EP2582960A1 - Frischgasversorgungsvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Frischgasversorgungsvorrichtung für eine verbrennungskraftmaschineInfo
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- EP2582960A1 EP2582960A1 EP11725084.5A EP11725084A EP2582960A1 EP 2582960 A1 EP2582960 A1 EP 2582960A1 EP 11725084 A EP11725084 A EP 11725084A EP 2582960 A1 EP2582960 A1 EP 2582960A1
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Definitions
- the invention relates to a fresh gas supply device for an internal combustion engine with turbocharger.
- Exhaust gas turbochargers are frequently used which, by utilizing the energy remaining in the exhaust gas of the internal combustion engine, drive an immediately coupled turbocompressor in an exhaust gas turbine with the mechanical energy generated here, the air flow thus generated being supplied with overpressure to the internal combustion engine.
- a known disadvantage of these charging devices is their sluggish response during acceleration processes.
- One cause is, on the one hand, the characteristic of turbomachines, i. of ATL, which generate only very low boost pressures at low gas flow and thus at low engine speeds.
- a cause is the fact that an increased air charge is available only after passing through the four power strokes of a four-stroke engine, so after two engine revolutions, as an increased amount of exhaust gas to drive the ATL, whereby the startup of the ATL is additionally delayed.
- the ATL is often combined with a mechanically driven positive displacement supercharger or with a smaller ATL designed especially for the low exhaust gas flows of the start-up phase. Both solutions require considerable constructional effort and space, in particular because the aggregates reason of the necessary mechanical drive or the coupling with the exhaust system are arranged directly on the engine.
- FIG. 1 shows schematically an internal combustion engine 1 whose exhaust gas line 15 for exhaust gas 70 is connected to an exhaust gas turbine 4 of an exhaust gas turbocharger 2.
- the exhaust gas 70 drives the exhaust gas turbine 4 and is discharged as a relaxed exhaust gas 71 through an exhaust gas outlet 16.
- the exhaust gas turbine 4 is coupled to a charge air compressor 3 of the exhaust gas turbocharger 2, for example by means of an exhaust gas turbocharger shaft 5.
- the charge air compressor 3 compresses fresh air 40 from a fresh gas inlet 1 1 to produce compressed charge air 41 to increase a suction pressure of combustion air 60 in a suction line 14 for The internal combustion engine 1.
- a fresh gas supply device 10 which is arranged between the charge air compressor 3 and a downstream in the flow direction charge air cooler 6 and the suction line 14, is used for the controlled injection of compressed air 51 in the intake manifold 14 of the internal combustion engine 1.
- the compressed air 51 is Compressed by a high-pressure compressor 7 from an air inlet 17 supplied additional air 50 and introduced via a feed line in a compressed air tank 8, from which the compressed air 51 through a compressed air line 19 of the fresh gas supply device 10 provided wi approx.
- a conventional fresh gas supply device 10 is shown schematically in FIG. It is equipped with a charging air inlet 12 with the charging air cooler 6, with a Outlet 13 with the suction line 14 and with a compressed air inlet 29 with the
- Compressed air line 19 connected. Between the charge air inlet 12 and the outlet 13 is located in an inlet portion 100 pivotable about a flap rotation axis 25 backflow flap 24 for closing and opening the connection from the charge air inlet 12 to the outlet 13.
- the back pressure flap 24 is adjusted by an adjusting device 26, for example an adjusting motor.
- the compressed air line 19 is connected to the outlet 13 via a flow control device 9, for example with a valve.
- a control device (not shown) serves to control the quantity control device 9 and the adjusting device 26.
- the quantity regulating device 9 supplies compressed air 51 through the compressed air inlet 29 to the outlet 13.
- the backflow flap 24 is closed so that the compressed air 51 does not flow via the charge air inlet 12 into the charge air compressor 3 of the exhaust gas turbocharger 2 against the suction direction, but rather via the outlet 13 into the intake line 14.
- the backflow flap 24 is opened again and the flow control device 9 is closed the pressure of the compressed air 41 compressed by the charge air compressor 3 of the exhaust gas turbocharger 2 is sufficient again.
- the PBS requires a relatively large storage volume of compressed air and compressed air at a high pressure level of more than 10 bar. This is approximately four to five times the pressure level required for charging in order to keep the storage volume acceptable and to achieve a fast system response.
- a high-pressure piston compressor with a relatively high energy consumption for generating the necessary compressed air is required. When blowing the compressed air into the internal combustion engine and relaxation of the same to the boost pressure level of the majority of the generated pressure energy is destroyed by throttling. It is therefore the object of the present invention to provide an improved fresh gas supply device.
- a fresh gas supply device for an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger comprises: a charge air inlet for the admission of compressed charge air from the exhaust gas turbocharger; an outlet which is connected to the charge air inlet, wherein this connection can be closed by means of at least one return flap which can be pivoted about a folding pivot axis; a compressed air inlet for introducing compressed air into the outlet; an adjusting device for adjusting the at least one backflow flap.
- the fresh gas device also has at least one additional turbocharger device with a compressed air turbine and a compressor coupled thereto.
- the compressed air turbine is arranged in the flow direction of the compressed air in front of the compressed air inlet and can be flowed through by compressed air.
- the compressor is designed for suction and compression of additional charge air from the charge air inlet and delivery of compressed additional charge air into the outlet.
- an energy efficiency of the fresh gas supply device is improved by making use of excess pressure energy of the supplied compressed air.
- the pressure level of the compressed air necessary for the operation of the fresh gas supply device requires no increase, and the required storage volume for this compressed air can be reduced.
- the additional turbocharging device is driven by the injected compressed air and generates an additional charge air flow.
- the excess energy of the compressed air is made effective and significantly reduces the required amount of compressed air and its associated storage volume.
- the stored energy in the compressed air is converted in a compressed air turbine of Sakturbolade worn into mechanical work, which is transmitted via a common shaft to a compressor.
- the compressor thus generates a soirladeluftstrom that provides the desired boost pressure in the intake manifold of the associated internal combustion engine together with the partially compressed air from an outlet of the compressed air turbine. Since the pressure level of the exhaust gas turbocharger is lower in this phase, a backflow valve is closed to prevent backflow.
- the additional turbocharging device can be integrated into a housing of the fresh gas supply device.
- the compressed air turbine and the compressor of the at least one additional turbocharger device are coupled by a shaft.
- This shaft may extend through a housing of the fresh gas supply device or be arranged outside the housing in an alternative embodiment.
- the shaft can be rotatably mounted in bearings which are designed as air bearings. As a result, negligible friction losses occur in the bearings.
- the fresh gas supply device may further comprise a flow control device having a closed position and any open positions in which the flow control device of the compressed air turbine of the additional turbocharger supplies compressed air. In this way, a particularly effective utilization of the energy present in the compressed air can be made possible in cooperation with a suitable control device.
- the adjusting device for adjusting the at least one backflow flap is designed such that a fully open position of the at least one backflow flap is assigned to a fully closed position of the flow control device. This ensures that there is no reaction of the injected compressed air to the turbocharger.
- An internal combustion engine with at least one exhaust gas turbocharger, at least one compressed air tank and at least one high-pressure compressor has the above-described fresh gas supply device.
- FIG. 1 is a schematic block diagram of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and Frischgasworkssvorrich- device according to the prior art
- Fig. 2 is a schematic representation of a conventional Frischg
- FIG. 3 is a schematic diagram of an embodiment of a fresh gas supply device according to the invention
- 4 is a schematic diagram of a first variant of the embodiment of the Frischgas factoriessvor- device according to the invention of FIG. 3
- FIG. 5 shows a schematic basic illustration of a second variant of the exemplary embodiment of the fresh gas supply device according to the invention according to FIG. 3.
- FIG. 3 shows a schematic basic illustration of an exemplary embodiment of a fresh gas supply device 10 according to the invention.
- the fresh gas supply device 10 has a substantially cylindrical housing (indicated only schematically) with a bottom in Fig. 3 arranged charging air inlet 12 (see Fig. 1, 2) for compressed charge air 41 from the exhaust gas turbocharger 2 and one in Fig. 3 arranged above Outlet 13 to a suction line 14 (see Fig. 1).
- an inlet portion 100 connects with a backflow flap 25, which is arranged pivotably about a rotation axis 25.
- the backflow valve 24 may be connected in this example, as shown in Fig. 2 already shown with a not shown adjusting device.
- the fresh gas supply device 10 is provided with an auxiliary turbocharger device 30.
- This auxiliary turbocharging device 30 comprises a drive section 31 with a compressed air turbine 33, a compression section 32 with a compressor 34 and associated housing and air guide parts.
- the compressed-air turbine 33 is coupled in a rotationally fixed manner to the compressor 34 via a shaft 35, the shaft 35 being rotatable in bearings 36. is gert.
- This auxiliary turbocharging device 30 is also referred to as a "cold" turbocharger and is integrated into the fresh gas supply device 10, variants will be described below.
- the drive section 31 is connected to an inlet of the compressed air turbine 33 via a compressed air connection 20 to a flow control device 9.
- the quantity control device 9 has already been described in connection with FIG. 2. It communicates with its inlet via the compressed air line 19 with the compressed air tank 8 (see also Fig. 1) in connection.
- the generation of the compressed air 51 takes place as already described in connection with FIG. 1 above and is not repeated here.
- the outlet of the compressed air turbine 33 is connected to a compressed air inlet 29 of the Frischgasmakerssvorrich- device 10, which is arranged downstream of the backflow valve 24 (in Fig. 3 on the right side), via a compressed air inlet line 21.
- the compression section 32 of the auxiliary turbocharger 30 is arranged on the other side of the fresh gas supply device 10.
- An inlet of the compressor 34 communicates via a submitt of the fresh gas supply device 10 through a submitt of the fresh gas supply device 10 in the flow direction in front of the backflow valve 24.
- An outlet of the compressor 34 is connected to a submitt of the fresh gas supply device 10 in the flow direction behind the backflow flap 24 is connected.
- the compressed air 51 made available from the compressed air tank 8 has a relatively high pressure level of, for example, 12 bar.
- the flow control device 9 Upon detection of a need for an increase in the filling of the internal combustion engine 1 (see Fig. 1) by a suitable control means (not shown), the flow control device 9 is opened and the compressed air 51 flows through the compressed air port 20 to the inlet of the compressed air turbine 33 of the auxiliary turbocharger 30. Simultaneously, the Backflow flap 24 in the fresh gas supply device 10 is closed to a return flow of combustion air 60 in the outlet section 1 10 in the inlet section 100 and the exhaust gas turbocharger 2 in the subsequent pressure build-up in the outlet cut 1 10 and in the intake line 14 to avoid. This process is shown in FIG.
- the compressed air 51 flowing into the compressed-air turbine 34 is expanded in the compressed-air turbine 34, the pressure energy contained being first converted into kinetic energy and then into mechanical work, which is mechanically coupled to the shaft 35, which is set in rapid rotary motion by the compressed-air turbine 34 Compressor 34 is forwarded.
- the expanded compressed air 52 flowing out of the compressed air turbine 34 is conducted through the compressed air inlet line 21 and the compressed air inlet 29 into the outlet section 110 and thus into the suction line 14, this relaxed compressed air 52 flowing out against the pressure which is established there.
- the mechanical work supplied via the shaft 35 is in turn converted into kinetic energy and finally into pressure energy, which is additionally used for compression by the Rajladluftsaugtechnisch 22 sucked additional charge air 42 in compressed toastladeluft 43.
- the additional charge air 43 thus compressed flows through the additional charge air pressure line 23 and the auxiliary charge air inlet 28 likewise like the expanded compressed air 52 into the outlet section 110 of the fresh gas supply device 10 in the flow direction behind the backflow flap 24 and thus into the intake line 14 and is there against it adjusting pressure from the compressor 34 promoted.
- the combustion air 60 supplied to the intake line 14 and thus to the internal combustion engine 1 is formed from the expanded compressed air 52 from the drive section 31 and from the compressed additional charge air 43 from the compression section 32 of the auxiliary turbocharger device 30.
- FIG. 4 illustrates a schematic basic illustration of a first variant of the exemplary embodiment of the fresh gas supply device 10 according to the invention according to FIG. 3.
- FIG. 4 the additional turbocharger 30 with the drive section 31, the compression section 32 and the associated air ducts 20, 21, 22, 23 is shown in principle.
- a view is shown in the outlet section 110 of the fresh gas supply device 10 with a view of the backflow flap 24, wherein the housing of the fresh gas supply device 10 is not shown.
- the additional turbocharger 30 is integrated in the fresh gas supply device 10 in the flow direction behind the backflow valve 24 such that the shaft 35 penetrates the housing of the fresh gas supply device 10 in the middle.
- This arrangement requires the least additional installation space, the bearings 36 of the shaft 35 are arranged on the side facing away from the housing of the fresh gas supply device 10 sides of the compressed air turbine 33 and compressor 34.
- FIG. 5 is a schematic diagram of a second variant of the embodiment of the fresh gas supply device 10 according to the invention of FIG. 3.
- the view is directed into the outlet section 110 and shows the backflow flap 24 in the flow direction from behind with the flap rotation axis 25 mounted in the housing of the fresh gas supply device 10 and the adjusting device 26 indicated only schematically.
- an inside lying storage with bearings 36 of the shaft 35 of the additional turbocharger 30 with parallel and crossing the housing of the fresh gas supply device 10 arranged shaft 35 allows.
- the shaft 35 may be arranged to intersect at right angles with the housing of the fresh gas supply device 10, as shown in Fig. 4. But it can also be parallel to the longitudinal axis (ie perpendicular to the plane of Fig. 4) of the housing Frischgasvers orgungs device 10 or in any crossing angle.
- the bearings 36 of the shaft 35 can be designed particularly advantageous as an air bearing. This is advisable since there are no bearing-related lateral forces, the required compressed air is immediately available and, on the other hand, a pressurized oil lubrication of the bearings 36 is more complicated because of the necessity of pressurized oil supply and the resulting sealing problem.
- a bearing 36 of the shaft 35 is arranged in the compressor section 32 in the wall of the additional charge air pressure line 23 in such a way that it is acted upon by the compressed additional charge air 43.
- the other bearing 36 of the shaft 35 is located in the wall of the compressed air inlet line 21 and is acted upon by the expanded compressed air 52.
- the shaft 35 in the second variant according to FIG. 4 can be arranged to intersect the housing of the fresh gas supply device 10 at right angles. However, it can also be parallel to the longitudinal axis (ie perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 4) of the housing of the fresh gas supply device 10 or in any crossing angle.
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Abstract
Eine Frischgasversorgungsvorrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit Abgasturbolader (2), weist Folgendes auf: einen Ladelufteinlass (12) zum Einlass von komprimierter Ladeluft (41) aus dem Abgasturbolader (2); einen Auslass (13), der mit dem Ladelufteinlass (12) verbunden ist, wobei diese Verbindung über mindestens eine um eine Klappendrehachse (25) verschwenkbare Rückstauklappe (24) verschließbar ist; einen Drucklufteinlass (29) zum Einlass von Druckluft (51, 52) in den Auslass (13); eine Verstelleinrichtung (26) zur Verstellung der mindestens einen Rückstauklappe (24); mindestens eine Zusatzturboladeeinrichtung (30) mit einer Druckluftturbine (33) und einem damit gekoppelten Verdichter (34), wobei die Druckluftturbine (33) in Strömungsrichtung der Druckluft (51, 52) vor dem Drucklufteinlass (29) angeordnet ist und von Druckluft (51) durchströmbar ist, und wobei der Verdichter (34) zur Ansaugung und Verdichtung von Zusatzladeluft (42) aus dem Ladelufteinlass (12) und Förderung komprimierter Zusatzladeluft (43) in den Auslass (13) ausgebildet ist.
Description
FRISCHGASVERSORGUNGSVORRICHTUNG FÜR EINE VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Frischgasversorgungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbolader.
Zur Füllungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen, wie zum Beispiel Dieselmotoren, mit dem Ziel einer Erhöhung von Drehmoment und abgegebener Leistung sind verschiedene Arten von Aufladesystemen bekannt. Häufig werden Abgasturbolader (ATL) eingesetzt, welche unter Ausnutzung der im Abgas der Verbrennungskraft- maschine verbliebene Energie in einer Abgasturbine mit der hier erzeugten mechanischen Energie einen unmittelbar gekoppelten Turboverdichter antreiben, wobei der so erzeugte Luftstrom mit Überdruck der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
Ein bekannter Nachteil dieser Aufladeeinrichtungen ist deren träges Ansprechverhal- ten bei Beschleunigungsvorgängen. Eine Ursache ist zum Einen die Charakteristik der Strömungsmaschinen, d.h. des ATL, welche bei geringem Gasdurchsatz und damit bei geringen Motordrehzahlen nur sehr geringe Ladedrücke erzeugen. Zum Anderen ist eine Ursache die Tatsache, dass eine erhöhte Luftfüllung erst nach dem Durchlaufen der vier Arbeitstakte eines Viertaktmotors, also nach zwei Motorumdrehungen, als erhöhte Abgasmenge zum Antrieb des ATL zur Verfügung steht, wodurch der Hochlauf des ATL zusätzlich verzögert wird.
Zur Beseitigung dieses Nachteils wird häufig der ATL mit einem mechanisch angetriebenen Verdrängerlader oder mit einem speziell auf die geringen Abgasströme der Anfahrphase ausgelegten kleineren ATL kombiniert. Beide Lösungen erfordern einen erheblichen baulichen Aufwand und Bauraum, insbesondere weil die Aggregate auf-
grund des notwendigen mechanischen Antriebs oder der Kopplung mit dem Abgassystem unmittelbar am Motor angeordnet sind.
Bei Fahrzeugen, welche zum Betrieb eines Luftfedersystems und/oder einer Druckluftbremsanlage mit einem Kompressor und einem Druckluftspeichersystem ausgestat- tet sind, bietet es sich an, gespeicherte Druckluft in der Beschleunigungsphase in die Verbrennungskraftmaschine einzublasen, wodurch in kürzester Zeit ein hohes Motordrehmoment und damit verbunden ein hoher Abgasstrom zur Verfügung stehen. Nach einer Anschubzeit von wenigen Sekunden kann der ATL ein stabiles hohes Druckniveau erreichen. Durch ein optimiertes elektronisches Steuerungs System konnte solchen Einrichtungen, welche auch als PBS (Pneumatic Booster System) bezeichnet werden, ein sehr befriedigendes Betriebs verhalten verliehen werden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 1 , deren Abgasleitung 15 für Abgas 70 mit einer Abgasturbine 4 eines Abgasturboladers 2 verbunden ist. Das Ab- gas 70 treibt die Abgasturbine 4 an und wird als entspanntes Abgas 71 durch einen Abgasauslass 16 abgeleitet. Die Abgasturbine 4 ist mit einem Ladeluftverdichter 3 des Abgasturboladers 2 gekoppelt, z.B. mittels einer Abgasturboladerwelle 5. Der Ladeluftverdichter 3 verdichtet Frischluft 40 aus einem Frischgaseinlass 1 1 zur Erzeugung von komprimierter Ladeluft 41 zur Erhöhung eines Ansaugdrucks von Verbrennungs- luft 60 in einer Ansaugleitung 14 für die Verbrennungskraftmaschine 1. Eine Frisch- gasversorgungsvorrichtung 10, welche zwischen dem Ladeluftverdichter 3 bzw. einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Lade luftkühler 6 und der Ansaugleitung 14 angeordnet ist, dient zum gesteuerten Einblasen von Druckluft 51 in die Ansaugleitung 14 der Verbrennungskraftmaschine 1. Die Druckluft 51 wird von einem Hochdruck- kompressor 7 aus durch einen Lufteinlass 17 zugeführter Zusatzluft 50 komprimiert und über eine Speiseleitung in einen Druckluftbehälter 8 eingeleitet, aus welchem die Druckluft 51 durch eine Druckluftleitung 19 der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 zur Verfügung gestellt wird. Eine herkömmliche Frischgasversorgungsvorrichtung 10 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Sie ist mit einem Lade lufteinlass 12 mit dem Lade luftkühler 6, mit einem
Auslass 13 mit der Ansaugleitung 14 und mit einem Drucklufteinlass 29 mit der
Druckluftleitung 19 verbunden. Zwischen dem Ladelufteinlass 12 und dem Auslass 13 befindet sich in einem Einlassabschnitt 100 eine um eine Klappendrehachse 25 verschwenkbare Rückstauklappe 24 zum Verschluss und zur Öffnung der Verbindung von Ladelufteinlass 12 zum Auslass 13. In einer Version, welche die Anmeldeschrift WO 2006/089779 AI in einer Einrichtung zur Frischluftversorgung einer turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine und einem Verfahren zum Betrieb derselben beschreibt, wird die Rückstauklappe 24 von einer VerStelleinrichtung 26, zum Beispiel einem VerStellmotor, verstellt. Ferner ist die Druckluftleitung 19 mit dem Auslass 13 über eine Mengenregeleinrichtung 9, zum Beispiel mit einem Ventil, verbunden. Eine nicht gezeigte Steuereinrichtung dient zur Steuerung der Mengenregeleinrichtung 9 und der VerStelleinrichtung 26. Im Fall einer Drehmomentanforderung bei einem „Kick-Down" führt die Mengenregeleinrichtung 9 Druckluft 51 durch den Drucklufteinlass 29 zum Auslass 13 zu. Zuvor wird die Rückstauklappe 24 geschlossen, so dass die Druckluft 51 nicht über den Ladelufteinlass 12 in den Ladeluftverdichter 3 des Abgasturboladers 2 entgegen der Ansaugrichtung, sondern über den Auslass 13 gerichtet in die Ansaugleitung 14 strömt. Bei Beenden der Druckluftzufuhr wird die Rückstauklappe 24 wieder geöffnet und die Mengenregeleinrichtung 9 geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druck der durch den Ladeluftverdichter 3 des Abgasturboladers 2 komprimierten Ladeluft 41 wieder ausreichend.
Als nachteilig wird dabei gesehen, dass das PBS ein relativ großes Speichervolumen an Druckluft und Druckluft auf einem hohen Druckniveau von mehr als 10 bar benötigt. Dies ist etwa das vier- bis fünffache des zur Aufladung erforderlichen Druckniveaus, um das Speichervolumen vertretbar zu halten und ein schnelles Ansprechen des Systems zu erreichen. Hierzu ist ein Hochdruckkolbenverdichter mit einem relativ hohen Energieverbrauch zur Erzeugung der notwendigen Druckluft erforderlich. Beim Einblasen der Druckluft in die Verbrennungskraftmaschine und Entspannung derselben auf das Ladedruckniveau wird der überwiegende Teil der erzeugten Druckenergie durch Drosselung vernichtet.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Frischgasver- sorgungsvorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Frischgasversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demgemäß weist eine Frischgasversorgungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbolader Folgendes auf: einen Ladelufteinlass zum Einlass von komprimierter Ladeluft aus dem Abgasturbolader; einen Auslass, der mit dem Ladelufteinlass verbunden ist, wobei diese Verbindung über mindestens eine um eine Klap- pendrehachse verschwenkbare Rückstauklappe verschließbar ist; einen Druckluftein- lass zum Einlass von Druckluft in den Auslass; eine VerStelleinrichtung zur Verstellung der mindestens einen Rückstauklappe. Die Frischgasvorrichtung weist außerdem mindestens eine Zusatzturboladeeinrichtung mit einer Druckluftturbine und einem damit gekoppelten Verdichter auf. Die Druckluftturbine ist in Strömungsrichtung der Druckluft vor dem Drucklufteinlass angeordnet und von Druckluft durchströmbar. Der Verdichter ist zur Ansaugung und Verdichtung von Zusatzladeluft aus dem Ladelufteinlass und Förderung komprimierter Zusatzladeluft in den Auslass ausgebildet.
Mit Hilfe der Zusatzturboladeeinrichtung wird eine Energieeffizienz der Frischgasver- sorgungsvorrichtung verbessert, indem überschüssige Druckenergie der zugeführten Druckluft nutzbar gemacht wird.
Das Druckniveau der für den Betrieb der Frischgasversorgungsvorrichtung notwendigen Druckluft benötigt keine Erhöhung, und das erforderliche Speichervolumen für diese Druckluft kann verringert werden.
Die Zusatzturboladeeinrichtung wird durch die eingeblasene Druckluft angetrieben und erzeugt einen zusätzlichen Ladeluftstrom. Dadurch wird die überschüssige Energie der Druckluft wirksam gemacht und die benötigte Luftmenge an Druckluft und ihr zugehöriges Speichervolumen erheblich verringert.
Die in der Druckluft gespeicherte Energie wird in einer Druckluftturbine der Zusatzturboladeeinrichtung in mechanische Arbeit umgewandelt, welcher über eine gemeinsame Welle auf einen Verdichter übertragen wird. Der Verdichter erzeugt damit einen Zusatzladeluftstrom, der in der Ansaugleitung der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine zusammen mit der teilentspannten Druckluft aus einem Auslass der Druckluft- turbine den gewünschten Ladedruck bereitstellt. Da das Druckniveau des Abgasturboladers in dieser Phase geringer ist, wird zur Vermeidung von Rückströmung eine Rückstauklappe geschlossen. Die erhöhte Füllung der Verbrennungskraftmaschine und der infolge Leistungssteigerung eintretende Drehzahlanstieg der Verbrennungskraftmaschine bewirken einen starken Anstieg des Abgasstroms, so dass schon nach weni- gen Sekunden der Abgasturbolader ein so hohes Druckniveau erreicht, dass die An- schubwirkung der Frischgasversorgungsvorrichtung nicht mehr erforderlich ist, diese abgeschaltet und die Rückstauklappe geöffnet werden kann.
In bevorzugter Ausführung kann die Zusatzturboladeeinrichtung in ein Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung integriert sein. Dadurch ist eine vorteilhafte raumsparende Baueinheit möglich.
Die Druckluftturbine und der Verdichter der mindestens einen Zusatzturboladeeinrichtung sind durch eine Welle gekoppelt. Diese Welle kann sich durch ein Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung erstrecken oder in einer alternativen Ausführung außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
Die Welle kann in Lagern, die als Luftlager ausgebildet sind, drehbar gelagert sein. Dadurch treten in den Lagern vernachlässigbare Reibungsverluste auf.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn eines der als Luftlager ausgebildeten Lager der Welle mit der Druckluft und ein anderes mit der komprimierten Zusatzladeluft beaufschlagt sind. So kann auf eine zusätzliche Luftversorgung der Luftlager verzichtet werden.
Die Frischgasversorgungsvorrichtung kann weiterhin eine Mengenregeleinrichtung umfassen, die eine geschlossene Stellung und beliebig geöffnete Stellungen aufweist, in welchen die Mengenregeleinrichtung der Druckluftturbine der Zusatzturboladeeinrichtung Druckluft zuführt. Auf diese Weise kann in Zusammenwirkung mit einer geeigneten Steuerungseinrichtung eine besonders effektive Ausnutzung der in der Druck- luft vorhandenen Energie möglich werden.
Es ist außerdem vorgesehen, dass die VerStelleinrichtung zur Verstellung der mindestens einen Rückstauklappe derart ausgebildet ist, dass eine vollständig geöffnete Stellung der mindestens einen Rückstauklappe einer vollständig geschlossenen Stellung der Mengenregeleinrichtung zugeordnet ist. Somit ist sichergestellt, dass keine Rückwirkung der eingeblasenen Druckluft auf den Abgasturbolader auftritt.
Eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader, mindestens einem Druckluftbehälter und mindestens einem Hochdruckkompressor weist die oben beschriebene Frischgasversorgungsvorrichtung auf.
Die Anwendung einer solchen Frischgasversorgungsvorrichtung ist besonders in schweren Nutzfahrzeugen von besonderer Bedeutung. Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Frischgasversorgungsvorrich- tung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Frischg
gungsvorrichtung nach dem Stand der Technik; Fig. 3 eine schematische Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Frischgasversorgungsvorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Prinzipdarstellung einer ersten Variante des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Frischgasversorgungsvor- richtung nach Fig. 3; und Fig. 5 eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Variante des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Frischgasversorgungsvor- richtung nach Fig. 3.
Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
Fig. 1 und Fig. 2 sind bereits eingangs beschrieben worden.
In Fig. 3 ist eine schematische Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Frischgasversorgungsvorrichtung 10 gezeigt.
Die Frischgasversorgungsvorrichtung 10 weist ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse (nur schematisch angedeutet) mit einem in der Fig. 3 unten angeordneten Lade lufteinlass 12 (siehe Fig. 1, 2) für komprimierte Ladeluft 41 vom Abgasturbolader 2 und einem in der Fig. 3 oben angeordneten Auslass 13 zu einer Ansaugleitung 14 (siehe Fig. 1) auf. An den Lade lufteinlass 12 schließt sich ein Einlassabschnitt 100 mit einer Rückstauklappe 25 an, welches um eine Drehachse 25 verschwenkbar angeordnet ist. Die Rückstauklappe 24 kann in diesem Beispiel wie in Fig. 2 bereits gezeigt mit einer nicht näher dargestellten Stellvorrichtung verbunden sein.
Im Gegensatz zum Stand der Technik (Fig. 2) ist die erfindungsgemäße Frischgasver- sorgungsvorrichtung 10 mit einer Zusatzturboladeeinrichtung 30 versehen. Diese Zusatzturboladeeinrichtung 30 umfasst einen Antriebsabschnitt 31 mit einer Druckluftturbine 33, einen Verdichtungsabschnitt 32 mit einem Verdichter 34 und zugehörige Gehäuse- und Luftführungsteile. Die Druckluftturbine 33 ist mit dem Verdichter 34 über eine Welle 35 drehfest gekoppelt, wobei die Welle 35 in Lagern 36 drehbar gela-
gert ist. Diese Zusatzturboladeeinrichtung 30 wird auch als„kalter" Turbolader bezeichnet. Sie ist in die Frischgasversorgungsvorrichtung 10 integriert, weiter unten werden noch Varianten beschrieben.
Der Antriebsabschnitt 31 ist mit einem Einlass der Druckluftturbine 33 über einen Druckluftanschluss 20 an eine Mengenregeleinrichtung 9 angeschlossen. Die Mengenregeleinrichtung 9 ist bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben. Sie steht mit ihrem Einlass über die Druckluftleitung 19 mit dem Druckluftbehälter 8 (siehe auch Fig. 1) in Verbindung. Die Erzeugung der Druckluft 51 erfolgt wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 oben beschrieben und wird hier nicht wiederholt. Der Auslass der Druckluftturbine 33 ist an einem Drucklufteinlass 29 der Frischgasversorgungsvorrich- tung 10, welcher in Strömungsrichtung hinter der Rückstauklappe 24 (in Fig. 3 auf der rechten Seite) angeordnet ist, über eine Drucklufteinlassleitung 21 verbunden.
Auf der anderen Seite der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 ist der Verdichtungsab- schnitt 32 der Zusatzturboladeeinrichtung 30 angeordnet. Ein Einlass des Verdichters 34 kommuniziert über eine Zusatzladeluftsaugleitung 22 durch einen Zusatzladeluftabzweig 27 mit dem Einlassabschnitt 100 der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 in Strömungsrichtung vor der Rückstauklappe 24. Ein Auslass des Verdichters 34 ist mit einer Zusatzladeluftdruckleitung 23 über einen Zusatzladelufteinlass 28 mit dem Aus- lassabschnitt 1 10 der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 in Strömungsrichtung hinter der Rückstauklappe 24 verbunden.
Die aus dem Druckluftbehälter 8 zur Verfügung gestellte Druckluft 51 weist ein relativ hohes Druckniveau von zum Beispiel 12 bar auf. Bei Feststellung eines Bedarfs für eine Füllungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine 1 (siehe Fig. 1) durch eine (nicht gezeigte) geeignete Steuereinrichtung wird die Mengenregeleinrichtung 9 geöffnet und die Druckluft 51 strömt durch den Druckluftanschluss 20 zum Einlass der Druckluftturbine 33 der Zusatzturboladeeinrichtung 30. Gleichzeitig wird die Rückstauklappe 24 in der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 geschlossen, um eine Rück- Strömung von Verbrennungsluft 60 im Auslassabschnitt 1 10 in den Einlassabschnitt 100 und zum Abgasturbolader 2 bei dem nun folgenden Druckaufbau im Auslassab-
schnitt 1 10 und in der Ansaugleitung 14 zu vermeiden. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 gezeigt.
Die in die Druckluftturbine 34 einströmende Druckluft 51 wird in der Druckluftturbine 34 entspannt, wobei die enthaltene Druckenergie zunächst in kinetische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt wird, welche über die von der Druckluftturbine 34 in schnelle Drehbewegung versetzte Welle 35 an den an sie mechanisch gekoppelten Verdichter 34 weitergeleitet wird. Die aus der Druckluftturbine 34 ausströmende entspannte Druckluft 52 wird durch die Drucklufteinlassleitung 21 und den Drucklufteinlass 29 in den Auslassabschnitt 1 10 und somit in die Ansaugleitung 14 geleitet, wobei diese entspannte Druckluft 52 gegen den sich dort einstellenden Druck ausströmt. Im Verdichter 34 wird die über die Welle 35 zugeführte mechanische Arbeit wiederum in kinetische Energie und schließlich in Druckenergie umgewandelt, welche zur Verdichtung zusätzlich durch die Zusatzladeluftsaugleitung 22 angesaugter Zusatzladeluft 42 in komprimierte Zusatzladeluft 43 verwendet wird. Die so kompri- mierte Zusatzladeluft 43 strömt durch die Zusatzladeluftdruckleitung 23 und den Zu- satzladelufteinlass 28 ebenfalls wie die entspannte Druckluft 52 in den Auslassabschnitt 1 10 der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 in Strömungsrichtung hinter der Rückstauklappe 24 und somit in die Ansaugleitung 14 und wird gegen den sich dort einstellenden Druck vom Verdichter 34 gefördert.
In dem Auslassabschnitt 1 10 der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 wird die der Ansaugleitung 14 und somit der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführte Verbrennungsluft 60 aus der entspannten Druckluft 52 aus dem Antriebsabschnitt 31 und aus der komprimierten Zusatzladeluft 43 aus dem Verdichtungsabschnitt 32 der Zusatztur- boladeeinrichtung 30 gebildet.
Aufgrund der zunehmenden Füllung der Verbrennungskraftmaschine 1 wachsen Drehmoment und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 und damit ihr Abgasvolumen zunehmend an, so dass schon nach wenigen Sekunden der Druck in der An- saugleitung 14 und im Auslassabschnitt 1 10 und im Einlassabschnitt 100 der Frisch- gasversorgungsvorrichtung 10 beiderseits der Rückstauklappe 24 ausgeglichen ist. Die
Mengenregeleinrichtung 9 unterbricht nun die Druckluftzufuhr und die Rückstauklappe 24 wird geöffnet.
Auf diese Weise wird überschüssige Druckenergie der Druckluft 51 in der Zusatzturboladeeinrichtung 30 zur Erzeugung eines zusätzlichen Ladeluftstroms aus kompri- mierter Ladeluft 43 verwendet, wodurch die überschüssige Energie der Druckluft 51 wirksam gemacht wird und somit die benötigte Luftmenge sowie das Speichervolumen im Hochdruckkreis der Druckluft 51 erheblich verringert werden kann.
Fig. 4 illustriert eine schematische Prinzipdarstellung einer ersten Variante des Aus- führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Frischgasversorgungsvorrichtung 10 nach Fig. 3.
In Fig. 4 ist die Zusatzturboladeeinrichtung 30 mit dem Antriebsabschnitt 31, dem Verdichtungsabschnitt 32 und den zugehörigen Luftführungsleitungen 20, 21, 22, 23 im Prinzip gezeigt. Es ist eine Ansicht in den Auslassabschnitt 1 10 der Frischgasver- sorgungsvorrichtung 10 mit Blick auf die Rückstauklappe 24 gezeigt, wobei das Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 nicht mit dargestellt ist.
In dieser Variante ist die Zusatzturboladeeinrichtung 30 in die Frischgasversorgungs- Vorrichtung 10 dergestalt in Strömungsrichtung hinter der Rückstauklappe 24 integriert, dass die Welle 35 das Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 mittig durchdringt. Diese Anordnung benötigt den geringsten zusätzlichen Einbauraum, wobei die Lager 36 der Welle 35 an den vom Gehäuse der Frischgas versorgungs Vorrichtung 10 abgewandten Seiten von Druckluftturbine 33 und Verdichter 34 angeordnet sind.
In Fig. 5 ist das Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 wieder schematisch angedeutet, wobei Fig. 5 eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Variante des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Frischgasversorgungsvorrichtung 10 nach Fig. 3 darstellt.
Die Ansicht ist wie in Fig. 4 in den Auslassabschnitt 1 10 gerichtet und zeigt die Rückstauklappe 24 in Strömungsrichtung von hinten mit der im Gehäuse der Frischgasver- sorgungsvorrichtung 10 gelagerten Klappendrehachse 25 und der nur schematisch angedeuteten VerStelleinrichtung 26. In dieser zweiten Variante wird eine innen liegende Lagerung mit Lagern 36 der Welle 35 der Zusatzturboladeeinrichtung 30 mit parallel und überkreuzend zum Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 angeordneter Welle 35 ermöglicht. Die Welle 35 kann dabei mit dem Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 rechtwinklig kreuzend angeordnet sein, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Sie kann aber auch parallel zur Längsachse (d.h. senkrecht auf der Zeichenebene der Fig. 4) des Gehäuses der Frischgasvers orgungs Vorrichtung 10 oder in einem beliebigen Kreuzungswinkel liegen.
Die Lager 36 der Welle 35 können besonders vorteilhaft als Luftlager ausgeführt sein. Dies bietet sich an, da keine funktionsbedingten Lagerquerkräfte auftreten, die benö- tigte Druckluft unmittelbar zur Verfügung steht und andererseits eine Druckölschmie- rung der Lager 36 wegen der Notwendigkeit einer Druckölzuführung und der sich ergebenden Abdichtproblematik aufwändiger zu gestalten ist. So ist aus Fig. 5 deutlich zu erkennen, dass ein Lager 36 der Welle 35 in dem Verdichterabschnitt 32 in der Wandung der Zusatzladeluftdruckleitung 23 so angeordnet ist, dass es von der komp- rimierten Zusatzladeluft 43 beaufschlagt wird. Das andere Lager 36 der Welle 35 befindet sich in der Wandung der Drucklufteinlassleitung 21 und wird von der entspannten Druckluft 52 beaufschlagt.
Der mit dieser Frischgasversorgungsvorrichtung 10 mit Zusatzturboladeeinrichtung 30 erzielte Nutzen lässt sich an der von dem Verdichter 34 der Zusatzturboladeeinrichtung 30 zusätzlich zugeführten Menge komprimierter Zusatzladeluft 43 ermessen. Denn um diese Luftmenge kann bei gleichem Effekt die benötigte Menge an Druckluft 51 aus dem Hochdruckkreis verringert werden. Durch verringerte benötigte Leistung des Hochdruckkompressors 7 ergibt sich eine Energieeinsparung. Außerdem verbes- sert die mögliche Reduzierung des Druckluft- Speichervolumens die Einbaubedingungen und verringert das Gewicht des zugehörigen Fahrzeuges.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
Es ist zum Beispiel denkbar, dass die Welle 35 in der zweiten Variante nach Fig. 4 mit dem Gehäuse der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 rechtwinklig kreuzend angeordnet sein kann. Sie kann aber auch parallel zur Längsachse (d.h. senkrecht auf der Zeichenebene der Fig. 4) des Gehäuses der Frischgasversorgungsvorrichtung 10 oder in einem beliebigen Kreuzungswinkel liegen.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungskraftmaschine
2 Abgasturbolader
3 Ladeluftverdichter
4 Abgasturbine
5 Abgasturboladerwelle
6 Ladeluftkühler
7 Hochdmckkompressor
8 Druckluftbehälter
9 Mengenregeleinrichtung
10 Frischgasversorgungsvorrichtung
1 1 Frischgaseinlass
12 Lade lüfte inlass
13 Auslass
14 Ansaugleitung
15 Abgasleitung
16 Abgasauslass
17 Lufteinlass
18 Speiseleitung
19 Druckluftleitung
20 Dmckluftanschluss
21 Dmcklufteinlassleitung
22 Zusatzladeluftsaugleitung
23 Zusatzladeluftdruckleitung
24 Rückstauklappe
25 Klappendrehachse
26 VerStelleinrichtung
27 Zusatzladeluftabzweig
28 Zusatzlade lufteinlass
29 Drucklufteinlass
30 Zusatzturboladeeinrichtung
31 Antriebsabschnitt
32 Verdichtungsabschnitt
33 Druckluftturbine
34 Verdichter
35 Welle
36 Lager
40 Frischluft
41 Komprimierte Ladeluft
42 Zusatzladeluft
43 Komprimierte Zusatzladeluft
50 Zusatzluft
51 Druckluft
52 Entspannte Druckluft
60 Verbrennungsluft
70 Abgas
71 Entspanntes Abgas
100 Einlassabschnitt
1 10 Auslassabschnitt
Claims
Frischgasversorgungsvorrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit Abgasturbolader (2), aufweisend:
einen Ladeluftemlass (12) zum Einlass von komprimierter Ladeluft (41) aus dem Abgasturbolader (2);
einen Auslass (13), der mit dem Ladeluftemlass (12) verbunden ist, wobei diese Verbindung über mindestens eine um eine Klappendrehachse (25) verschwenkbare Rückstauklappe (24) verschließbar ist;
einen Drucklufteinlass (29) zum Einlass von Druckluft (51 , 52) in den Auslass
(13);
eine VerStelleinrichtung (26) zur Verstellung der mindestens einen Rückstauklappe (24);
mindestens eine Zusatzturboladeeinrichtung (30) mit einer Druckluftturbine (33) und einem damit gekoppelten Verdichter (34),
wobei die Druckluftturbine (33) in Strömungsrichtung der Druckluft (51 , 52) vor dem Drucklufteinlass (29) angeordnet ist und von Druckluft (51) durchströmbar ist, und
wobei der Verdichter (34) zur Ansaugung und Verdichtung von Zusatzladeluft
(42) aus dem Ladeluftemlass (12) und Förderung komprimierter Zusatzladeluft
(43) in den Auslass (13) ausgebildet ist.
Frischgasversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzturboladeeinrichtung (30) in ein Gehäuse der Frischgasver- sorgungsvorrichtung (10) integriert ist.
3. Frischgasversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftturbine (33) und der Verdichter (34) der mindestens einen Zusatzturboladeeinrichtung (30) durch eine Welle (35) gekoppelt sind, wobei sich die Welle (35) durch ein Gehäuse der Frischgasversorgungs- vorrichtung (7) erstreckt.
4. Frischgasversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftturbine (33) und der Verdichter (34) der mindestens einen Zusatzturboladeeinrichtung (30) durch eine Welle (35) gekoppelt sind, wobei die Welle (35) außerhalb eines Gehäuses der Frischgasversor- gungsvorrichtung (7) angeordnet ist.
5. Frischgasversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (35) in Lagern (36), die als Luftlager ausgebildet sind, drehbar gelagert ist.
6. Frischgas versorgungs Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der als Luftlager ausgebildeten Lager (36) der Welle (35) mit der Druckluft (52) und ein anderes mit der komprimierten Zusatzladeluft (43) beaufschlagt sind.
7. Frischgas versorgungs Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Mengenregeleinrichtung (9) umfasst, die eine geschlossene Stellung und beliebig geöffnete Stellungen aufweist, in welchen die Mengenregeleinrichtung (9) der Druckluftturbine (33) der Zusatzturboladeeinrichtung (30) Druckluft (51) zuführt.
8. Frischgas versorgungs Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die VerStelleinrichtung (26) zur Verstellung der mindestens einen Rückstauklappe (24) derart ausgebildet ist, dass eine vollständig geöffnete Stellung der mindestens einen Rückstauklappe (24) einer vollständig geschlossenen Stellung der Mengenregeleinrichtung (9) zugeordnet ist. Verbrennungskraftmaschine (1) mit mindestens einem Abgasturbolader (2), mindestens einem Druckluftbehälter (8) und mindestens einem Hochdruckkompressor (7), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Frischgasversorgungs Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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