DE69904928T2

DE69904928T2 - Turboaufgeladene brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69904928T2
Application number: DE69904928T
Authority: DE
Inventors: Frank Pflueger
Original assignee: 3K Warner Turbosystems GmbH
Current assignee: BorgWarner Turbo Systems GmbH
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2019-04-10
Also published as: DE69904928T3; DE19837978B4; KR100815590B1; KR20010042710A; DE19837978A1; BR9909747A; DE69904928D1

Description

Die Erfindung betrifft eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 7.
Bei einer solchen Brennkraftmaschine mit zweistufiger Turboladung, die in der DE 195 14 572 A1 offenbart wird, sind eine Hochdruckstufe und eine Niederdruckstufe im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in Reihe in einem Turbolader angeordnet. Das Abgas strömt anfangs durch die Hochdruckturbine und dann durch die Niederdruckturbine. Die Ladeluft wird zunächst durch den Niederdruckkompressor und dann durch den Hochdruckkompressor komprimiert und nach der Abkühlung in einem Wärmetauscher zur Frischluftseite der Brennkraftmaschine geführt. Wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine zunimmt, kann eine Umschaltung auf einstufige Komprimierung ausschließlich im Niederdruckkompressor erfolgen, indem die Hochdruckturbine mittels eines abgasseitigen Rohrschalters vollkommen umgangen wird, und der Hochdruckkompressor kann über einen ladeluftseitigen Rohrschalter vollkommen umgangen werden.
Ein Nachteil einer solchen Umschalt-Turboladung ist darin zu sehen, dass im Falle häufig erwünschter Last- und Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine sehr oft ein Umschalten zwischen einstufigem und zweistufigem Betrieb der Turboladungseinheit erfolgen muss.
Folglich kann es zu einem Verlust an Fahrkomfort kommen, das heißt zu einer ungleichmäßigen Beschleunigungs- und Bremskraftreaktion.
Eine weitere Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff wird in der DE 39 03 563 C1 offenbart. Auch hier ist ein Umschalten von zweistufiger zu einstufiger Turboladung vorgesehen. Das Umschalten erfolgt mittels eines Rohrschalters, der zwischen der Auslassseite und der Hochdruckturbine angeordnet ist. Somit können auch hier Verluste des Fahrkomforts auftreten.
Das gleiche Problem besteht bei der DE 25 44 471 A1, die Abgasrückführung (AGR) umfasst, weil der Rohrschalter zwischen der Auslassseite und der Hochdruckturbine angeordnet ist. Eine andere Art von Abgasrückführung wird in der US 5,142,866 offenbart, in der der Bypass der Hochdruckturbine nachgeschaltet ist.
Die Erfindung beruht auf dem Problem der Bereitstellung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 7, die auf schnelle Last- und Drehzahlwechsel ohne ungleichmäßige Beschleunigungs- und Bremskraftreaktion reagiert. Der Turboladungsdruck soll sich bei Beschleunigung - das heißt wenn das Fahrzeug beschleunigt werden soll - schnell aufbauen und den Motoranforderungen unbegrenzt und variabel angepasst werden können.
Dieses Problem wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird insbesondere Folgendes erreicht:
Da durch die Hochdruckturbine zumindest bis zu einem gewissen Grad ununterbrochener Strom herrscht und dieser Strom zirkuliert, wird gewährleistet, dass bei einer Beschleunigung ein minimaler Turboladungsdruck besteht und sich insbesondere die Drehzahl des Hochdruckrotors auf einer günstigen Höhe befindet. Des Weiteren können der Hochdruckturbine, der Niederdruckturbine oder der Frischluftseite durch die erfindungsgemäßen Anordnungen mit Hilfe der zentralen Steuereinheit und dem Rohrschalter die einzelnen Abgasmassenströme zu dem jeweils erwünschten Grad zugeführt werden, so dass eine Optimierung der Betriebsart der Maschine bezüglich minimalen Kraftstoffverbrauchs und, oder minimaler Schadstoffemission erfolgen kann.
Bei entsprechender Belastung und zunehmender Drehzahl der Maschine wird somit eine schnelle Reaktion der Hochdruckturbine gewährleistet, indem die Expansionsarbeit in Richtung der Hochdruckturbine verlagert wird, das heißt durch umfassendes Schließen des Bypasskanals mittels des Rohrschalters wird der Großteil des Abgasstroms der Hochdruckturbine zugeführt. Wenn bei geringer Belastung und geringen Abgasmassenströmen ein geringer Verbrauch, eine geringe Belastung und vor allem Abgasgegendrücke in diesem Betriebsbereich erwünscht sind, kann die Expansionsarbeit des Abgases größtenteils in der Niederdruckturbine und möglicherweise durch geeignete Positionierung des Rohrschalters über die Abgasrückführung unabhängig von der Drehzahl der Maschine durch Öffnen des Bypasskanals erfolgen.
In Verbindung mit einem elektronischen Motorsystem, das die Betriebseigenschaften der Maschine, wie zum Beispiel Drehzahlen, Massenströme, Turboladungsdrücke und Ladelufttemperaturen, aufzeichnet, können die Rohrschalter für eine Betriebsart gesteuert werden, die den Verbrauch oder Schadstoffe bei einem beliebigen Betriebspunkt der Maschine minimiert. In der Regel ist zwischen minimalem Verbrauch und minimalen Schadstoffen ein Kompromiss erforderlich. Je nach Umgebungsbedingungen, Lastzustand- und Drehzahl erfolgt eine zieloptimierte Teilung des Abgasmassenstroms zu der Frischluftseite, der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine.
Weitere Vorteile liegen insofern vor, als aufgrund der möglichen Verteilung des Abgasstroms die Betriebsleitungen in den Hochdruck- und Niederdruckkompressorleistungskennlinien so verlaufen, dass einerseits eine hohe Kompressorleistung erreicht wird und andererseits Pumpen unter extremen Bedingungen praktisch ausgeschlossen wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ist ein Bypasskanal, der die Brennkraftmaschine mit der Einlassseite der Niederdruckfcurbine verbindet, nicht unbedingt erforderlich. Stattdessen kann eine der beiden Turbinen - vorzugsweise die Hochdruckturbine - auch mit einer entsprechenden variablen Turbinengeometrie ausgeführt sein, vor allem mit einem Verteiler mit verstellbaren Schaufeln. Wenn zum Beispiel eine Hochdruckturbine mit einem solchen Verteiler versehen ist, kann die Massenstromrate in einem größeren oder kleineren Ausmaß gedrosselt werden, obgleich der gesamte Massenstrom durch die Hochdruckturbine verläuft.
Darüber hinaus kann eine Bypassrohrleitung vorgesehen sein, mit der die Hochdruckturbine umgangen werden kann und die einen Rohrschalter aufweist. Auch in diesem Fall ist der Verteiler immer ein bisschen geöffnet, so dass mindestens ein minimaler Massenstrom zuverlässig durch die Hochdruckturbine strömt, so dass immer zumindest ein minimaler Turboladungsdruck vorhanden ist und sich insbesondere die Drehzahl des Hochdruckrotors auf einer günstigen Anfangshöhe befindet. Mittels des Rohrschalters besteht jedoch eine zusätzliche Steuermöglichkeit.
In jedem Fall wird durch Verwendung einer der beiden Hauptgedanken der Vorteil erreicht, dass man mit verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine auf sehr sensitive Weise fertig werden kann.
In den folgenden Abschnitten werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angehängte Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a ein Zyklusschema des Abgas- und Frischluftstroms einer zweistufigen, turboaufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit paarweisen Bypassleitungen,
Fig. 1b ein Zyklusschema des Abgasstroms einer zweistufigen, turboaufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit gemeinsamer Bypassleitung,
Fig. 2 ein Zyklusschema des Abgasstroms einer zweistufigen, turboaufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine mit paarweisen Bypassleitungen für zweiflutige Niederdruckturbinen,
Fig. 3 ein Zyklusschema des Abgas- und Frischluftstroms nach Anspruch 1a mit einer Niederdruckbypasseinheit,
Fig. 4 ein Zyklusschema des Abgas- und Frischluftstroms einer zweistufigen, turboaufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine in V-Form,
Fig. 5 und 6 weitere Zyklusschemata, in denen Turbinen mit variabler Geometrie als Hochdruckturbinen verwendet werden.
Die in Fig. 1 gezeigte Sechszylinder Diesel- Brennkraftmaschine 10 in Reihenausführung wird über eine Turboladereinheit in zwei Stufen turboaufgeladen. Zu diesem Zweck ist eine Hochdruckstufe 20 vor einer einflutigen Niederdruckstufe 30 angeordnet. Über die durch die Hochdruckturbine 21 und die Niederdruckturbine 31 angetriebenen Kompressoren 22 und 32 wird Frischluft komprimiert, in den beiden Ladeluftkühlern 40 abgekühlt, bis zu einem gewissen prozentualen Anteil (_0) mit Abgas aus einem Abgasrückstrom 50 vermischt und der Frischluftseite 11 der Maschine 10 zugeführt. Der Rotordurchmesser der Niederdruckturbine 32 ist größer als der der Hochdruckturbine 21, wobei das Rotordurchmesserverhältnis dL,ND/dL,HD 1,2 bis 1,8 zwischen der Niederdruck- und der Hochdruckturbine beträgt. Die beiden Fluten 23a, b der zweiflutigen Hochdruckturbine 21 sind jeweils auf der Einlassseite über eine getrennte Rohrleitung 60, 61 mit der Abgasseite 12 der Maschine verbunden. Auf der Auslassseite sind die Fluten 23a, b über auslassseitige Rohrleitungen 63, 64 mit einer gemeinsamen Rohrleitung 62 verbunden, die wiederum auf der Einlassseite mit der einflutigen Niederdruckturbine 31 verbunden ist. Einer der beiden Ladeluftkühler kann natürlich auch weggelassen werden.
Für eine optimale Anpassung der Turboladereinheit an die Betriebsbedingungen der Maschine 10 ist ein Bypasskanal 24a und 24b in symmetrischer Anordnung für jede Flut 23a, b der Hochdruckturbine 21 vorgesehen. Jeder davon wird von der getrennten als Abgaskniestück ausgeführten Rohrleitung 60 oder 61 abgezweigt, umgeht die Hochdruckturbine 20 und strömt in die gemeinsame Rohrleitung 62 zur gleichen Zuführung zur einflutigen Niederdruckturbine 30. Jeder Bypasskanal 24a, b ist mit einem Rohrschalter 70 oder 71 versehen, der dem Zweig nachgeschaltet angeordnet ist. Diese können im Abgaskniestück oder im Gehäuse der Hochdruckturbine integriert sein und als Schieber, Ventil oder Klappe oder ein ähnliches Element ausgeführt sein und sowohl einzeln als auch gemeinsam durch eine CPU gesteuert werden.
Darüber hinaus sind Abgasrückführleitungen 50 verbunden, die zur Frischluftseite 11 bzw. hinter den Kompressor führen. Die zurückgeführte Abgasmenge kann jedoch auch einer beliebigen anderen Stelle der Frischluftseite zugeführt werden. Mittels des Rohrschalters 70 kann einerseits der Bypasskanal 24a geschlossen werden, und andererseits können bei geöffnetem Bypasskanal 24a Teilströme im erforderlichen Verhältnis zur Niederdruckturbine 30 und zur Abgasrückführleitung 50 verteilt werden (Abgasrückführrate 0). Weiterhin sind die Rohrschalter 70, 71 und 50 zu ihrer Steuerung in Abhängigkeit von den Betriebskennvariablen a1-n mit einer elektronischen Motorsteuerung 80 verbunden, die eine optimale Verteilung des Abgasmassenstroms zum Betrieb gewährleistet. Durch die mögliche Einstellung verschiedener Bypassraten 24a, b wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Verteilung der gesamten Abgasmasse erreicht.
Eine alternative Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10 wird in Fig. 1b gezeigt; diese unterscheidet sich von der Variante nach Fig. 1a in der Ausführung der Turboladereinheit. In diesem Fall ist der auslassseitige Anschluss der Hochdruckturbine 21 mit der gemeinsamen Rohrleitung 62 der Mündungsstelle 63 der beiden Bypasskanäle 24a, b nachgeschaltet, während dies gemäß der Ausführung von Fig. 1a vorgeschaltet angeordnet ist.
Eine dritte Variante der Brennkraftmaschine 10 wird in Fig. 2 dargestellt. Hier ist die Niederdruckturbine 30 doppelflutig ausgeführt. Die beiden Kanäle 33a, b der Niederdruckturbine 31 werden jeweils von einer getrennten Rohrleitung 62a und 62b versorgt, und so ist eine ungleichmäßige Beaufschlagung der Niederdruckturbine möglich. Somit sind auch die Bypasskanäle 24a, b jeweils einer Flut 33a und 33b zugeordnet und sind wie die Fluten 23a, b der Hochdruckturbine 21 jeweils getrennt voneinander mit den getrennten Rohrleitungen 62a und 62b verbunden.
Die in Fig. 3 zu sehende Brennkraftmaschine weist eine Niederdruckturbine 31 auf, die mit einer Bypasseinheit 34 versehen ist, welche mittels eines Rohrschalters 72 zur Optimierung der Vorkomprimierung in Abhängigkeit von den Betriebskennwerten a1-n steuerbar ist. Dies ist besonders für Anwendungen (Personenkraftwagen) von Interesse, bei denen man zum Beispiel aufgrund von Konstruktionsplatz auf Kühlen der Kompressorluft zwischen dem Hochdruckkompressor 22 und dem Niederdruckkompressor 32 verzichten muss. Dadurch kann die Vorkomprimierung im Nennleisfcungsbereich der Maschine 10 durch die Niederdruckstufe 30 auf einen gewünschten Grad begrenzt werden.
Durch die Bypassrohrleitung 34 mit dem Rohrschalter 72 ist es möglich, einen sehr kleinen Niederdruck 31 zu verwenden. Dadurch werden höhere Bremsleistungen im Maschinen-Schubbetrieb möglich. Darüber hinaus kann die Beschleunigungsreaktion der Maschine durch diese Maßnahme verbessert werden. Des Weiteren kann der Lade- und Abgasgegendruck in gewissen Betriebsbereichen weiter reduziert werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter erhöht.
Fig. 4 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 10, die in diesem Fall von der V8- Art ist. Jede Zylinderreihe 13a, b ist einer getrennten Hochdruckstufe 20 zugeordnet. Die einflutigen Hochdruckturbinen 21 sind mit einem den Rohrschalter 70 enthaltenden Bypasskanal 24 versehen. Auf der Abgasseite sind beide Hochdruckturbinen 21 mit dem Einlass der gemeinsamen Niederdruckturbine 31 verbunden. Durch die mögliche Einstellung verschiedener Bypassraten der beiden Hochdruckstufen 20 wird auch hier ein weiterer Freiheitsgrad für die Verteilung der gesamten Abgasmasse erreicht. Mittels des Rohrschalters 70 kann, wie oben beschrieben, der Abgasstrom zur Hochdruckturbine 21, der Niederdruckturbine 31 und zur Abgasrückführung 50 geteilt werden.
Im Grunde kann jede Turbine einflutig, doppelflutig oder mit variabler Turbinengeometrie, insbesondere mit einem Verteiler mit verstellbaren Schaufeln, wie in Fig. 5 gezeigt, ausgeführt werden.
Das in Fig. 6 gezeigte Schema ähnelt dem Schema von Fig. 3. Es umfasst jedoch eine Bypassleitung 86, die den Hochdruckkompressor umgeht. Des Weiteren umfasst sie einen Rohrschalter 87. Diese Ausführungsform hat sich bei Dieselmotoren im Hinblick auf bedeutende Verbesserungen bezüglich Motorwirkungsgrad, Kraftstoffverbrauch und Emissionen im oberen Drehzahlbereich als besonders nützlich erwiesen. Die mechanische Kraft ist im Vergleich mit dem erhaltenen Ergebnis relativ gering.

Bezugszeichenliste

10 Diesel-Brennkraftmaschine
11 Frischluftseite
12 Abgasseite
13a, b Zylinderreihe
20 Hochdruckstufe
21 Hochdruckturbine
22 Hochdruckkompressor
23a, b Flut
24, 24a, b Bypasskanal
30 Niederdruckstufe
31 Niederdruckturbine
32 Niederdruckkompressor
33a, b Flut
34 Bypasseinheit
40 Ladeluftkühler
50 Abgasrückführung
60, 61, 62, 62a, b Rohrleitung
63, 63a, b Mündungsstelle
70, 71, 72 Rohrschalter
80 Motorsteuerung
86 Bypassleitung
87 Rohrschalter

Claims

1. Turboaufgeladene Brennkraftmaschine (10);

1.1 mit mindestens einer Hochdruckstufe (20);

1.2 mit mindestens einer Niederdruckstufe (30), die der Hochdruckstufe (20) nachgeschaltet angeordnet ist;

1.3 Rohrleitungen (60, 61) zum Verbinden der Einlassseite der Hochdruckturbine (21) und der Abgasseite (12) der Maschine (10) und zum Verbinden der Niederdruckturbine (31) mit der Auslassseite der Hochdruckturbine (21);

1.4 mit mindestens einer Bypassrohrleitung (24, 24a, 24b), die mindestens einen Rohrschalter (70, 71) aufweist und die die Abgasseite (12) der Maschine (10) mit der Einlassseite der Niederdruckturbine (31) verbindet;

1.5 mit Sensoren zum Erfassen der Betriebsparameter der Maschine (10);

1.6 die Hochdruckturbine (21) wird stets mit einem minimalen Abgasmassenstrom so durchflutet, dass sie sich ununterbrochen dreht;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1.7 eine zentrale Steuereinheit (CPU) ist vorgesehen, der Signale der Sensoren zugeführt werden;

1.8 die CPU betätigt den mindestens einen Rohrschalter (70, 71, 50) derart, dass variable Teilströme des gesamten Abgasmassenstromes auf die Hochdruckturbine (21), auf die Niederdruckturbine (31) und wahlweise auf die Frischluftseite der Maschine (10) verteilt werden, und zwar zum Zweck der Optimierung sowohl des stationären als auch nicht-stationären Betriebs der Maschine (10) im Hinblick auf eine Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und/oder der Schadstoffemission;

1.9 der mindestens eine Rohrschalter wird derart betätigt, dass bei geringer Belastung der Maschine (10) die Expansionsarbeit auf die Niederdruckturbine (31) verlagert wird und bei hoher Belastung der Maschine (10) die Ex pansionsarbeit auf die Hochdruckturbine (21) verlagert wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckturbine (21) zweiflutig ausgebildet ist und jede Flut (23a, b) eine separate Rohrleitung (60, 61) zur Verbindung mit der Abgasseite auf weist, wobei jeweils ein Bypasskanal (24a, b) von den Rohrleitungen (60, 61) abzweigt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bypasskanal (24a, b) ein Rohrschalter (70, 71) zugeordnet ist, die zum Verteilen der Teilströme auf die Niederdruckturbine (31), die Hochdruckturbine (21) und auf die Frischluftseite (11) der Brennkraftmaschine (10) ausgebildet sind und die sowohl getrennt und/oder gemeinsam ansteuerbar sind.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypasskanäle (24, 24º, b) und die auslassseitigen Rohrleitungen in einer gemeinsamen Rohrleitung (62), die mit der Niederdruckturbine (31) verbunden ist, enden.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck- und Niederdruckturbine (31) zweiflutig ausgebildet sind und ein Bypasskanal (24a, b) mit Rohrschalter (70, 71) und austrittsseitiger Rohrleitung (63, 64) für jede hochdruckseitige Flut vorgesehen ist, wobei jede Flut des Bypasskanals (24a, b) und die auslassseitige Rohrleitung (63, 64) über eine separate Rohrleitung (62) mit einer Flut (23a, b) der Niederdruckturbine (31) verbunden ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschalter (70, 71) dem Verbindungspunkt zwischen der einlassseitigen Rohrleitung (60, 61) der Hochdruckturbine (21) und dem Bypasskanal (24, 24a, b) nachgeschaltet angeordnet sind.

7. Turboaufgeladene Brennkraftmaschine (10);

7.1 mit mindestens einer Hochdruckstufe (20);

7.2 mit mindestens einer Niederdruckstufe (30), die der Hochdruckstufe (20) nachgeschaltet angeordnet ist;

7.3 mit Rohrleitungen (60, 61) für eine Verbindung der Einlassseite der Hochdruckturbine (21) und der Abgasseite (12) der Maschine (10) und zum Verbinden der Niederdruckturbine (31) mit der Auslassseite der Hochdruckturbine (21);

7.4 mit Sensoren zum Erfassen der Betriebsparameter der Maschine (10);

7.5 die Hochdruckturbine (21) wird ununterbrochen zumindest von einem minimalen Abgasmassenstrom so durchflutet, dass sie sich stetig dreht;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

7.6 eine zentrale Steuereinheit (CPU) ist vorgesehen, der Signale der Sensoren zugeführt werden;

7.7 zumindest eine der beiden Turbinen weist eine variable Turbinengeometrie auf, insbesondere einen Verteiler mit verstellbaren Schaufeln;

7.8 die CPU verändert die Turbinengeometrie derart, dass der Betrieb der Maschine (10) im Hinblick auf das Erreichen eines minimalen Kraftstoffverbrauchs und/oder einer minimalen Schadstoffemission optimiert wird;

7.9 die Turbinengeometrie wird derart verändert, dass bei geringer Belastung der Maschine (10) die Expansionsarbeit auf die Niederdruckturbine (31) verlagert wird und bei hoher Belastung der Maschine (10) die Expansionsarbeit auf die Hochdruckturbine (21) verlagert wird.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassrohrleitung zum Umgehen der Hochdruckturbine (21) vorgesehen ist, und dass ein Rohrschalter in der Bypassrohrleitung angeordnet ist.

9. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassrohrleitung zum Umgehen der Niederdruckfcurbine (31) vorgesehen ist, und dass ein Rohrschalter in der Bypassrohrleitung angeordnet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (86) zum Umgehen des Hochdruckkompressors vorgesehen ist, und dass die Hochdruckleitung (86) einen Rohrschalter (87) enthält.