannten Regelung mit einem Waste-Gate im wesentlichen beibehalten werden. Nur wird anstelle des luftbetätigten Systems nun ein Hydraulik-Element vorgesehen. Das Waste-Gate wird mittels einer Feder in eine Endstellung gedrückt. Mit einem Ventil kann nun – genau wie bei der luftbetätigten Anordnung – Öldruck auf das Betätigungselement gegeben bzw. dieser in der anderen Stellung des Ventils wieder zurückgenommen werden.
  • Vorteilhafterweise kann das Motoröl für die Betätigung von der Ölzuleitung des Turboladers abgezweigt werden, da diese zur Versorgung des Turbinenlaufzeugs sowieso vorhanden ist. Auch das aus dem Betätigungselement abgelassene Öl kann die Ölablaufleitung des Turboladers mitbenutzen.
  • Die Erfindung verwendet ein Taktventil, das dem in dem bisher bekannten Druckluftsystem verwendeten Taktventil gleicht. Dabei hat das Taktventil unbestromt eine Stellung, mit der sichergestellt wird, dass bei einem Fehler in der elektrischen Ansteuerung das Waste-Gate geöffnet und der Verbrennungsmotor vor Überladung geschützt wird.
  • Das Taktventil beaufschlagt in seiner bestromten Stellung das Hydraulikelement so, dass das Waste-Gate schließt, es wird Ladedruck aufgebaut.
  • Ebenso ist ein System denkbar, bei dem das Waste-Gate in seiner Grundstellung durch eine Feder und/oder den Abgasdruck allein geöffnet wird. Dann wird es durch Öldruck geschlossen, und entsprechend müssen alle Taktventilstellungen umgekehrt aufgebaut sein.
    •
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
  • 1 zeigt eine teilweise perspektivische und teilweise schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung und
  • 2 zeigt die Turbinenanordnung aus 1 in teilweise aufgeschnittener Darstellung.
  • 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung 1, die an einem in dieser Ansicht nicht gezeigten Verbrennungsmotor angeordnet ist. Die Turbinenanordnung umfasst eine Abgasturbine 2, die besonders gut in 2 sichtbar ist, weil sie dort teilweise aufgeschnitten dargestellt ist. Die Abgasturbine 2 hat einen Abgaskrümmer 3, der mit den Auslasskanälen des Verbrennungsmotors verbunden ist. Der Abgaskrümmer 3 mündet in ein Abgasturbinengehäuse 4, in dem das Abgasturbinenrad 5 angeordnet ist. Das Abgasturbinengehäuse 4 mündet in einen Abgasturbinenauslass 6, der in ein in dieser Ansicht nicht gezeigtes Auspuffsystem eines nicht gezeigten Kraftfahrzeugs mündet.
  • Wie man besonders in 2 sieht, ist im Abgasturbinengehäuse 4 ein Bypass-Kanal 7 ausgebildet, der von einem Waste-Gate 8 verschließbar ist. Das Waste-Gate 8 ist dabei als Klappenventil ausgebildet, das um eine Drehachse drehbar ist. Zu Betätigung des Waste-Gates 8 ist ein Betätigungshebel 9 an der Drehachse befestigt. Der Betätigungshebel 9 stützt sich über eine Spiralfeder 10 gegen den Turbolader ab.
  • Die Turbinenanordnung 1 weist noch einen Kompressor 11 auf, der von der Abgasturbine 2 angetrieben wird. Der Kompressor 11 hat hierzu ein Kompressorgehäuse 12, das einen Ansaugkanal 13 und einen Ladeanschluss 14 aufweist. Der Kompressor 11 fördert Luft vom Ansaugkanal 13 komprimiert zum Ladeanschluss 14, von wo aus die komprimierte Luft dem Ansaugsystem des Verbren nungsmotors zugeführt wird. Die Turbinenanordnung 1 ist hinsichtlich der Abgasturbine 2 und des Kompressors 11 üblich ausgebildet. Eine in dieser Ansicht nicht gezeigte Turbinenwelle, auf der das Abgasturbinenrad 5 angeordnet ist, hat ein mit Drucköl geschmiertes Gleitlager 15. Das Gleitlager 15 wird über einen Druckölanschluss 16 mit unter Druck stehendem Schmieröl aus dem Verbrennungsmotor versorgt. Eine Rückführleitung 17 führt das entspannte Drucköl nach dem Durchtritt durch das Gleitlager 15 zurück in den Ölsumpf des Verbrennungsmotors, der in dieser Ansicht nicht gezeigt ist.
  • Im Bereich der Turbinenanordnung 1 ist noch ein Taktventil 18 vorgesehen, das als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist. Ein Eingangsanschluss 19 des Taktventils 18 ist dabei mit der Druckölleitung 16 verbunden. Ein Rückführanschluss 20 des Taktventils 18 ist mit der Rückführleitung 17 verbunden. Das Taktventil 18 hat noch einen Steuerungsanschluss 21, der mit einer Hydraulikdose 22 verbunden ist, wobei die Hydraulikdose 22 einen Kolben 23 aufweist, der über eine Kolbenstange 24 den Betätigungshebel 9 am Waste-Gate 8 betätigt. Das Taktventil 18 steht mit einer in dieser Ansicht nicht gezeigten Motorelektronik in Verbindung, und zwar derart, dass das Taktventil 18 betätigbar ist. Die Motorsteuerung kann dabei Signale eines Drucksensors im Ladeanschluss 14 verwerten, der in dieser Ansicht nicht gezeigt ist.
  • Im Betrieb arbeitet die Turbinenanordnung 1 wie folgt.
  • 1 zeigt dabei den Zustand bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor. In diesem Zustand ist der Rückführanschluss 20 aufgrund der Stellung des Taktventils 18 mit der Rückführleitung 17 verbunden. Der Steuerungsanschluss 21 des Taktventils 18 ist mit der Hydraulikdose 22 verbunden und macht diese drucklos. Das Hydrauliköl in der Hydraulikdose 22 wird aufgrund der Wirkung der Spiralfeder 10 durch den Kolben 23 in die Rückführleitung 17 zurückgefördert. Das Taktventil 18 wird durch die Motorsteuerung nicht betätigt.
  • Nun wird der Verbrennungsmotor angelassen, worauf sich in der Druckölleitung 16 ein Schmieröldruck aufbaut. Die durch die Turbinenanordnung 1 strömenden Gase bewirken eine Drehung der Welle des Turboladers. Dadurch wird den durch die Turbinenanordnung 1 strömenden Gasen ein unerwünscht hoher Widerstand entgegengesetzt. Um das Waste-Gate 8 zu öffnen und um den Verbrennungsgasen einen ungehinderten Durchtritt durch den Bypass-Kanal 7 zu gewähren, betätigt die Motorsteuerung das Taktventil 18 derart, dass der Eingangsanschluss 19 mit der Druckölleitung 16 verbunden wird. Das Drucköl tritt durch den Steuerungsanschluss 21 aus und in die Hydraulikdose 22 ein. Der Kolben 23 schiebt sich aus der Hydraulikdose 22 hinaus und drückt den Betätigungshebel 9 entgegen der Kraft der Spiralfeder 10 derart um seine Achse, dass sich das Waste-Gate 8 öffnet. Die Verbrennungsgase aus dem Abgaskrümmer 3 können nun den Bypass-Kanal 7 durchtreten, wodurch ein geringer Strömungswiderstand erzeugt wird. Gerade bei niedriger Drehzahl wird so ein guter Durchsatz von Gasen durch die Turbinenanordnung 1 ermöglicht.
  • Wenn nun bei höheren Drehzahlen am Ladeanschluss 14 eine Ansaugluft bereitgestellt werden soll, die einen gewissen Ladedruck aufweist, dann steuert das Taktventil 18 auf bekannte Weise die Hydraulikdose 22 so an, dass der Bypass-Kanal 7 durch das Waste-Gate 8 zumindest zeitweise verschlossen wird. Die Verbrennungsgase aus dem Abgaskrümmer 3 treten in die Abgasturbine 2 und veranlassen das Abgasturbinenrad 5 dazu, sich zu drehen. Dadurch wird der Kompressor 11 angetrieben, worauf unter Druck stehende Ansaugluft am Ladeanschluss 14 bereitgestellt wird.
  • Durch Variation der Taktung des Taktventils 18 kann der Bypass-Kanal 7 mit dem Waste-Gate 8 auf bekannte Weise geöffnet und verschlossen werden, so dass eine gewünschte Drehzahl des Abgasturbinenrads 5 erzeugt wird.
    • 1
    Turbinenanordnung
    2
    Abgasturbine
    3
    Abgaskrümmer
    4
    Abgasturbinengehäuse
    5
    Abgasturbinenrad
    6
    Abgasturbinenauslaß
    7
    Bypass-Kanal
    8
    Waste-Gate
    9
    Betätigungshebel
    10
    Spiralfeder
    11
    Kompressor
    12
    Kompressorgehäuse
    13
    Ansaugkanal
    14
    Ladeanschluß
    15
    Gleitlager
    16
    Druckölleitung
    17
    Rückführleitung
    18
    Taktventil
    19
    Eingangsanschluß
    20
    Rückführanschluß
    21
    Steuerungsanschluß
    22
    Hydraulikdose
    23
    Kolben
    24
    Kolbenstange

Claims (7)

  1. Turbinenanordnung (1) für den Zuluft- und Abgasbereich eines Verbrennungsmotors, die die folgenden Merkmale aufweist: – eine Abgasturbine (2) mit einem angekoppelten Kompressor (11), – ein oder mehrere Abgasleitelemente (8), – wenigstens eine Betätigungseinrichtung (9) für das bzw. die Abgasleitelemente (8), wobei die Betätigungseinrichtung (9) einen hydraulischen Aktuator (22) mit einem Druckölanschluss aufweist.
  2. Turbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasleitelement ein Waste-Gate-Ventil (8) oder wenigstens eine bewegliche Leitschaufel aufweist.
  3. Turbinenanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (2) ein Drucköl-geschmiertes Lager (15) aufweist, wobei der hydraulische Aktuator (22) und das Lager (15) einen zusammenhängenden Druckölanschluss (16) aufweisen.
  4. Turbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Aktuator eine Zylinderdose (22) mit einem darin verschieblichen Kolben (23) sowie ein Taktventil (18) aufweist.
  5. Verbrennungsmotor mit einem Abgastrakt und mit einem Ansaugtrakt (13) und mit einer Turbinenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abgasturbine (2) im Abgastrakt (13) angeordnet ist, wobei der an die Abgasturbine (2) angekoppelte Kompressor (11) im Ansaugtrakt (13) angeordnet ist und wobei der Druckölanschluss (19) des hydraulischen Aktuators (22) mit einer Druckölleitung (16) des Verbrennungsmotors verbunden ist.
  6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Aktuator (22) ein Taktventil (18) aufweist, das durch eine Motorsteuerung betätigbar ist, und wobei im Bereich des Ansaugtrakts (13, 14) ein mit der Motorsteuerung verbundener Ladedrucksensor vorgesehen ist.
  7. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 6.
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