DE10357925A1

DE10357925A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung

Info

Publication number: DE10357925A1
Application number: DE10357925A
Authority: DE
Inventors: Alfred KÜSPERT
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-07-28
Also published as: WO2005061870A1

Abstract

Bekannte Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader und Abgasrückführung weisen einen Schieber oder eine variable Turbinengeometrie auf, bei der zur Regelung der Motorbremsleistung eine Anpassung der Abgasmenge auf ein Turbinenrad des Abgasturboladers vorgenommen wird. DOLLAR A Zur einfachten Bauweise und verbesserten Steuerung wird eine Brennkraftmaschine (1) mit Abgasturbolader (2) und Abgasrückführung vorgeschlagen, bei welcher der Abgasturbolader (2) eine Abgasturbine (3) umfasst, die zwei separate, einem Turbinenrad (5) der Abgasturbine (3) vorgelagerte Strömungsfluten (14, 15) mit unterschiedlichem Querschnitt aufweist und jede Strömungsflut (14; 15) mit jeweils einer Abgasleitung (20; 21) zur Versorgung mit Abgas verbunden ist, wobei zur Abgasrückführung eine Abgasrückführleitung (35) von der kleineren Strömungsflut (14) zu einem Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1) führt. In einer beide Abgasleitungen (20, 21) stromauf der Strömungsfluten (14, 15) verbindenden Überbrückungsleitung (25) ist ein erstes, den Durchfluss steuerndes Steuerelement (30) und in der der größeren Stromungsflut (15) zugeordneten zweiten Abgasleitung (21) ein zweites, den Durchfluss steuerndes Steuerelement (31) vorgesehen, wobei mittels beider Steuerelemente (30, 31) eine entsprechende Beaufschlagung der einzelnen Fluten (14, 15) mit Abgas zur Anpassung an verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine (1) erfolgt. DOLLAR A Die Erfindung ist für Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung und ...

Description

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist bereits ein Abgasturbolader bekannt ( DE 199 24 228 C2 ), dessen Turbinengehäuse zweiflutig ausgebildet ist. Die Regelung der Abgaszuführung auf ein Turbinenrad der Abgasturbine erfolgt über einen Axialschieber, welcher eine der Fluten vollständig überdecken kann, so dass die Abgaszuführung über eine stromaufwärts befindliche Flutverbindung über eine einzige Flut auf das Turbinenrad erfolgt. Eine derartige Steuerung der Abgasmenge ist im nichtbefeuerten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine üblich, in welchem die Brennkraftmaschine als Motorbremse (Turbobrake) wirken soll. Die im Motorbremsbetrieb relativ geringe Abgasmenge wird über die kleinere Flut dem Turbinenrad zugeführt, die dem geringeren Abgasstrom mit ihrem Eintrittsquerschnitt entsprechend dimensioniert ist, so dass eine relativ hohe Drehzahl des Turbinenrades und eines über eine Welle mit dem Turbinenrad verbundenen Verdichters aufrecht erhalten werden kann. Durch die relativ hohe Drehzahl des Verdichterrades ergibt sich auch im Motorbremsbetrieb eine Verdichtung der angesaugten Luft und damit entsprechende Motorbremsleistung.

Ferner ist es bekannt, anstelle der erwähnten Schieberlösung, Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie auszustatten, zum Beispiel in Form eines verstellbaren, radialen Leitgitters, welches dann bedarfsweise eine Absperrung einer Flut vornimmt. Möglich ist auch, den Schieber mit starrem Leitgitter zu versehen, welches dann in die Abgasflut eingebracht wird. Das Vorsehen der variablen Turbinengeometrie sowie eines Schiebers ist aber aufwendig und benötigt zudem Bauraum.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine einfache Anpassung des Turboladers an die verschiedenen Betriebszustände der Brennkraftmaschine, insbesondere im Abgasrückführungsbetrieb und im Motorbremsbetrieb, erfolgen kann, wobei auf den Einsatz von variablen oder starren Leitschaufeln vor der Turbine bzw. eines Schiebers im Turbinengehäuse verzichtet werden kann. Vorteilhafterweise ist dabei eine gute Regelung der Strömung auf die Turbine möglich, bei welcher das Aufstauverhalten an der Abgasturbine besser an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst werden kann.

Vorteilhafterweise ergibt sich durch den Entfall des Schiebers bzw. von zusätzlichen Leitschaufeln an der Turbine ein vereinfachter, kostengünstiger Aufbau des Abgasturboladers.

Durch die in Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung möglich.

Zur Verbesserung des Abgasverhaltens der Brennkraftmaschine, insbesondere zur NO_x-Reduktion, ist die Abgasrückführung zur Rückführung von Abgas aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt vorgesehen, bei der in Abhängigkeit von Zustandsgrößen und Betriebsparametern der Brennkraftmaschine sich in einfacher Art und Weise die Höhe des rückgeführten Abgasmassenstroms einstellen lässt. Vorteilhaft ist dabei, dass durch ein erstes Steuerelement und ein zweites Steuerelement sich sehr variabel eine Einstellung eines gewünschten Aufstaudrucks an der Turbine erzielen lässt, wodurch sich neben der Motorbremsleistung auch die Abgasrückführrate gut einstellen lässt.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Zeichnung zeigt in schematisch vereinfachter Darstellungsweise eine Brennkraftmaschine 1, bei der es sich um einen Dieselmotor mit Motorbremse, insbesondere zum Einsatz für Nutzfahrzeuge, handelt. Die Erfindung ist prinzipiell aber auch auf Ottomotoren übertragbar. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 im Abgasstrang 4 auf. Die Turbine 3 besitzt ein Turbinenrad 5, welches als Radialturbine ausgebildet ist und die Bewegung des Turbinenrades 5 über eine Welle 7 auf ein Verdichterrad 8 eines Verdichters 9 überträgt. Die Turbine 3 weist ein Turbinengehäuse auf, welches zweiflutig mit zwei Fluten 14, 15 bzw. Einströmkanälen 16, 17 ausgebildet ist. Die beiden Fluten 14, 15 bzw. Einströmkanäle 16, 17 sind durch eine gehäusefeste Trennwand 18 des Turbinengehäuses voneinander getrennt.
Über jede Flut 14, 15 bzw. Einströmkanal 16, 17 ist das Abgas separat zu dem Turbinenrad 5 zuführbar. Die Abgaszuführung erfolgt über den Abgasstrang 4, der in zwei unabhängig voneinander ausgebildete Abgasleitungen, eine erste Abgasleitung 20 und eine zweite Abgasleitung 21, aufgeteilt ist. Die erste Abgasleitung 20 ist der ersten Flut 14 und die zweite Abgasleitung 21 ist der zweiten Flut 15 zugeordnet. Jede Abgasleitung 20, 21 ist einer definierten Anzahl von Zylinderauslässen der Brennkraftmaschine zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 1 sechs Zylinder auf, wobei eine erste Zylinderbank 23, drei Zylinder und eine zweite Zylinderbank 24, ebenfalls drei Zylinder aufweist. Denkbar ist neben der gleichförmigen Aufteilung der Zylinderbänke auch eine ungleichförmige. Die erste Abgasleitung 20 führt von der hier zugeordneten Zylinderbank 23 zum ersten Einströmkanal 16 der ersten Flut 14. Die zweite Abgasleitung 21 führt von der ihr zugeordneten zweiten Zylinderbank 24 zum zweiten Einströmkanal 17 der zweiten Flut 15.
Zwischen den beiden Abgasleitungen 20, 21 ist stromauf der Turbine 3 eine beide Abgasleitungen 20, 21 verbindende Überbrückungsleitung 25 vorgesehen. In der Überbrückungsleitung 25 ist ein erstes Steuerelement 30 untergebracht, welches den Abgasstrom in der Überbrückungsleitung 25 steuern kann. Das erste Steuerelement 30 ist zum Beispiel als den Durchfluss steuerndes Ventil oder als einstellbares Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet. In Offenstellung des ersten Steuerelements 30 ist ein Überströmen mit Druckausgleich zwischen den Abgasleitungen 20, 21 möglich. Hingegen erfolgt in einer Schließstellung kein Druckausgleich zwischen den Abgasleitungen 20, 21. Weiterhin ist in der zweiten Abgasleitung 21 stromauf zur Turbine 3 und stromab einer Einleitstelle 26 zur Überbrückungsleitung 25 ein zweites Steuerelement 31 untergebracht, welches ebenfalls als den Durchfluss steuerndes Ventil oder als Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet ist. In Offenstellung des zweiten Steuerelements 31 ist ein Abgasstrom von der zweiten Zylinderbank 24 zur zweiten Flut 15 möglich. In Schließstellung des zweiten Steuerelements 31 erfolgt keine Abgaszuführung zur zweiten Flut 15.
Außerdem weist die Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführung auf, die eine Rückführleitung 35, gegebenenfalls einen Abgaskühler 36 und ein drittes Steuerelement 32 umfasst. Das dritte Steuerelement 32 kann als ein den Durchfluss steuerndes Ventil oder als Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet sein und ist stromauf der ersten Flut 14 und zum Beispiel stromauf des Abgaskühlers 36 in der Rückführleitung 35 angeordnet. Vorzugsweise ist eine Ausbildung des dritten Steuerelements 32 als Schaltventil vorgesehen, das keine Zwischenstellung, sondern nur eine Offen- und eine Schließstellung einnehmen kann. Die Rückführleitung 35 mündet in einen Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine 1 stromab eines Ladeluftkühlers 37 für die Ansaugluft. Der Ansaugtrakt 6 umfasst den Verdichter 9 mit dem Verdichterrad 8, der Umgebungsluft mit dem Druck p1 ansaugt und auf ein erhöhten Druck p2 verdichtet. Stromab des Verdichters 9 ist im Ansaugtrakt 6 der Ladeluftkühler 37 angeordnet, der von der verdichteten Luft durchströmt wird. Nach dem Verlassen des Ladeluftkühlers 37 weist die Luft den Ladedruck p2S auf, mit dem sie gegebenenfalls mit vermischtem Abgas aus der Überbrückungsleitung 25 in den Zylindereinlass der Brennkraftmaschine 1 eingeleitet wird.
Vom Zylinderauslass herrscht in der ersten Abgasleitung 20, die der ersten Zylinderbank 23 zugeordnet ist, der Abgasgegendruck p31; in der zweiten Abgasleitung 21, die der zweiten Zylinderbank 24 zugeordnet ist, liegt der Abgasgegendruck p32 an. In der Turbine 3 wird das Abgas auf den niedrigen Druck p4 entspannt und im weiteren Verlauf schließlich in die Umgebung abgeblasen.
Die zweite, größere Flut 15 wird so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass ein gewünschter Ladedruck im befeuerten Betrieb erzielt werden kann. Die erste, kleinere Flut 14 wird so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass eine geforderte Abgasrückführrate erzielt werden kann, wobei eine bestimmte Motorbremsleistung im Motorbremsbetrieb gewährleistet wird. Das Verhältnis des Eintrittsquerschnittes bzw. Halsquerschnittes von erster Flut 14 pro 1 l Hubvolumen der Brennkraftmaschine 1 sollte dabei in einem Bereich von 0.15 cm²/l bis 0.40 cm²/l liegen.
Im Abgasrückführungsbetrieb in der befeuerten Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird das dritte Steuerelement 32 der Abgasrückführung in eine Offenstellung versetzt, damit Abgas vornehmlich aus der ersten Abgasleitung 20 in den Ansaugtrakt 6 überströmen kann. Um ein die Abgasrückführung ermöglichendes Druckgefälle mit einem den Ladedruck p2S übersteigenden Abgasgegendruck p31 in der ersten Abgasleitung 20 zu gewährleisten, wird das zweite Steuerelement 31 der zweiten Abgasleitung 21 ebenfalls in eine Offenstellung versetzt. Der Druck in der ersten Abgasleitung 20 p31 ist größer als der Druck der zweiten Abgasleitung 21 p32. Das erste Steuerelement 30 kann daher zur Variation der Rückführrate für die Abgasrückführung eingesetzt werden. So lässt sich in Schließstellung des ersten Steuerelements 30 eine maximale Abgasrückführrate erzielen, da p31 dann seinen maximalen Wert hat. In Offenstellung des ersten Steuerelements 30 ergibt sich hingegen eine minimale Abgasrückführrate aufgrund des stattfindenden Druckausgleichs zur zweiten Abgasleitung 21. Durch entsprechende Variation der Stellung des ersten Steuerelements 30 bzw. des Durchflusses in der Überbrückungsleitung 25 kann eine entsprechende Abgasrückführrate eingestellt werden.
Im Motorbremsbetrieb hingegen wird das erste Steuerelement 30 dauerhaft in eine Offenstellung gebracht, so dass ein Durchfluss in der Überbrückungsleitung 25 erfolgen kann. Das zweite Steuerelement 31 in der zweiten Abgasleitung 21 ist vorgesehen, um variabel seine Stellung bzw. den Durchfluss in der zweiten Abgasleitung 21 verändern zu können. Das dritte Steuerelement 32 befindet sich während des Motorbremsbetriebs dauerhaft in seiner Schließstellung, so dass keine Abgasrückführung erfolgt.
In der Schließstellung des variablen zweiten Steuerelements 31 kann kein Abgas durch die zweite Flut 15 auf das Turbinenrad 5 gelangen. Die gesamte Abgasmenge muss daher durch die kleine Flut 14 zum Turbinenrad 5 strömen, wodurch sich durch den sich dann einstellenden maximalen Abgasdruck p31 eine hohe Drehzahl des Turbinenrades 5 bzw. des verbundenen Verdichterrades 8 ergibt, was zu einem maximalen Ladedruck des Verdichters 9 und damit zur maximalen Bremsleistung im Motorbremsbetrieb führt. Durch entsprechende Variation der Stellung des zweiten Steuerelements 31 bzw. der Durchflussmenge in der zweiten Abgasleitung 21 lässt sich die Bremsleistung in einfacher Art und weise entsprechend variieren bzw. einstellen. In Schließstellung des zweiten Steuerelements 31 ist es somit möglich, sehr hohe Motorbremsleistungen durch eine starke Anhebung des Abgasgegendrucks p31 zu erzielen, ohne dabei die kritische Drehzahlgrenze des Abgasturboladers 2 zu überschreiten. Vorteilhaft ist dabei, dass durch das erste Steuerelement 30 und das zweite Steuerelement 31 sich sehr variabel eine Einstellung eines gewünschten Aufstaudrucks p31 an der Förderturbine 3 erzielen lässt, wodurch sich die Motorbremsleistung gut einstellen lässt.
In einer nicht näher dargestellten Ausführungsweise können zur weiteren Bauraumoptimierung das erste Steuerventil 30 und das zweite Steuerventil 31 und gegebenenfalls auch das dritte Steuerventil 32 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Denkbar ist auch eine entsprechende konstruktive Lösung in Form eines mehrfunktionalen Ventils oder Drosselorgans.
Sämtliche Steuerelemente 30, 31, 32 können über Stellsignale, die in einer nicht näher dargestellten Regel- und Steuereinrichtung, zum Beispiel einem elektronischen Motorsteuergerät, erzeugbar sind, in ihre gewünschte Position verstellt werden, um so eine Steuerung der Durchflussmenge zu ermöglichen.

Claims

Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung, wobei der Abgasturbolader eine Abgasturbine umfasst, die zwei separate, einem Turbinenrad der Abgasturbine vorgelagerte Strömungsfluten mit unterschiedlichem Querschnitt aufweist und jede Strömungsflut mit jeweils einer Abgasleitung zur Versorgung mit Abgas verbunden ist, wobei zur Abgasrückführung eine Abgasrückführleitung von der kleineren Strömungsflut zu einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine führt, dadurch gekennzeichnet, dass in einer beide Abgasleitungen (20, 21) stromauf der Strömungsfluten (14, 15) verbindenden Überbrückungsleitung (25) ein erstes, den Durchfluss steuerndes Steuerelement (30) und in der der größeren Strömungsflut (15) zugeordneten zweiten Abgasleitung (21) ein zweites, den Durchfluss steuerndes Steuerelement (31) vorgesehen ist, wobei mittels beider Steuerelemente (30, 31) eine entsprechende Beaufschlagung der einzelnen Fluten (14, 15) mit Abgas zur Anpassung an verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine (1) erfolgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (30, 31) als den Durchfluss steuernde Ventile oder als einstellbare Drosselorgane bzw. Klappen ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Eintrittsquerschnittes bzw. Halsquerschnittes von erster Flut (14) pro 1 lHubvolumen der Brennkraftmaschine (1) in einem Bereich von 0.15 cm²/l bis 0.40 cm²/l liegt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (35) ein drittes Steuerventil (32) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Steuerelement (32) als ein den Durchfluss steuerndes Ventil oder als einstellbares Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Steuerelement (32) als Schaltventil ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasrückführungsbetrieb das zweite und das dritte Steuerelement (31, 32) eine Offenstellung einnimmt, wobei das erste Steuerelement (30) eine variable Stellung einnehmen kann.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine (1) das erste Steuerelement (30) eine Offen- und das dritte Steuerelement (32) eine Schließstellung einnimmt, wobei das zweite Steuerelement (31) eine variable Stellung einnehmen kann.