DE19955508C1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Verfahren hierzu - Google Patents

Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter auf. Weiterhin ist eine luftgetriebene Turbine vorgesehen, die mit dem Verdichter drehverbunden ist und der über ein einstellbares Sperrorgan Verbrennungsluft zuführbar ist. DOLLAR A Für einen Betrieb des Abgasturboladers in einem weiten Einsatzspektrum ist ein Zusatzkanal zwischen Verdichtereinlass und dem Lufteinlass der Luftturbine vorgesehen, wobei die Luftzufuhr in den Zusatzkanal über das Sperrorgan einstellbar ist. Im niederen Lastbereich für den Fall, dass der Soll-Ladedruck einen Schwellenwert unterschreitet, wird der Zusatzkanal über das Sperrorgan geöffnet und die Luftzufuhr zum Verdichtereinlass reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgas­ turbolader und ein Verfahren hierzu nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 14.

Aus der Druckschrift DE 42 13 047 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, dessen Abgasturbine vom Abgasgegendruck angetrieben wird und über eine Verbindungswelle einen Verdichter zur Erzeugung erhöhten Ladedrucks antreibt. Um das transiente Verhalten des Abgasturboladers zu verbessern, kann zur Unterstützung des Hochdrehens des Laders auf höhere Umfangsgeschwindigkeiten über einen Zusatzkanal Druckluft aus einem Druckbehälter in den Verdichtereinlass eingespeist wer­ den; zugleich wird eine Drossel stromauf des Verdichtereinlas­ ses in Sperrstellung versetzt, um ein Entweichen der mit Über­ druck eingespeisten Druckluft in die Atmosphäre über die An­ saugleitung zu verhindern.

Mit diesem Abgasturbolader ist es zwar möglich, die Laderdreh­ zahl bereits in Betriebspunkten niedriger Last, bei denen nur ein geringer Abgasgegendruck aufgebaut wird, durch die Einspei­ sung zusätzlicher Druckluft zu erhöhen, wodurch Verzögerungen im Druckaufbau, die auf einen trägheitsbedingten Verzögerten Anstieg der Laderdrehzahl zurückzuführen sind, reduziert werden können. Dieser Vorteil muss jedoch mit einem hohen baulichen Aufwand erkauft werden. Es muss insbesondere für einen ausrei­ chend hohen Überdruck im Druckbehälter gesorgt werden, wofür ein zusätzlicher Verdichter einschließlich der für den Verdich­ ter erforderlichen Antriebseinheit benötigt wird.

Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens von Abgasturboladern ist bisher die Trägheit der Lader durch Verkleinerung und leichtere Bauweise, insbesondere durch Herabsetzung des Turbi­ nenraddurchmessers, reduziert worden. Als Folge des geringeren Massenträgheitsmomentes des Laderrotors wird die Verzögerung im Druckaufbau des Ladedrucks herabgesetzt, dementsprechend kann in kürzerer Zeit ein höheres Motormoment aufgebaut werden. Die Reduzierung des Radvolumens des Laderrotors kann jedoch zu ei­ ner Verschlechterung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers führen. Ein weiteres Problem verhältnismäßig klein gebauter Ab­ gasturbolader liegt in den hohen Laderdrehzahlen und insbeson­ dere in der großen Drehzahlspanne, welche vom Laderrotor zwi­ schen niederer Motorlast und Volllast zu überwinden ist.

Eine weitere Abgasturbolader-Einrichtung geht aus der gattungs­ gemäßen Druckschrift JP 1-315 616 A1 hervor. Dem in dieser Druckschrift beschriebenen Abgasturbolader ist eine zusätzli­ che, luftgetriebene Turbine zugeordnet, die auf der gleichen Antriebswelle wie die Abgasturbine und der Verdichter sitzt und Antriebsleistung an den Verdichter abzugeben in der Lage ist. Die luftgetriebene Turbine wird mit Druckluft aus einem Druck­ luftbehälter gespeist, die entspannte Luft am Turbinenauslass der Luftturbine wird mit der komprimierten Luft aus dem Ver­ dichter zusammengeführt und im weiteren Verlauf in den Luftein­ lass der Brennkraftmaschine eingeleitet.

Die druckluftbetriebene Turbine wird im niederen Lastbereich, während dem ein für den Antrieb der Abgasturbine ausreichender Abgasgegendruck noch nicht zu Verfügung steht bzw. gerade auf­ gebaut wird, zugeschaltet, so dass der Rotor des Abgasturbola­ ders trotz einem geringen Abgasgegendruck auf höhere Umdrehun­ gen beschleunigt werden kann. Mit dieser Vorrichtung ist es zwar möglich, über einen weiten Betriebsbereich der Brennkraft­ maschine eine für einen Ladedruckaufbau ausreichende Rotordreh­ zahl des Abgasturboladers aufzubauen, es muss jedoch auch bei der Vorrichtung gemäß der JP 1-315 616 A1 ein zusätzlicher Druckluftbehälter einschließlich der zugehörigen Antriebsaggre­ gate vorgehalten werden.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der Druckschrift JP 19328 A bekannt, die eine zusätzliche, den Verdichter antreibende Luft­ turbine aufweist, wobei zum Antrieb der Luftturbine ein zusätz­ licher Kompressor vorgesehen ist, der Atmosphärenluft auf er­ höhten Druck verdichtet, die anschließend der Luftturbine zuge­ führt wird. Auch bei dieser Vorrichtung sind zusätzliche bauli­ che Einrichtungen zur Erzeugung vorverdichteter Verbrennungs­ luft, über die die Luftturbine angetrieben wird, erforderlich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Mitteln den Wirkungsgrad eines Abgasturboladers zu verbessern.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 14 gelöst.

Die neuartige Brennkraftmaschine umfasst einen Abgasturbolader, der einen Zusatzkanal zwischen dem Verdichtereinlass und dem Lufteinlass der luftgetriebenen Turbine aufweist, wobei in Ab­ hängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine über ein Sperrorgan die Luftzufuhr in den Zusatzkanal und auch in den Verdichtereinlass eingestellt werden kann. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Zufuhr von Verbrennungsluft sowohl zu dem Verdichter als auch zu der luftgetriebenen Turbine über einen gemeinsamen Ansaugkanal erfolgen kann. Die Zuleitung zum Verdichter und/oder zur Luftturbine erfolgt durch die Einstel­ lung des Sperrorgans, welches insbesondere im Bereich der Ab­ zweigung des Zusatzkanals vom Ansaugkanal angeordnet ist und eine Einstellung sowohl des Luftstromes durch den Ansaugkanal direkt in den Verdichtereinlass als auch durch den Zusatzkanal ermöglicht.

Im Unterschied zum Stand der Technik werden in dieser Ausfüh­ rung keine zusätzlichen Druckbehälter und Druckluft erzeugenden Aggregate benötigt, wodurch die Bauweise erheblich vereinfacht wird.

Im niederen Lastbereich wird für den Fall, das der in einer Re­ gel- und Steuereinheit ermittelte Soll-Ladedruck einen Schwel­ lenwert unterschreitet, das Sperrorgan in eine den Zusatzkanal öffnende und die Luftzufuhr zum Verdichtereinlass reduzierende, insbesondere absperrende Position verstellt. Dadurch wird er­ reicht, dass die Rotordrehzahl des Abgasturboladers bereits im niedrigen Lastbereich soweit angehoben wird, dass der Verdich­ ter eine nennenswerte Verdichterleistung erzeugen kann bzw in­ nerhalb kurzer Zeit die Drehzahl soweit angehoben werden kann, dass der gewünschte Ladedruckaufbau zu realisieren ist. Die La­ derdrehzahl wird auch in Betriebspunkten mit niedriger Last auf einem vergleichsweise hohen Niveau gehalten, wodurch das tran­ siente Verhalten des Abgasturboladers deutlich verbessert wird; außerdem wird die Drehzahlspreizung der Laderdrehzahl zwischen Betriebspunkten mit niedriger Last und Betriebspunkten mit ho­ her Last reduziert. Dadurch ist es möglich, Abgasturbolader größerer Bauart und entsprechend vergrößertem Massenträgheits­ moment einzusetzen, die konstruktive und thermodynamische Vor­ teile aufweisen und insbesondere sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnen, wodurch auch das Verbrauchs- und E­ missionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert wird.

In einer bevorzugten Ausführung bilden die luftgetriebenen Tur­ bine und der Verdichter ein gemeinsames Bauteil, wobei der Zu­ satzkanal, welcher vom Ansaugkanal stromauf des Verdichterein­ lasses abzweigt, in Höhe des Verdichterrades in den Verdichter­ einlass einmündet. Durch diese konstruktive Ausführung ist es möglich, den Verdichter in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine - niedrige Last bzw. kleiner Soll-Ladedruck - ohne Umkehrung der Drehrichtung des Laderrotors als luftge­ triebene Turbine einzusetzen, indem durch die unterschiedliche Luftzufuhr zum Turbinenrad im Verdichter unterschiedliche Druckverhältnisse geschaffen werden, die entweder eine Verwen­ dung als Verdichter oder eine Verwendung als Turbine ermögli­ chen. In den Bereichen niedriger Last ist es möglich, einen Druckabfall über den Verdichter zu realisieren, in dem am Ver­ dichtereinlass ein höherer Druck ansteht als am Verdichteraus­ lass. Auf Grund dieses Druckgefälles wird über den Verdichter bzw. die Luftturbine eine Drosselung erzielt, welche in Berei­ chen kleiner Last zur Erzeugung eines erforderlichen Saug- Unterdruckes ausreicht. Dadurch ist es möglich, auf eine Dros­ selklappe im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine zur Einstellung des Saugrohrdruckes gegebenenfalls zu verzichten.

Zweckmäßig ist im Verdichter im Bereich der Mündung des Zusatz­ kanals in den Verdichtereinlass eine Drosseleinrichtung einge­ bracht, die die Ausbildung eines Druckgefälles zwischen Mündung des Zusatzkanals in den Verdichtereinlass und Verdichterauslass unterstützt, so dass ein Betrieb des Verdichters als luftge­ triebene Turbine ermöglicht wird. Die Drosseleinrichtung ist in bevorzugter Ausführung ein variabel einstellbares Leitgitter, welches verstellbar im Mündungsbereich zwischen Zusatzkanal und Turbinen- bzw. Verdichtereinlass ausgebildet ist. Dies ent­ spricht einer Ausführung einer Turbine mit variabler Turbinen­ geometrie. Im Betriebsbereich unterhalb des Schwellenwertes des Soll-Ladedruckes kann der Mündungsquerschnitt zur Einstellung des gewünschten Soll-Ladedruckes im Ansaugtrakt der Brennkraft­ maschine durch Veränderung der Leitgitterposition eingestellt werden.

Dem Leitgitter sind vorteilhaft verstellbare Leitschaufeln zu­ geordnet, wobei gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ein verstellbares Absperrelement im Mündungsbereich vorgesehen ist, insbesondere eine axial verschiebbare Matrize mit Ausneh­ mungen zur Aufnahme des Leitgitters, mit dem eine vollständige Absperrung des Mündungsquerschnitts möglich ist. In der Ausfüh­ rung als Absperrelement mit Ausnehmungen für die Aufnahme des Leitgitters ist im Hinblick auf die Einstellung des Mündungs­ querschnitts ein zusätzlicher Freiheitsgrad gegeben, wobei in axial verschiebbarer Ausführung des Absperrelements der Eintrittsort des Zusatzkanals in den Verdichtereinlass axial in Bezug auf das Verdichterrad eingestellt werden kann, wodurch insbesondere für den Fall, dass der Verdichter zugleich die Luftturbine ist, die Zuströmung der Ansaugluft auf den Rotor und somit das Turbinenverhalten des Verdichters beeinflusst werden kann.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausführung, dass Verdichter und Luftturbine ein gemeinsames Bauteil bilden, kann es auch angezeigt sein, die Luftturbine als eigenständiges Bauteil un­ abhängig vom Verdichter auszuführen. Dies hat den Vorteil, dass auf weitgehend konventionelle Turbinentypen zurückgegriffen werden kann, die lediglich in Drehrichtung mit dem Verdichter­ rad gekoppelt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird die der Luftturbine zuzuführende Ansaugluft zunächst in einem Wärmetau­ scher vorgewärmt, wodurch das Druckniveau stromauf des Turbi­ nenrades erhöht und das Druckgefälle über das Rad der Lufttur­ bine gesteigert wird.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnun­ gen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer in den Verdichter integ­ rierten Luftturbine,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Verdichter mit integrierter Luftturbine in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer separat ausgebildeten Luftturbine an der Rückseite des Verdichters,

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Ausführung, jedoch mit der Luftturbine auf der Rückseite der Abgasturbine.

Bei den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, die sowohl ei­ ne Diesel-Brennkraftmaschine als auch ein Ottomotor sein kann, umfasst einen Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im Ab­ gasstrang 4 der Brennkraftmaschine und einem Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine 1. Im Betrieb der Brenn­ kraftmaschine wird die Abgasturbine 3 von den aufgestauten Ab­ gasen im stromauf der Abgasturbine 3 gelegenen Leitungsab­ schnitt des Abgasstranges 4 angetrieben; die Bewegung des Lauf­ rades der Abgasturbine 3 wird über eine Welle 7 auf das Ver­ dichterrad des Verdichters 5 übertragen, woraufhin im Ansaug­ trakt 6 stromab des Verdichters 5 ein unter Überdruck stehender Ladedruck aufgebaut wird, der der Brennkraftmaschine zuführbar ist. Um die Leistungsabgabe des Abgasturboladers in der befeu­ erten Betriebsweise präzise einstellen zu können und darüber hinaus den Abgasturbolader auch im Motorbremsbetrieb einsetzen zu können ist die Abgasturbine 3 mit einer variabel einstellba­ ren Turbinengeometrie 8, die insbesondere als verstellbares Leitgitter ausgebildet ist, ausgestattet. Weiterhin sind ein Ladeluftkühler 9 im Ansaugtrakt 6 stromab des Verdichters 5 so­ wie eine Abgasrückführung 10 zwischen dem stromauf der Abgas­ turbine 3 gelegenen Leitungsabschnitt des Abgasstranges 4 und dem stromab des Verdichters 5 gelegenen Leitungsabschnitt des Ansaugtraktes 6 vorgesehen, wobei die Abgasrückführung 10 zu­ sätzlich einen Wärmetauscher zur Kühlung des rückgeführten Ab­ gases enthält.

Um das transiente Verhalten des Abgasturboladers 2 zu verbes­ sern weist der Abgasturbolader 2 verdichterseitig zusätzliche Komponenten sowie eine spezielle Ausgestaltung des Verdichters 5 auf, wodurch in einem bestimmten Betriebsbereich der Brenn­ kraftmaschine 1 ein Turbinenbetrieb des Verdichters 5 reali­ siert werden kann. Hierfür ist ein stromauf des Verdichters 5 vom Ansaugtrakt 6 abzweigender Zusatzkanal 11 vorgesehen, der unmittelbar in den Verdichtereinlass im Bereich des Verdichter­ rades in den Verdichter 5 mündet. Im Zusatzkanal 11 ist optio­ nal ein Wärmetauscher 12 angeordnet, der als Gleich- oder Ge­ genstromwärmetauscher ausgebildet ist und zweckmäßig Wärmeener­ gie des Abgases aus dem Leitungsabschnitt stromab der Abgastur­ bine 3 auf die durch den Zusatzkanal 11 zuzuführende Frischluft überträgt. Weiterhin ist im Ansaugtrakt 6 stromauf des Verdich­ ters 5 ein Sperrorgan 13 angeordnet, über das der angesaugte Frischluftstrom anteilig auf den Zusatzkanal 11 und den Lei­ tungsabschnitt 15 zwischen Sperrorgan 13 und Verdichter 5 ver­ teilt werden kann. Das Sperrorgan 13 kann auch in der Weise eingestellt werden, dass der Zusatzkanal 11 vollständig abge­ sperrt ist und der gesamte Frischluftstrom durch den Leitungs­ abschnitt 15 geleitet wird oder dass der Leitungsabschnitt 15 gesperrt ist und der gesamte Frischluftstrom durch den Zusatz­ kanal 11 geleitet wird.

Im Mündungsbereich des Zusatzkanales 11 in den Verdichter 5 ist eine einstellbare Drosseleinrichtung 14 vorgesehen, die einen Druckaufbau im Zusatzkanal 11 stromauf der Drosseleinrichtung zur Folge hat, indem der Mündungsquerschnitt des Zusatzkanales 11 in den Verdichtereinlass reduziert wird. Die Höhe des Druck­ aufbaues kann durch veränderliche Einstellung der Drosselein­ richtung 14 variiert werden.

Weiterhin ist eine Regel- und Steuereinheit 16 vorgesehen, wel­ che in Abhängigkeit von den Betriebszustand der Brennkraftma­ schine repräsentierenden Signalen Stellsignale für die Einstel­ lung der variablen Stelleinrichtungen 8, 13, 14 erzeugt.

In der beteuerten Antriebsbetriebsweise kann der Verdickter 5 durch eine entsprechende Einstellung des Sperrorgans 13 sowie der Drosseleinrichtung 14 als Luftturbine verwendet werden, wo­ bei die Luftturbine als Drossel im Ansaugtrakt 6 wirkt, so dass gegebenenfalls auf eine separat ausgebildete Drosselklappe im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verzichtet werden kann. Die Entscheidung, ob die Baueinheit 5 als Verdickter oder als Luft­ turbine eingesetzt wird, wird in Abhängigkeit des aktuellen Be­ triebszustandes der Brennkraftmaschine 1 gefällt.

Sofern in der Regel- und Steuereinheit 16 ein Soll-Ladedruck festgestellt wird, der unterhalb eines vorgegebenen bzw. ermit­ telbaren Schwellenwertes liegt, wird in der Regel- und Steuer­ einheit 16 ein das Sperrorgan 13 im stromauf des Verdichters 5 gelegenen Leitungsabschnitt 15 des Ansaugtraktes 6 beaufschla­ gendes Stellsignal erzeugt, das eine Reduzierung, gegebenen­ falls Sperrung des Leitungsabschnittes 15 und gleichzeitig eine Öffnung des Zusatzkanals 11 zur Folge hat, so dass die ange­ saugte Verbrennungsluft durch den Zusatzkanal 11 unter Umgehung der Haupt-Einströmöffnung des Verdichters 5 diesem zugeführt wird. Die über den Zusatzkanal 11 zugeführte Verbrennungsluft wird im Mündungsbereich des Zusatzkanals 11 in den Verdichter­ einlass an der Drosseleinrichtung 14 gestaut, wobei die Stel­ lung der Drosseleinrichtung 14 von der Regel- und Steuereinheit 16 in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustandes der Brenn­ kraftmaschine festgelegt wird. Die in dieser Betriebsart als Turbine eingesetzte Baueinheit 5 wirkt als Drossel, wobei ein Druckabfall zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite des Ver­ dichters 5 realisiert wird, so dass insbesondere im niederen Lastbereich im stromab des Verdichters 5 gelegenen Leitungsab­ schnitt des Ansaugtraktes 6 ein Unterdruck eingestellt werden kann. Darüber hinaus wird der Druckabfall zur Erzeugung von Be­ wegungsenergie des als Turbine eingesetzten Bauteils 5 genutzt, so dass bereits im niederen Lastbereich der Laderrotor auf eine verhältnismäßig hohe Drehzahl gebracht werden kann.

Sofern der in der Regel- und Steuereinheit 16 festgestellte Soll-Ladedruck oberhalb des Schwellenwertes liegt, wird das Sperrorgan 13 in eine den Zusatzkanal 11 sperrende und den Lei­ tungsabschnitt 15 stromauf des Verdichters 5 freigebende Posi­ tion versetzt, so dass die angesaugte Verbrennungsluft über die Haupt-Einströmöffnung dem Verdichter 5 zugeführt wird und der Verdichter 5 eine Kompression auf einen erhöhten Ladedruck be­ wirkt.

Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, in einem sich unmittel­ bar an den Schwellenwert anschließenden Druckbereich oberhalb des Schwellenwertes einen Misch- bzw. Übergangszustand zuzulas­ sen, bei dem ein Teilluftstrom sowohl durch den Zusatzkanal 11 als auch durch den Leitungsabschnitt 15 geführt wird. Der Mischbetrieb kann in einem Soll-Druckabschnitt zwischen dem Schwellenwert und einem darüber liegenden Grenzwert aufrecht erhalten werden.

Der Einsatz des Verdichters als Turbine im unteren Lastbereich ist insbesondere in der befeuerten Antriebsweise vorgesehen. Darüber hinaus kann es aber auch zweckmäßig sein, einen ent­ sprechenden Einsatz im Motorbremsbetrieb vorzusehen.

Der Schnittdarstellung des Verdichters 5 gemäß Fig. 2 ist zu entnehmen, dass im Leitungsabschnitt 15 des Ansaugtraktes 6 un­ mittelbar vor dem Verdichtereinlass 18 das als Drosselklappe ausgebildete Sperrorgan 13 angeordnet ist, welches um eine Querachse senkrecht zur Verdichterlängsachse 27 zu verschwenken ist. In einer Öffnungsstellung des Sperrorgans 13 strömt die angesaugte Verbrennungsluft in Pfeilrichtung 25 - der Haupt- Einströmrichtung - in den Verdichtereinlass 18 und trifft auf das Verdichterrad 19, welches in der regulären Betriebsweise des Verdichters 5 von der Turbine des Abgasturboladers ange­ trieben wird. Die in den Verdichtereinlass eintretende Verbren­ nungsluft erfährt durch die Rotation des Verdichterrades 19 ei­ ne Komprimierung und verlässt den Verdichter 5 über den Diffu­ sor 20 und den Spiralkanal und wird im weiteren Verlauf nach der Kühlung im Ladeluftkühler dem Saugrohr der Brennkraftma­ schine zugeleitet.

Um auch einen Turbinenbetrieb zu ermöglichen ist radial außer­ halb des Verdichtereinlasses 18 im Verdichtergehäuse ein Zu­ satzkanal 11 vorgesehen, durch den in Sperrstellung des Sperr­ organs 13 in Strömungsrichtung 26 Frischluft dem Verdichter zu­ geführt wird. Der Zusatzkanal 11 mündet über eine Mündungsöff­ nung 17 im Bereich des Verdichterrades 19 in den Verdichterein­ lass 18, wobei auf Grund einer winkligen Zuführung als Folge eines gebogenen Endabschnittes des Zusatzkanals 11 die Strö­ mungsrichtung der in den Verdichtereinlass über die Mündungs­ öffnung 17 einströmenden Luft mit der Längsachse 27 des Ver­ dichters einen Winkel einschließt. Auf Grund des Winkelein­ schlusses sowie der axialen Position der Mündungsöffnung 17 im Bereich des Verdichterrades 19 wirkt der Verdichter 5 bei einer Zufuhr von Frischluft in Pfeilrichtung 26 durch den Zusatzkanal 11 als Turbine, hierbei bleibt die Drehrichtung des Turbinenra­ des 19 erhalten. Die über den Zusatzkanal 11 zuzuführende Luft wird auch im Turbinenbetrieb in gleicher Weise über den Diffu­ sor und den Spiralkanal abgeleitet wie im Verdichterbetrieb.

Zur Unterstützung der Turbinenwirkung ist im Mündungsbereich 17 eine Drall- und Drosseleinrichtung 14 vorgesehen, die insbeson­ dere als Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln ausgebildet ist. Die Drosseleinrichtung 14 kann von einem nicht gezeigten Stellelement beaufschlagt werden, um den Querschnitt der Mün­ dungsöffnung 17 zu vergrößern oder zu Verkleinern bzw. um der einströmenden Luft beim Übertritt der Mündungsöffnung 17 einen Drall aufzugeben, welcher die Wirkungsweise als Turbine unter­ stützt. Weiterhin ist ein axial in Pfeilrichtung 24 verschieb­ bares Absperrelement 21 vorgesehen, welches sich axial an das Leitgitter 14 anschließt und mit Aufnahmen 23 zur Aufnahme des Leitgitters 14 ausgestattet ist. Eine Stirnseite des Absperr­ elementes 21 bildet eine Seitenwand der Mündungsöffnung 17. Das Absperrelement 21, das über eine Lagerung 22 geführt ist, kann axial soweit verschoben werden, dass die Mündungsöffnung 17 vollkommen verschlossen ist. Diese Position wird insbesondere in der Verdichterbetriebsweise eingestellt, um Fehlluftströme vom Verdichtereinlass zurück in den Zusatzkanal 11 zu vermei­ den. Außerdem kann über die Position des Absperrelements 21 die axiale Anströmung des Verdichterrades 19 beeinflusst werden.

In der Ausführung nach Fig. 3 weist der Abgasturbolader 2 eine Abgasturbine 3 mit variabler Turbinengeometrie 8 sowie einen konventionellen Verdichter 5 auf, der im Ansaugtrakt 6 angeord­ net ist, wobei im Leitungsabschnitt 15 stromauf des Verdichters 5 ein Sperrorgan 13 vorgesehen ist. Stromauf des Sperrorgans 13 zweigt der Zusatzkanal 11 vom Ansaugtrakt 6 ab, wobei das Sperrorgan 13 bei einem Soll-Ladedruck unterhalb eines Schwel­ lenwertes in der Weise einzustellen ist, dass die zuzuführende Verbrennungsluft durch den Zusatzkanal 11 geleitet wird. Auf der rückwärtigen Seite des Verdichters 5 sitzt eine drehfest mit dem Verdichter 5 verbundene Luftturbine 28 auf der Welle 7 des Abgasturboladers 2 auf. In dieser Ausführung ist die Luft­ turbine 28 ein eigenständiges, separat vom Verdichter 5 ausge­ bildetes Bauteil. Der Lufteinlass der Luftturbine 28 kommuni­ ziert mit dem Zusatzkanal 11, der Luftauslass der Luftturbine 28 ist über eine Verbindungsleitung 29 mit dem Ansaugtrakt 6 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 29 insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 9 in den Ansaugtrakt 6 mündet.

Bei einem Soll-Ladedruck unterhalb des gegebenen Schwellen wer­ tes wird die Verbrennungsluft durch den Zusatzkanal 11 durch die Luftturbine 28 geleitet, wodurch ein Druckabfall in dem Leitungsabschnitt des Ansaugtraktes 6 stromab der Luftturbine 28 entsteht. Die Leistung der Luftturbine 28 wird hierbei auf Grund der drehfesten Verbindung an den Verdichter 5 übertragen. Über die Drosseleinrichtung 14 der Luftturbine 28 kann der Druckabfall gesteuert werden.

Oberhalb des Schwellenwertes wird das Sperrorgan 13 in der Wei­ se eingestellt, das der Zusatzkanal 11 abgesperrt ist, so dass die Luftturbine 28 keine Leistung abgeben kann. Zugleich wird der Leitungsabschnitt 15 zum Verdichter 5 geöffnet, der nunmehr von der Abgasturbine 3 angetrieben wird und die angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimiert.

Die Ausführung gemäß Fig. 4 ähnelt derjenigen nach Fig. 3, je­ doch mit dem Unterschied, dass die Luftturbine 28 auf der Rück­ seite der Abgasturbine 3 angeordnet und drehfest mit der Abgas­ turbine 3 verbunden ist. Im Zusatzkanal 11 kann zur Vorwärmung der angesaugten Frischluft ein Wärmetauscher 12 vorgesehen sein, über den Restwärme aus den Abgasen stromab der Abgastur­ bine 3 auf die zuzuführende Frischluft übertragen werden kann.

Claims (15)

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, die eine Ab­ gasturbine (3) und einen Verdichter (5) zur Erzeugung kompri­ mierter Ladeluft umfasst, mit einer zusätzlichen, luftgetriebe­ nen Turbine (28), die mit dem Verdichter (5) drehverbunden ist und der über ein einstellbares Sperrorgan (13) Verbrennungsluft zuführbar ist, wobei der Turbinenauslass über einen Verbin­ dungskanal mit dem Ansaugtrakt (6) stromab des Verdichters (5) verbunden ist, und mit einer Regel- und Steuereinheit (16) zur Erzeugung von das Sperrorgan (13) einstellenden Stellsignalen, dadurch gekennzeichnet,
dass ein stromauf des Verdichters (5) vom Ansaugtrakt (6) ab­ zweigender Zusatzkanal (11) zum Lufteinlass der luftgetriebenen Turbine vorgesehen ist und dass über das Sperrorgan (13) die Luftzufuhr in den Zusatzkanal (11) und in den Verdichtereinlass (18) einstellbar ist,
dass im niederen Lastbereich für den Fall, dass der Soll- Ladedruck einen Schwellenwert unterschreitet, in der Regel- und Steuereinheit (16) ein Stellsignal erzeugbar ist, über das das Sperrorgan (13) in eine den Zusatzkanal (11) öffnende und die Luftzufuhr zum Verdichtereinlass (18) reduzierende Position verstellbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, dass die luftgetriebene Turbine und der Verdichter (5) als ein­ teiliges Bauteil mit einem gemeinsamen Gehäuse ausgebildet sind und dass der Zusatzkanal (11) in Höhe des Verdichterrades (19) in den Verdichtereinlass (18) mündet.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmrichtung im Bereich einer Mündungsöffnung (17) zwischen Zusatzkanal (11) und Verdichter- bzw. Turbineneinlass (18) mit der Haupt-Strömungsrichtung durch den Verdichter- bzw. Turbineneinlass (18) einen Winkel einschließt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mündungsöffnung (17) zwischen Zusatzkanal (11) und Verdichter- bzw. Turbineneinlass (18) eine Drosselein­ richtung (14) eingebracht ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (14) ein den Querschnitt der Mün­ dungsöffnung (17) variabel einstellendes Leitgitter ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter verstellbare Leitschaufeln aufweist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Leitgitter ein einstellbares Absperrelement (21) im Zusatzkanal (11) vorgesehen ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (21) eine axial verschiebbare Matrize ist, die Ausnehmungen für die Aufnahme des Leitgitters auf­ weist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die luftgetriebene Turbine ein eigenständiges, vom Ver­ dichter (5) unabhängiges Bauteil ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die luftgetriebene Turbine unmittelbar an den Verdichter (5) angrenzt.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die luftgetriebene Turbine unmittelbar an die Abgasturbine (3) angrenzt.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkanal (11) zur luftgetriebenen Turbine durch ei­ nen Wärmetauscher (12) zur Vorwärmung der zuzuführenden Luft geführt ist.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Wärmetauschers (12) von den Abgasen stromab der Abgasturbine (3) herrührt.

14. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einer Abgasturbine (3) und einem Verdich­ ter zur Erzeugung komprimierter Ladeluft, mit einer zusätzli­ chen, luftgetriebenen Turbine (28), die mit dem Verdichter (5) drehverbunden ist und der über ein einstellbares Sperrorgan (13) Verbrennungsluft zuführbar ist, wobei der Turbinenauslass mit einem mit dem Verdichterauslass kommunizierenden Kanalab­ schnitt verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im niederen Lastbereich für den Fall, dass der Soll- Ladedruck einen Schwellenwert unterschreitet, zumindest ein Teilstrom der Verbrennungsluft, die vom Ansaugtrakt stromauf des Verdichters herangeführt wird, über die luftgetriebene Tur­ bine geführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Schwellenwerts für den Soll-Ladedruck die Luftzufuhr zum Verdichtereinlass (18) abgesperrt wird.