DE19526327A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Verfahren zur Beschleunigung des Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Verfahren zur Beschleunigung des Abgasturboladers einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader nach der Gattung
des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Beschleunigung des Abgasturboladers einer
Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruches 7.
Aus der DE 35 04 465 C1 ist eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader bekannt,
bei der das Verdichterrad des Abgasturboladers außer mit einer Normalbeschaufelung
mit einer Zusatzbeschaufelung versehen ist, die mit einem gerichteten Druckluftstrahl
beaufschlagbar ist. Mit Hilfe dieser Druckluftbeaufschlagung der Zusatzbeschaufelung
soll eine verbesserte Beschleunigung des Abgasturboladers insbesondere beim Anlauf
erreicht werden. Zur Erzeugung des Druckluftstrahls wird ein Druckluftbehälter von
einem Kompressor aufgeladen, der mit einer auf die Zusatzbeschaufelung
ausgerichteten Düse verbindbar ist. Im Bedarfsfall wird die Zusatzbeschaufelung am
Verdichterrad über die ausgerichtete Düse von der im Druckluftspeicher gespeicherten
Luft angeströmt.
Aus der DE 43 16 761 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Beschleunigung eines
Abgasturboladers bekannt, bei dem in einer Beschleunigungsphase der
Brennkraftmaschine ein Ausgang des mit dem Abgasstrom beaufschlagten
Turbinengehäuses an seiner Ausgangsseite zusätzlich kurzzeitig mit einem
Unterdruckbehälter verbunden werden kann. Durch das Druckgefälle am Turbinenrad
wird damit eine verbesserte Beschleunigung erzielt. Dazu ist ein mit dem
Turbinengehäuse verbindbarer Unterdruckbehälter erforderlich, der mit der Saugseite
eines am Kraftfahrzeug oder der Brennkraftmaschine vorhandenen oder zusätzlichen
Kompressors verbunden ist.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachem
Aufbau und auf energetisch günstige Weise eine verbesserte Beschleunigung des
Abgasturboladers inbesondere in der Hochlaufphase zu erreichen. Dabei soll
insbesondere auf einen zusätzlichen Kompressor oder die Zusatzbelastung eines
vorhandenen Kompresseors verzichtet werden.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 7
gelöst.
Eine deutliche Verbesserung des Hochlaufverhaltens des Abgasturboladers wird
dadurch erreicht, daß das Turbinenrad des Abgasturboladers zusätzlich zur
herkömmlichen Beaufschlagung mit Verbrennungsabgasen aus dem Abgasstrang mit
dem aus einem Druckspeicher gespeisten, zuvor gespeicherten Gasstrom aus dem
Brennraum mindestens eines Zylinders der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist.
Durch die Beaufschlagung des Düsenelementes bzw. des Turbinenrades mit dem
gespeicherten Verdichtungs- bzw. Verbrennungsdruck kann auf einen zusätzlichen
drucklufterzeugenden Kompressor verzichtet werden. In Betriebsphasen der
Brennkraftmaschine, in denen eine Unterstützung des Abgasturboladers bzw. des
Turbinenrades nicht erforderlich ist, wird ein Druckspeicher mit dem unter Druck
stehenden Gas mindestens eines Zylinders der Brennkraftmaschine aufgeladen. Aus
diesem Druckspeicher kann dann bei Beschleunigungsphasen bzw. beim Anlauf des
Abgasturboladers das Turbinenrad über das Düsenelement zusätzlich zum
anliegenden Abgasstrom mit dem expandierenden, zuvor gespeicherten Gas
beaufschlagt werden. Damit ist ein wesentlich schnelleres Hochlaufen möglich.
Das Düsenelement zur zeitweisen Beaufschlagung des Turbinenrades ist dabei
vorteilhafterweise mit dem Zylinderkopf mindestens eines Zylinders verbunden. In der
Leitungsverbindung zum Düsenelement ist dabei ein Rückschlagventil angeordnet das
ein Rückströmen des Gases in den Zylinder verhindert, so daß Einflüsse durch
rückströmende Gase auf den Ladungswechsel und den Verbrennungsablauf vermieden
werden.
Eine zusätzliche Beaufschlagung des Turbinenrades über das Düsenelement erfolgt in
vorteilhafter Weise so, daß nur beim Anlauf bzw. in der Beschleunigungsphase des
Abgasturboladers diese Zusatzbeaufschlagung erfolgt. Dazu ist in der Verbindung
zwischen dem Düsenelement und dem Zylinder bzw. dem Zylinderkopf ein Steuerventil
angeordnet, das in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine
steuerbar ist und somit nur in definierten Betriebsphasen eine Zusatzbeaufschlagung
des Abgasturboladers erfolgt.
Ein besonders einfacher und platzsparender Aufbau ergibt sich, wenn das Steuerventil
am Düsenelement angeordnet ist und die Verbindungsleitung zwischen Düsenelement
und Zylinder im Querschnitt so ausgebildet ist, daß die Leitung als Druckspeicher wirkt.
Die Beaufschlagung des Turbinenrades über das Düsenelement erfolgt in vorteilhafter
Weise so, daß das Steuerventil am Düsenelement geöffnet wird, wenn die
Drosselklappe (Drosselelement) zur Regelung der Verbrennungsluftzufuhr eine
definierte Öffnungsstellung überschreitet bzw. erreicht und gleichzeitig das
Abblasventil (waste-gate) noch geschlossen ist. Die Öffnungszeit bzw. Öffnungsdauer
des Steuerventils kann jedoch auch ohne weiteres fest vorgegeben sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und
Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit
Abgasturbolader und in
Fig. 2 stark vereinfacht Teile des Zylinderkopfes und des Abgasturboladers.
Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Brennkraftmaschine 1 ist - ohne
Beschränkung auf diese Ausführungsform - als Reihenmotor mit vier Zylindern
ausgebildet. Die Auslaßkanäle 2 der Brennkraftmaschine sind über eine Abgasleitung 3
mit einem Abgasturbolader 4 verbunden. Die Abgase der Abgasleitung 3
beaufschlagen das im Turbinenteil 5 des Abgasturboladers 4 befindliche Turbinenrad
6 und gelangen von dort in die nachgeschaltete, nicht näher dargestellte Abgasleitung
7. Von der zum Turbinenteil 5 führenden Abgasleitung 3 zweigt eine Bypassleitung 8
ab, die unter Umgehung des Turbinenteils 5 in die weiterführende Abgasleitung 7
mündet. In der Bypassleitung 8 ist ein an sich bekanntes Abblasventil 9 (waste-gate)
angeordnet, über das auf an sich bekannte Weise der Ladedruck regelbar ist. Das
Turbinenrad 6 des Abgasturboladers 4 ist über eine gemeinsame Welle 10 mit dem im
Verdichterteil angeordneten, nicht näher dargestellten Verdichterrad verbunden. Durch
das Verdichterrad wird Ansaugluft aus der Sauganlage 12 der Brennkraftmaschine
angesaugt und nach dem Verdichten über eine Saugleitung 13 mit gemeinsamen
Drosselelement 14 zu den Einlaßkanälen 15 gefördert, die in die Zylinder 16 münden
Das Drosselelement 14 ist eine an sich bekannte Drosselklappe, die in diesem
Ausführungsbeispiel dem Verdichterteil 11 nachgeschaltet ist und die
Verbrennungsluftzufuhr zu den Einlaßkanälen 15 bzw. den Zylindern 16 regelt. Eine
vorgeschaltete Anordnung des Drosselelementes ist ohne weiteres möglich.
Im Bereich des in Fig. 1 dargestellten unteren Zylinders 16 wird die Wand des
Zylinderkopfes 18 von einer Bohrung 19 durchdrungen, die in den Brennraum 20
mündet. Die Bohrung 19 ist mit einer Druckleitung 21 verbunden, die wiederum an
einem Düsenelement 22 mündet, welches auf das Turbinenrad 6 des
Abgasturboladers 4 gerichtet ist. In der Druckleitung 21 ist im Bereich des
Zylinderkopfes ein Rückschlagventil 23 angeordnet, das bei einem positivem
Differenzdruck (Brennraumdruck < Speicherdruck) öffnet und bei einem negativen
Differenzdruck (Brennraumdruck < Speicherdruck) schließt. Am Düsenelement 22 ist
ein Steuerventil 24 angeordnet, das in einer ersten Schaltstellung (Neutralstellung) das
Düsenelement 22 bzw. dessen Zuleitung verschließt und in einer zweiten
Schaltstellung die Verbindung zur Druckleitung 21 öffnet.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine ist das Düsenelement 22 durch das Steuerventil
24 in dessen Neutralstellung verschlossen, so daß das Turbinenrad 6 nur durch die
Verbrennungsabgase beaufschlagt wird. Die Druckleitung 21 ist über das
Rückschlagventil 23 mit dem Brennraum 20 des Zylinders 16 verbunden, so daß sich
ein Druck aufbaut, der dem maximalen Gasdruck im Zylinder 16 entspricht. Ein
Rückströmen von Verbrennungsgasen in den Brennraum 20 wird durch das
Rückschlagventil 23 verhindert.
Soll insbesondere beim Hochlauf des Abgasturboladers dessen Beschleunigung
erhöht werden, wird das Steuerventil 24 in seine zweite Schaltstellung
(Öffnungsstellung) geschaltet, so daß das in der Druckleitung 21 gespeicherte Gas
über das beispielsweise als Lavaldüse ausgebildete Düsenelement 22 ausströmen und
durch die nachfolgende Expansion das Turbinenrad zusätzlich antreiben kann. Damit
wird ein schnelleres Hochlaufen bzw. eine bessere Beschleunigung des Turbinenrades
erreicht. Wird das Sperrventil 24 wieder geschlossen, kann in der Druckleitung 21
über das Rückschlagventil 23 wieder Druck aufgebaut werden, der dem maximalen
Verbrennungsdruck entspricht. Der Druckaufbau in der Druckleitung 21 erfolgt somit in
einem Zeitraum, in dem keine Unterstützung des Abgasturboladers erforderlich ist. Die
Ansteuerung des Steuerventils 24 erfolgt in Abhängigkeit von der Stellung des
Drosselelementes 14 und des Abblasventils 9, wobei das Steuerventil 24 geöffnet
wird, so lange das Abblasventil 9 geschlossen ist und gleichzeitig der Öffnungswinkel
des als Drosselklappe ausgebildeten Drosselelementes 14 einen vorgegebenen
Öffnungswert überschreitet. Das Steuerventil wird geschlossen, sobald am
Drosselelement der vorgegebene Öffnungswert unterschritten wird und/oder das
Abblasventil 9 geöffnet wird.
Claims (8)
1. Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader (4), auf dessen Welle (10) ein Turbinenrad
(6) und ein Verdichterrad angeordnet sind, wobei das Turbinenrad vom Abgas der
Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist, und mit einer Einrichtung zur Beschleunigung
des Abgasturboladers, die zumindest ein mit dem Abgasturbolader
zusammenwirkendes Düsenelement (22) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das
Düsenelement auf das Turbinenrad ausgerichtet und über einen Druckspeicher (21)
mit dem Brennraum (20) mindestens eines Zylinders (16) der Brennkraftmaschine
verbunden ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Düsenelement (22) über eine Leitungsverbindung (21) mit einer Bohrung (19) im
Zylinderkopf (18) mindestens eines Zylinders (16) verbunden ist, und daß in der
Leitungsverbindung ein Rückschlagventil (23) angeordnet ist, das in Strömungsrichtung
zum Düsenelement öffnet.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitungsverbindung (21) zwischen dem Düsenelement (22) und dem mindestens einen
Zylinder (16) über ein Steuerventil (24) sperrbar ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Steuerventil (24) am Düsenelement (22) angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leitungsverbindung (21) zwischen dem Düsenelement (22)
und dem mindestens einen Zylinder (16) als Druckspeicher ausgebildet ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß vor dem Turbinenrad (6) des Abgasturboladers (4) ein
Abblasventil (9) angeordnet ist, daß die Verbrennungsluftzufuhr der
Brennkraftmaschine über ein Drosselelement (14) geregelt ist, und daß das
Steuerventil (24) in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Abblasventils und der
Schaltstellung des Drosselelementes betätigt wird.
7. Verfahren zur Beschleunigung des Abgasturboladers (4) einer Brennkraftmaschine
deren Verbrennungsluftzufuhr über ein Drosselelement (14) geregelt wird, wobei das
Turbinenrad (6) des Abgasturboladers über ein Düsenelement (22) anströmbar ist, und
mit einem Abblasventil (9) vor dem Turbinenrad (6) des Abgasturboladers, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Steuerventil (24) in einer Leitungsverbindung (21) zwischen
dem Düsenelement (22) und mindestens einem Zylinder (16) der Brennkraftmaschine
geöffnet wird, sobald die Öffnung des Drosselelementes einen vorgebenen
Öffnungswert überschreitet und das Abblasventil sich gleichzeitig in seiner
geschlossenen Schaltstellung befindet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (24)
geschlossen wird, sobald das Abblasventil (9) bei Erreichen bzw. Überschreiten eines
definierten Ladedruckes geöffnet wird.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |