WO2005059332A1 - Aufgeladene brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2005059332A1
WO2005059332A1 PCT/EP2004/013894 EP2004013894W WO2005059332A1 WO 2005059332 A1 WO2005059332 A1 WO 2005059332A1 EP 2004013894 W EP2004013894 W EP 2004013894W WO 2005059332 A1 WO2005059332 A1 WO 2005059332A1
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WO
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internal combustion
combustion engine
turbine
compressor
engine according
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/013894
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Bechtold
Peter Fledersbacher
Hans-Georg Lehmann
Siegfried Sumser
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimlerchrysler Ag filed Critical Daimlerchrysler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/16—Control of the pumps by bypassing charging air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/30—Arrangements for supply of additional air
    • F01N3/32—Arrangements for supply of additional air using air pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/16—Control of the pumps by bypassing charging air
    • F02B37/164—Control of the pumps by bypassing charging air the bypassed air being used in an auxiliary apparatus, e.g. in an air turbine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a supercharged Brennkraftma ⁇ machine according to the preamble> of claim 1.
  • a first exhaust gas turbocharger takes on the function of a main turbocharger, the exhaust gas turbine of which is arranged in the exhaust line and the compressor of which is arranged in the intake tract, the compressor compressing combustion air drawn in under ambient air to an increased charge pressure.
  • the main charger is followed by a secondary charger, the compressor of which is arranged in a switchable bypass downstream of the main compressor in the intake tract and the turbine of which is also arranged in a switchable bypass upstream of the main turbine in the exhaust line.
  • the secondary charger is switched on, which has a faster response due to its smaller size.
  • the main turbocharger comes into play, which enables higher performance.
  • a prerequisite for active operation of both the main charger and the secondary charger is, however, a pressure requirement of the internal combustion engine in the intake system with excess pressure. At low loads and speeds, especially at idle ⁇ run, however, must help in the intake adjustable dampers, a Suppress generated ck. The secondary charger cannot make a contribution in this load and speed range. With increasing load of the secondary loader can indeed by the commissioning ⁇ sioning the transient response of the internal combustion engine are improved, but the main charger is still running with only low speed with and needs to be accelerated at further increasing loads on a inimum operating speed so significant from the main compressor Compaction work can be done.
  • the invention is based on the problem of improving the response behavior of internal combustion engines, in particular when accelerating out of low loads and speeds.
  • the supercharger speed of an exhaust gas turbocharger used should be raised to a minimum level even at low loads and engine speeds.
  • the internal combustion engine according to the invention has in addition to the exhaust gas turbocharger, which comprises an exhaust gas turbine in the exhaust line and a compressor in the intake tract, a secondary charger with a secondary turbine and a secondary compressor, the secondary turbine being arranged in the flow path of the fresh air to the internal combustion engine and the secondary turbine outlet with the Intake tract is connected.
  • the exhaust gas turbocharger which comprises an exhaust gas turbine in the exhaust line and a compressor in the intake tract, a secondary charger with a secondary turbine and a secondary compressor, the secondary turbine being arranged in the flow path of the fresh air to the internal combustion engine and the secondary turbine outlet with the Intake tract is connected.
  • the exhaust gas turbocharger which comprises an exhaust gas turbine in the exhaust line and a compressor in the intake tract, a secondary charger with a secondary turbine and a secondary compressor, the secondary turbine being arranged in the flow path of the fresh air to the internal combustion engine and the secondary turbine outlet with the Intake tract is connected.
  • the exhaust gas turbocharger which comprises an exhaust gas turbine in the exhaust line and a
  • the secondary compressor expediently sucks in fresh air at ambient pressure and compresses it to an increased pressure under which the fresh air can be used further.
  • the air compressed in the secondary compressor is introduced into the exhaust line upstream of the exhaust gas turbine, so that an additional gas volume flows through the exhaust gas turbine at an increased pressure, thereby increasing the supercharger speed of the exhaust gas turbocharger.
  • the exhaust gas turbocharger can be increased in speed in this way, which would not be achievable with the exhaust gas emissions, which are relatively low under these engine conditions.
  • the exhaust gas turbocharger By feeding the air compressed by the secondary compressor into the exhaust line upstream of the exhaust gas turbine, a significant increase in the speed of the supercharger is achieved even at low loads and engine speeds.
  • the exhaust gas turbocharger which is already rotating at operating speed, can provide the desired, increased boost pressure without a time delay.
  • the outlet of the secondary compressor is ekundärtur directly or indirectly with the inlet of the S ine connected, thereby realizing a short circuit between the secondary compressor and the secondary turbine.
  • the compressed air flows out of the air buffer through the secondary turbine and drives it, and on the other hand, the contents of the air buffer can be directly below through a bypass, which is located directly between the air buffer and the intake tract and in which a secondary throttle valve is advantageously arranged
  • Bypass the secondary turbine are fed into the intake tract.
  • the period of time consisting of a first phase with closed bypass and air flow via the secondary turbine into the intake tract and a second phase with open bypass and direct introduction of additional fresh air from the air buffer into the intake tract, is sufficient for the exhaust gas turbocharger to reach operating speed through the exhaust gases of the internal combustion engine accelerate, so that with increasing load and engine speed the exhaust gas turbocharger without Time delay centering an increased boost pressure in the intake gene ⁇ .
  • the secondary supercharger only plays a minor role with higher loads and engine speeds.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a supercharged internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a secondary charger, the compressor output of the secondary charger being connected to the exhaust line of the internal combustion engine via a connecting line,
  • Fig. 2 shows an internal combustion engine in a modified version, according to which the compressor outlet and the turbine inlet of the secondary charger are connected to one another via an air buffer.
  • the internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 - a gasoline engine or a diesel internal combustion engine - is assigned an exhaust gas turbocharger 2 with a compressor 3 and an exhaust gas turbine 5, the compressor 3 and exhaust gas turbine 5 being rotationally coupled via a shaft 7.
  • the compressor 3 is arranged in the intake tract 4 of the internal combustion engine, and the exhaust gas turbine 5 is arranged in the exhaust line 6.
  • the turbine wheel of the exhaust gas turbine 5 is driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine, the rotary movement is transmitted to the compressor wheel via the shaft 7, whereupon combustion air is sucked in from the environment and to an increased boost pressure in the starting suction tract is compressed.
  • the compressed combustion air is cooled downstream of the compressor 3 in the intake duct 4 in a La ⁇ deluftkühler 8, and then under the loading pressure Z of the internal combustion engine 1 ylindern supplied.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine are derived via the exhaust line 6 and the exhaust gas turbine 5 arranged in the exhaust line.
  • control and regulating unit 9 which, depending on the state and operating variables of the internal combustion engine and, if appropriate, also on the basis of ambient conditions, adjusts the aggregates assigned and adjustable to the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 1 is assigned a secondary supercharger 10, which is dimensioned in particular smaller than the exhaust gas turbocharger 2 and can therefore be accelerated to its operating speed more quickly due to its lower mass and its smaller moment of inertia.
  • the secondary supercharger 10 comprises a secondary turbine 11 and a secondary compressor 12, the turbine wheel and compressor wheel being coupled via a shaft 13.
  • the secondary turbine 11 lies in the flow path of the fresh or combustion air which is to be supplied to the cylinders of the internal combustion engine 1. This is realized in that upstream of an adjustable throttle member 15 in the intake tract 4 branches off an air supply line 14 from the intake tract, which opens into the inlet of the secondary turbine 11.
  • the outlet of the secondary turbine 11 is connected via a line section 16 to the intake tract 4 downstream of the throttle element 15.
  • the inlet of the secondary compressor 12 communicates with the surroundings, ambient air is supplied to the inlet of the secondary compressor 12 at atmospheric pressure.
  • the outlet of the secondary compressor 12 is connected via a connecting line 17 to the Exhaust line 6 connected upstream of the exhaust gas turbine 5.
  • An adjustable shut-off valve 18 is located in the connecting line 17.
  • the throttle member 15 in the intake manifold 4 may be closed or at least nearly CLOSED ⁇ sen, so that the combustion air is forced to the path via the air supply line 14 and the secondary turbine 11 as well as the line section 16 to take. Due to the negative pressure prevailing in these operating states in the area of the cylinder inputs of the internal combustion engine, a pressure drop occurs across the secondary turbine 11, since atmospheric pressure is present on the inlet side and negative pressure is present on the outlet side. This pressure drop causes a drive of the secondary turbine 11, the rotational movement of which is transmitted to the secondary compressor 12 via the shaft 13, whereupon fresh air is sucked in from the environment by the secondary compressor 12 and compressed to an increased pressure.
  • the compressed air is introduced into the connecting line 17 via the outlet of the secondary compressor 12 and introduced into the exhaust line 6 upstream of the exhaust gas turbine 5 when the shut-off valve 18 is open.
  • the introduced air volume which is under positive pressure, drives the exhaust gas turbine 5 and thus also the compressor 3. In this way, the exhaust gas turbocharger 2 is accelerated to its operating speed despite the small amounts of exhaust gas in these engine operating states.
  • the exhaust gas turbine 5 which is already rotating at the operating speed, can respond to the increased exhaust emissions of the internal combustion engine 1 without delay and an increased boost pressure of the intake combustion air can be generated in the compressor 3 become. In this way, the transient behavior of the ex ⁇ gas turbocharger 2 and the internal combustion engine 1 is improved.
  • the throttle element 15 is simultaneously transferred into its open position, so that a large part of the combustion air to be supplied takes the path directly via the line section of the intake tract and only a small part of the combustion air is guided via the air supply line 14 with the secondary turbine 11 arranged therein. If necessary, the shut-off valve 18 in the connecting line 17 can also be closed, as a result of which air flow through the connecting line 17 is excluded and the secondary charger 10 is practically disabled. In this case, a significant amount of air can no longer flow through the air supply line 14.
  • the detail Ib shown with a dash-dotted line shows a modified embodiment with a pressure accumulator 19 in the connecting line 17 between the outlet of the secondary compressor 12 and the exhaust line 6 upstream of the exhaust gas turbine 5.
  • Fresh air can be stored under increased pressure in the pressure accumulator 19 until, due to the current requirements an increased load and speed in the internal combustion engine must be set.
  • the shut-off valve 18, which was previously closed can be opened, whereupon the charged fresh air stored in the pressure accumulator flows into the exhaust line 6 and drives the turbine wheel of the exhaust gas turbine 5.
  • a rectifier valve 20 can be arranged in the connecting line 17 upstream of the pressure accumulator 19.
  • the variant with the pressure accumulator 19 offers the advantage that before the compressed air is introduced into the exhaust line, next, an increased pressure level in the pressure accumulator can be achieved, so that a rapid increase in the supercharger speed of the exhaust gas turbocharger can be realized when the shut-off valve 18 is opened.
  • the secondary turbine 11 and the secondary compressor of the secondary charger 12 is short-circuited 10 via egg ⁇ NEN air buffer 22.
  • the secondary compressor 12 takes fresh air from the environment under atmospheric pressure and conveys it into the air buffer 22, which is connected to the outlet of the secondary compressor 12.
  • the air buffer 22 is also connected to the inlet of the secondary turbine 11, the outlet of which is connected via the air supply line 14 to the intake tract 4, the air supply line 14 opening downstream of the adjustable throttle element 15 into the intake tract.
  • the air supply line 14 there is also a rectifier valve 21 downstream of the secondary turbine 11, which permits an air flow only in the direction of the intake tract 4.
  • the air buffer 22 is also connected via a bypass 23 directly to the intake tract 4 downstream of the throttle element 15.
  • An adjustable secondary throttle valve 24 is located in the bypass 23.
  • the throttle element 15 in the intake tract 4 can be closed.
  • the secondary throttle valve 24 in the bypass 23 is also closed, so that the air supply to the internal combustion engine 1 takes place via the secondary compressor 12, the air buffer 22, the secondary turbine 11 and the air supply line 14, which opens into the intake tract 4.
  • the Kundärturbine 11 Due to the pressure difference between the ambient air under atmospheric pressure and the negative pressure at the cylinder inlet side, the Kundärturbine 11 a drive which is transmitted via the shaft 13 to the secondary compressor 11, which then begins to convey air from the environment and compress it to an increased pressure in the air buffer 22.
  • magnification ⁇ the pressure difference between the input side and output side of the secondary turbine 11, whereby it is additionally driven ßert.
  • the secondary throttle valve in the bypass 23 can be opened, so that the compressed air in the air buffer 22 is supplied to the cylinders of the internal combustion engine directly bypassing the secondary turbine 11.
  • the air flow to be supplied can be controlled via the position of the secondary throttle valve 24.
  • the throttle element 15 in the intake tract 4 can be opened, so that an increasing proportion of the combustion air required is made available via the compressor 3 of the exhaust gas turbocharger 2. Because of this.
  • the exhaust gas turbocharger 2 is already at its minimum speed level, so that when the throttle element 15 begins to open from the compressor 3 without Time delay from the compressor 3 a sufficiently high pressure level can be generated in the intake tract 4.

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Abstract

Eine aufgeladene Brennkraftmaschine besitzt einen Abgasturbolader mit einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine (5) und einem im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter (3). Des Weiteren ist ein Sekundärlader (10) mit einem Sekundärverdichter (12) und einer Sekundärturbine (11)vorgesehen, wobei die Sekundärturbine (11) im Strömungsweg der Frischluft zur Brennkraftmaschine (1) angeordnet und der Sekundärturbinen-Auslass mit dem Ansaugtrakt (4) verbunden ist.

Description

DaimlerChrysler AG
Aufgeladene Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftma¬ schine nach dem Oberbegriff> des Anspruches 1.
In der Druckschrift DE 198 53 360 AI wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern beschrieben. Ein erster Abgasturbolader übernimmt die Funktion eines Hauptturboladers, dessen Abgasturbine im Abgasstrang und dessen Verdichter im Ansaugtrakt angeordnet ist, wobei der Verdichter unter Umgebungsluft angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimiert. Zur Verbesserung des transienten Ansprechverhaltens ist dem Hauptlader ein Sekundärlader nachgeschaltet, dessen Verdichter in einem zuschaltbaren Bypass stromab des Hauptverdichters im Ansaugtrakt und dessen Turbine ebenfalls in einem zuschaltbaren Bypass stromauf der Hauptturbine im Abgasstrang angeordnet ist. Im niederen Drehzahlbereich wird der Sekundärlader zugeschaltet, der aufgrund seiner geringeren Größe ein schnelleres Ansprechverhalten aufweist. Im mittleren und oberen Drehzahlbereich kommt dagegen der Hauptturbolader zum Tragen, welcher höhere Leistungen ermöglicht.
Voraussetzung für einen aktiven Betrieb sowohl des Hauptladers als auch des Sekundärladers ist jedoch eine Druckanforderung der Brennkraftmaschine im Ansaugtrakt mit Überdruck. Bei niedrigen Lasten und Drehzahlen, insbesondere im Leer¬ lauf, muss dagegen im Ansaugtrakt mithilfe einstellbarer Drosselelemente ein Unterdr ck erzeugt werden. In diesem Last- und Drehzahlbereich kann der Sekundärlader keinen Beitrag leisten. Mit ansteigender Last kann zwar durch die Inbe¬ triebnahme des Sekundärladers das transiente Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden, der Hauptlader läuft jedoch immer noch mit lediglich niedriger Drehzahl mit und muss bei weiter ansteigenden Lasten auf eine indest- Betriebsdrehzahl beschleunigt werden, damit vom Hauptverdichter eine signifikante Verdichtungsarbeit geleistet werden kann.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Ansprechverhalten von Brennkraftmaschinen insbesondere beim Beschleunigen aus niedrigen Lasten und Drehzahlen heraus zu verbessern. Zweckmäßig soll die Laderdrehzahl eines eingesetzten Abgasturboladers auch bei niedrigen Lasten und Motordrehzahlen auf ein Mindestniveau angehoben werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an. .
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besitzt zusätzlich zu dem Abgas urbolader, der im Abgasstrang eine Abgasturbine und im Ansaugtrakt einen Verdichter umfasst, einen Sekundärlader mit einer Sekundärturbine und einem Sekundärverdichter, wobei die Sekundärturbine im Strömungsweg der Frischluft zur Brennkraf maschine angeordnet ist und der Sekundärturbinen-Auslass mit dem Ansaugtrakt verbunden ist. Bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine, bei denen im Ansaugtrakt unmittelbar vor den Zylindereingängen ein Unterdruck herrscht, kann das Druckgefälle zwischen Umgebungsdruck und Unterdruck im Ansaugtrakt für den Antrieb der Sekundärturbine ausgenutzt werden (so genannter Kaltluf -Turbinenbetrieb), wobei der Sekundärturbinen-Antrieb über die Laderwelle auf den Sekundärverdichter übertragen wird, so dass der Sekundärverdichter Verdichtungsarbeit erzeugt. Diese Verdichtungsar¬ beit kann für die Verdichtung von Gas für unterschiedliche Einsatzzwecke in der Brennkraftmaschine verwendet werden, insbesondere aber für Drehzahlsteigerungen des Abgasturboladers herangezogen werden.
Der Sekundärverdichter saugt zweckmäßig Frischluft unter Umgebungsdruck an und komprimiert diese auf einen erhöhten Druck, unter dem die Frischluft weiter verwendet werden kann. Gemäß einer ersten zweckmäßigen Ausführung wird die im Sekundärverdichter komprimierte Luft in den Abgasstrang stromauf der Abgasturbine eingeleitet, so dass die Abgasturbine von einem zusätzlichen Gasvolumen mit erhöhtem Druck durchströmt und hierdurch die Laderdrehzahl des Abgasturboladers angehoben wird. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise im Leerlauf des Motors, kann auf diese Weise eine Dreh- zahlanhebung des Abgasturboladers erreicht werden, die mit dem bei diesen Motorbedingungen verhältnismäßig geringen Ab- gasausstσß alleine nicht zu realisieren wäre. Mittels der Einspeisung der vom Sekundärverdichter komprimierten Luft in den Abgasstrang stromauf der Abgasturbine wird somit bereits bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine signifikante Drehzahlsteigerung des Laders erreicht. Bei einem Anstieg der Motordrehzahl und einer hiermit einhergehenden höheren Druckanforderung im Ansäugtrakt kann der bereits mit Betriebsdrehzahl umlaufende Abgasturbolader ohne zeitliche 'Verzögerung den gewünschten, erhöhten Ladedruck bereitstellen. Gemäß einer zweiten zweckmäßigen Ausführung ist der Auslass des Sekundärverdichters direkt oder indirekt mit dem Einlass der Sekundärtur ine verbunden, wodurch ein Kurzschluss zwischen Sekundärverdichter und Sekundärturbine realisiert wird. In dieser Betriebsweise strömt bei niedrigen Lasten und Dreh¬ zahlen der Brennkraftmaschine zunächst Frischluft durch den Sekundärverdichter hindurch, die anschließend durch die Sekundärturbine geleitet wird, wobei über der Sekundärturbine aufgrund des Unterdruckes im Ansaugtrakt ein Druckgefälle herrscht, welches für den Antrieb der Sekundärturbine dient. Der Antrieb der Sekundärturbine wird auf den Sekundärverdichter übertragen, welcher die durchgeschleuste Frischluft auf einen erhöhten Druck verdichtet. Nach und nach stellt sich somit stromab des Sekundärverdichters und stromauf der Sekundärturbine ein erhöhtes Druckniveau ein, wobei zwischen Sekundärverdichter und Sekundärturbine vorteilhaft ein Luftpuffer angeordnet ist, in welchem das verdichtete Luftvolumen gesammelt wird. Das ansteigende Druckniveau im Luftpuffer verbessert den Antrieb der Sekundärturbine.
Aus dem Luftpuffer strömt zum einen die komprimierte Luft durch die Sekundärturbine und treibt diese an, zum andern kann über einen Bypass, welcher unmittelbar zwischen Luftpuffer und Ansaugtrakt liegt und in dem vorteilhaft eine Sekun- där-Drosselklappe angeordnet ist, der Inhalt des Luftpuffers direkt unter Umgehung der Sekundärturbine in den Ansaugtrakt eingespeist werden. Die . Zeitspanne, bestehend aus einer ersten Phase mit geschlossenem Bypass und Luftführung über die Sekundärturbine in den Ansaugtrakt und einer zweiten Phase mit geöffnetem Bypass und unmittelbarer Einleitung zusätzlicher Frischluft aus dem Luftpuffer in den Ansaugtrakt, reicht aus, den Abgasturbolader durch die Abgase der Brennkraftmaschine auf Betriebsdrehzahl zu beschleunigen, so dass bei zunehmender Last- und Motordrehzahl der Abgasturbolader ohne Zeitverzögerung einen erhöhten Ladedruck im Ansaugtrakt gene¬ rieren kann. Der Sekundärlader spielt in dieser Phase mit höheren Lasten und Motordrehzahlen nur noch eine untergeordnete Rolle.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weite¬ ren Ansprüchen,. der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem Sekundärlader, wobei der Verdichterausgang des Sekundärladers über eine Verbindungsleitung mit dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine verbunden ist,
Fig. 2 eine Brennkraftmaschine in modifizierter Ausführung, gemäß der der Verdichterausgang und der Turbineneingang des Sekundärladers über einen Luftpuffer miteinander verbunden sind.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszei- chen versehen.
Der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 - ein Ottomotor oder eine Diesel-Brennkraftmaschine - ist ein Abgasturbolader 2 mit einem Verdichter 3 und einer Abgasturbine 5 zugeordnet, wobei Verdichter 3 und Abgasturbine 5 über eine Welle 7 drehgekoppelt sind. Der Verdichter 3 ist im Ansaugtrakt 4 der Brennkraftmaschine, die Abgasturbine 5 im Abgasstrang 6 angeordnet. Das Turbinenrad der Abgasturbine 5 wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraf maschine angetrieben, die Drehbewegung wird über die Welle 7 auf das Verdichterrad übertragen, woraufhin aus der Umgebung Verbrennungsluft angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck im An- saugtrakt verdichtet wird. Die verdichtete Verbrennungsluft wird stromab des Verdichters 3 im Ansaugtrakt 4 in einem La¬ deluftkühler 8 gekühlt und anschließend unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden über den Abgasstrang 6 und die im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine 5 abgeleitet.
Des Weiteren ist eine Steuer- und Regeleinheit 9 vorgesehen, welche in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine sowie gegebenenfalls auch in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen die der Brennkraftmaschine zugeordneten und verstellbaren Aggregate einstellt .
Zusätzlich zum Abgasturbolader 2 ist der- Brennkraftmaschine 1 ein Sekundärlader 10 zugeordnet, welcher insbesondere kleiner als der Abgasturbolader 2 dimensioniert ist und somit aufgrund seiner geringeren Masse und seines kleineren Trägheitsmomentes schneller auf seine Betriebsdrehzahl beschleunigt werden kann. Der Sekundärlader 10 umfasst eine Sekundärturbine 11 sowie einen Sekundärverdichter 12, wobei Turbinenrad und Verdichterrad über eine Welle 13 gekoppelt sind. Die Sekundärturbine 11 liegt im Strömungsweg der Frisch- bzw. Verbrennungsluft, welche den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zuzuführen ist. Dies wird dadurch realisiert, dass stromauf eines einstellbaren Drosselgliedes 15 im Ansaugtrakt 4 eine Luftzufuhrleitung 14 vom Ansaugtrakt abzweigt, welche in den Einlass der Sekundärturbine 11 einmündet. Der Auslass der Sekundärturbine 11 ist über einen Leitungsabschnitt 16 mit dem Ansaugtrakt 4 stromab des Drosselgliedes 15 verbunden.
Der Einlass des Sekundärverdichters 12 kommuniziert mit der Umgebung, Umgebungsluft wird mit Atmosphärendruck dem Einlass des Sekundärverdichters 12 zugeführt. Der Auslass des Sekundärverdichters 12 ist über eine Verbindungsleitung 17 mit dem Abgasstrang 6 stromauf der Abgasturbine 5 verbunden. In der Verbindungsleitung 17 befindet sich ein einstellbares Sperrventil 18.
Bei niedrigen- Lasten und Motordrehzahlen, insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine 1, kann das Drosselglied 15 im Ansaugtrakt 4 geschlossen oder zumindest beinahe geschlos¬ sen werden, so dass die Verbrennungsluft gezwungen ist, den Weg über die Luftzufuhrleitung 14 und die Sekundärturbine 11 sowie den Leitungsabschnitt 16 zu nehmen. Aufgrund des in diesen Betriebszuständen herrschenden Unterdrucks im Bereich der Zylindereingänge der Brennkraftmaschine entsteht über der Sekundärturbine 11 ein Druckabfall, da eingangsseitig Atmosphärendruck und ausgangsseitig Unterdruck anliegt. Dieser Druckabfall bewirkt einen Antrieb der Sekundärturbine 11, deren Drehbewegung über die Welle 13 auf den Sekundärverdichter 12 übertragen wird, woraufhin vom Sekundärverdichter 12 Frischluft aus der Umgebung angesaugt und auf einen erhöhten Druck verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird über den Ausgang des Sekundärverdichters 12 in die Verbindungsleitung 17 eingeleitet und bei geöffnetem Sperrventil 18 in den Abgasstrang 6 stromauf der Abgasturbine 5 eingeführt. Das eingeführte Luftvolumen, welches unter Überdruck steht, treibt die Abgasturbine 5 und damit auch den Verdichter 3 an. Auf diese Weise wird der Abgasturbolader 2 trotz der in diesen Motorbetriebszuständen nur geringen Abgasmengen auf seine Betriebsdrehzahl beschleunigt.
Wird - ausgehend von niedrigen Lasten und Drehzahlen - eine höhere Lastanforderung an die Brennkraftmaschine vorgegeben, so kann bei erhöhtem Abgasausstoß der Brennkraftmaschine 1 die bereits mit Betriebsdrehzahl umlaufende Abgasturbine 5 ohne Verzögerung ansprechen und es kann im Verdichter 3 ein erhöhter Ladedruck der angesaugten Verbrennungsluft erzeugt werden. Auf diese Weise wird das transiente Verhalten des Ab¬ gasturboladers 2 und der Brennkraftmaschine 1 verbessert. Das Drosselglied 15 wird zugleich in seine Öffnungsposition überführt, so dass ein Großteil der zuzuführenden Verbrennungs- luft den Weg unmittelbar über den Leitungsstrang des Ansaugtraktes nimmt und über die Luftzufuhrleitung 14 mit der darin angeordneten Sekundärturbine 11 nur noch ein kleiner Anteil der Verbrennungsluft geführt wird. Gegebenenfalls kann auch das Sperrventil 18 in der Verbindungsleitung 17 geschlossen werden, wodurch eine Luftströmung durch die Verbindungsleitung 17 ausgeschlossen ist und der Sekundärlader 10 praktisch außer Kraft gesetzt ist. In diesem Fall kann durch die Luftzufuhrleitung 14 keine signifikante Luftmenge mehr hindurchströmen.
Das mit strichpunktierter Linie dargestellte Detail Ib zeigt eine modifizierte Ausführung mit einem Druckspeicher 19 in der Verbindungsleitung 17 zwischen dem Auslass des Sekundärverdichters 12 und dem Abgasstrang 6 stromauf der Abgasturbine 5. Im Druckspeicher 19 kann so lange Frischluf unter erhöhtem Druck gespeichert werden, bis aufgrund der aktuellen Anforderungen eine erhöhte Last- und Drehzahl in der Brennkraftmaschine eingestellt werden muss. Zu diesem Zeitpunkt kann das bis dahin geschlossene Sperrventil 18 geöffnet werden, woraufhin die im Druckspeicher gespeicherte, aufgeladene Frischluft in den Abgasstrang 6 einströmt und das Turbinenrad der Abgasturbine 5 antreibt. Um zu verhindern, dass Frischluft aus 'dem Druckspeicher 19 wieder in Richtung Sekundärverdichter 2 zurückströmt, kann stromauf des Druckspeichers 19 ein Gleichrichterventil 20 in der Verbindungsleitung 17 angeordnet sein.
Die Variante mit dem Druckspeicher 19 bietet den Vorteil, dass vor der Einleitung der Druckluft in den Abgasstrang zu- nächst ein erhöhtes Druckniveau im Druckspeicher erreicht werden kann, so dass beim Öffnen des Sperrventiles 18 ein schneller Anstieg der Laderdrehzahl des Abgasturboladers realisiert werden kann.
In der Ausführung gemäß Fig. 2 sind die Sekundärturbine 11 und der Sekundärverdichter 12 des Sekundärladers 10 über ei¬ nen Luftpuffer 22 kurzgeschlossen. Der Sekundärverdichter 12 entnimmt der Umgebung Frischluft unter Atmosphärendruck und fördert diese in den Luftpuffer 22, welcher mit dem Auslass des Sekundärverdichters 12 verbunden ist. Der Luftpuffer 22 ist außerdem mit dem Einlass der Sekundärturbine 11 verbunden, deren Auslass über die Luf zufuhrleitung 14 mit dem Ansaugtrakt 4 verbunden ist, wobei die Luftzufuhrleitung 14 stromab des einstellbaren Drosselgliedes 15 in den Ansaugtrakt einmündet . In der Luftzufuhrleitung 14 befindet sich stromab der Sekundärturbine 11 außerdem ein Gleichrichterventil 21, welches eine Luftströmung nur in Richtung Ansaugtrakt 4 erlaubt .
Der Luftpuffer 22 ist außerdem über einen Bypass 23 direkt mit dem Ansaugtrakt 4 stromab des Drosselgliedes 15 verbunden. Im Bypass 23 befindet sich eine einstellbare Sekundär- Drosselklappe 24.
Bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 kann das Drosselglied 15 im Ansaugtrakt 4 geschlossen werden. Auch die Sekundär-Drosselklappe 24 im Bypass 23 wird geschlossen, so dass die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine 1 ü- ber den Sekundärverdichter 12, den Luftpuffer 22, die Sekundärturbine 11 und die Luftzufuhrleitung 14, welche in den Ansaugtrakt 4 mündet, erfolgt. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der unter Atmosphärendruck stehenden Umgebungsluft und dem Unterdr ck an der Zylindereingangsseite, erfährt die Se- kundärturbine 11 einen Antrieb, welcher über die Welle 13 auf den Sekundärverdichter 11 übertragen wird, der daraufhin beginnt, Luft aus der Umgebung zu fördern und auf einen erhöhten Druck im Luftpuffer 22 zu verdichten. Hierdurch vergrö¬ ßert sich die Druckdifferenz zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite der Sekundärturbine 11, wodurch diese zusätzlich angetrieben wird.
Bei einer erhöhten Lastanforderung der Brennkraftmaschine 1 kann die Sekundär-Drosselklappe im Bypass 23 geöffnet werden, so dass die Druckluft im Luftpuffer 22 unmittelbar unter Umgehung der Sekundärturbine 11 den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Über die Position der Sekundär- Drosselklappe 24 kann der zuzuführende Luftstrom gesteuert werden .
Sobald der Luftstrom nicht mehr ausreicht, um die Anforderung der Brennkraftmaschine zu erfüllen, kann das Drosselglied 15 im Ansaugtrakt 4 geöffnet werden, so dass ein zunehmender Anteil der benötigten Verbrennungsluft über den Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 bereitgestellt wird. Da zu diesem. Zeitpunkt die Brennkraftmaschine ihren niedersten Last- und Drehzahlbereich bereits verlassen hat und demzufolge auch mehr Abgas produziert, welches die Abgasturbine 5 antreibt, befindet sich der Abgasturbolader 2 bereits auf seinem Mindest-Drehzahlniveau, so dass mit Beginn des Öffnens des Drosselgliedes 15 vom Verdichter 3 ohne Zeitverzögerung vom Verdichter 3 ein ausreichend hohes Druckniveau im Ansaugtrakt 4 erzeugt werden kann.
Die Sekundär-Drosselklappe 24 im Bypass 23, welcher vom Luftpuffer 22 abzweigt, kann nunmehr wieder geschlossen werden. Da der Druck im Ansaugtrakt bei diesen Lastbedingungen höher ist als der Umgebungsdruck, existiert auch kein die Sekundär- turbine 11 antreibender Druckabfall mehr, so dass der Sekundärlader 10 nun außer Kraft gesetzt ist.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Aufgeladene Brennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader (2) , der eine im Abgasstrang (6) angeordnete Abgasturbine (5) und einen von der Abgasturbine (5) angetriebenen, im Ansaugtrakt (4) angeordneten Verdichter (3) umfasst, und mit einem Sekundärlader (10) , der eine Sekundärturbine (11) und einen Sekundärverdichter (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärturbine (11) im Strömungsweg der Frischluft zur Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei der Sekύndärturbinen-Auslass mit dem Ansaugtrakt (4) verbunden ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sekundärverdichter (12) Frischluft unter Umgebungsdruck zuführbar ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärturbinen-Auslass stromab des Verdichters (3) in den Ansaugtrakt (4) mündet.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärturbinen-Auslass stromab eines einstellbaren Drosselglieds (15) in den Ansaugtrakt (4) mündet.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärturbinen-Einlass mit einer Luftzufuhrleitung (14) verbunden ist, die vom Ansaugtrakt (4) abzweigt .
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 und 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhrleitung (14) stromauf des Drosselglieds (15) abzweigt.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärverdichter-Auslass über eine Verbindungsleitung (17) mit dem 7Abgasstrang (6) verbunden ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (17) ein Druckspeicher (19) angeordnet ist.
9. Brennkraftmaschine nach /Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (17) ein einstellbares Sperrventil (18) angeordnet ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärverdichter-Auslass mit dem Sekundärturbinen-Einlass verbunden ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sekundärverdichter-Auslass und Sekundärturbinen-Einlass ein Luftpuffer (22) angeordnet ist.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpuffer (22) über einen Bypass (23) direkt mit dem Ansaugtrakt (4) verbunden ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bypass (23) eine einstellbare Sekundär- Drosselklappe (24) angeordnet ist.
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