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WO2012072183A1 - Aufladeeinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Aufladeeinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO2012072183A1
WO2012072183A1 PCT/EP2011/005661 EP2011005661W WO2012072183A1 WO 2012072183 A1 WO2012072183 A1 WO 2012072183A1 EP 2011005661 W EP2011005661 W EP 2011005661W WO 2012072183 A1 WO2012072183 A1 WO 2012072183A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
exhaust gas
turbine
turbine wheel
additional air
internal combustion
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/005661
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Stiller
Kai Kanning
Siegfried Sumser
Tobias Lorenz
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
Publication of WO2012072183A1 publication Critical patent/WO2012072183A1/de

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a charging device for an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1. Art.
  • the gas storage Has intake and a turbine in an exhaust line and a gas storage for receiving compressed gas.
  • the gas storage is charged or discharged depending on the operating state of the internal combustion engine, the gas storage is filled by the exhaust back pressure upstream of the turbine with exhaust gas, which additionally drives the exhaust gas turbocharger when unloading the gas storage.
  • exhaust gas which additionally drives the exhaust gas turbocharger when unloading the gas storage.
  • its storage contents can be fed to the exhaust gas line upstream of the turbine.
  • DE 101 58 874 A1 discloses an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, with an exhaust gas turbine in the exhaust line and a compressor in the intake, wherein the compressor comprises a compressor in an inflow passage in the compressor housing, and with an additional air feeding device associated with the compressor area.
  • the additional air feed device comprises an additional air channel in the compressor housing for the supply of additional air, which is to be introduced via an injection opening in the wall of the inflow channel compressed into the inflow region of the compressor wheel.
  • Such a charging device for an internal combustion engine of a motor vehicle comprises at least one exhaust gas turbocharger which, in an exhaust tract of the
  • Internal combustion engine through-flow turbine housing comprises.
  • Turbine housing is rotatably received by the exhaust gas acted upon and thereby driven turbine wheel.
  • the charging device further comprises at least one supply device, by means of which the exhaust gas turbocharger additional air can be supplied.
  • the feed device has at least one introduction point arranged in the exhaust tract, via which the turbine wheel is connected to the
  • Driving desselbigen can be acted upon with the additional air. This can do that
  • the compressor For compressing the air, the compressor comprises, for example, a compressor wheel rotatably connected to a shaft, wherein the turbine wheel is also connected in a rotationally fixed manner to the shaft. If the turbine wheel is exposed to exhaust gas and from this
  • Internal combustion engines can compress supplied air.
  • the drive of the turbine wheel and thus the compressor wheel thus depends in particular on the mass flow of the exhaust gas, which flows through the turbine housing and the turbine wheel flows.
  • it may come to low mass flows of the exhaust gas, so that in particular the high load ranges and therefore possibly a high moment of inertia having turbine wheel can not be driven as desired.
  • This only happens an inert pressure build-up of the compressor and thus an inert power or torque buildup of the internal combustion engine. This leads to a
  • turbo lag undesirable driving behavior
  • turbo lag is thereby avoided or at least reduced.
  • the charging device according to the invention has in particular the advantage that an introduction of the additional air for driving the exhaust gas turbocharger or the turbine wheel is not provided an intake tract but in the exhaust gas tract of the internal combustion engine.
  • the introduction of additional air for driving the exhaust gas turbocharger in the intake tract has the disadvantage that in this solution, at least one
  • Valve device must be provided in the intake tract, so that it is none
  • valve device obstructs the intake tract, so that it does not come to this backflow.
  • the compressor delivers against the closed valve direction and thus against a closed system, so that the compressor exceeds its surge limit, if no additional blow-off device is provided upstream of the valve.
  • the charging device according to the invention it is possible to direct the additional air at least substantially directly to the turbine wheel and thus to be able to drive it particularly efficiently.
  • the additional air in the charging device according to the invention can be introduced into the exhaust tract at a substantially higher pressure than in the intake tract, so that the turbine wheel can be driven in a particularly advantageous manner.
  • no complex pressure control is needed.
  • the compressor reaches its pumping limit or even this
  • variable turbine used as the turbine of the exhaust gas turbocharger.
  • a variable turbine comprises an adjusting device, by means of which flow conditions in the flow direction of the exhaust gas upstream of the turbine wheel and / or stromabigen are influenced.
  • the adjusting device makes it possible, for example, at least one
  • the charging device according to the invention has the further advantage that such adjusting devices and thus additional components are not necessarily required to realize a very good instationary behavior of the internal combustion engine. As a result, the charging device according to the invention has a low number of parts, low weight and low costs.
  • the charging device according to the invention can be used in internal combustion engines for passenger cars.
  • the advantage of the low cost comes especially in internal combustion engine for commercial vehicles to fruition, since their cost-effectiveness depends in particular on the cost, which can be kept low by the charging device according to the invention.
  • the charging device allows efficient operation of the
  • Turbine pressure ratio pressure upstream of the turbine wheel in relation to the pressure downstream of the turbine wheel
  • Turbine pressure ratio pressure upstream of the turbine wheel in relation to the pressure downstream of the turbine wheel
  • the discharge point is at least partially arranged upstream of the turbine wheel.
  • the turbine can be supplied particularly well the additional air and the turbine wheel are particularly efficient driven by the additional air.
  • the discharge point is at least partially disposed in the axial direction of the turbine wheel in at least partially overlapping with a Rastructure of the turbine wheel, wherein the Raley is advantageously designed to be open.
  • the additional air can be supplied to the turbine wheel at least substantially axially and the additional air can first at least substantially axially flow from the particular open RaITA forth vanes of the turbine wheel and thereby drive the turbine wheel.
  • the turbine wheel by means of the feed device with compressed air as the additional air can be acted upon.
  • the additional air is pressurized air
  • compressed air compressed air
  • additional air is compressed, for example by means of an air compressor to a pressure of 10 to 12 bar inclusive and optionally in one Storage device, such as a pressure vessel, stored, in particular cached.
  • the storage device communicates fluidically with the point of introduction, so that the additional compressed air present as compressed air can flow from the storage device to the point of introduction and flow to the turbine wheel.
  • the high pressure of the additional air has the advantage that thereby the turbine wheel and thus the compressor wheel in particular in low load ranges of
  • Internal combustion engine can be driven particularly well, which is associated with a particularly advantageous compression of the air and thus with a particularly advantageous torque structure of the internal combustion engine.
  • the feed device comprises a valve device by means of which the additional air can be introduced as required into the exhaust tract and the
  • This valve device is, for example, a clocked valve.
  • a connecting line of the storage device and the discharge point is at least in
  • Insert intermediate position in which the connecting line is only partially fluidly released and a flow cross-section is set, which is smaller than the maximum flow cross-section.
  • a plurality of such intermediate positions are adjustable.
  • the valve means a so-called black and white valve, which completely blocks the connection line fluidically or can release completely fluid.
  • the clocked valve allows a very precise supply of air into the exhaust system, while the black and white valve has very low cost.
  • the feed device comprises a swirl device, by means of which the additional air which acts on the turbine wheel is to be provided with a swirl.
  • the additional air flowing to the turbine wheel has a twist and thus a high
  • the discharge point is at least partially disposed at the height of a largest diameter of the turbine wheel. This leads to a particularly efficient implementation of the energy contained in the flow of the additional air for driving the turbine wheel, whereby a particularly good transient behavior of the internal combustion engine is shown.
  • the turbine power is proportional to the inlet temperature of an incoming and acting on the turbine wheel gas for driving the turbine wheel, which is the exhaust gas of the internal combustion engine and / or the additional air in the charging device according to the invention.
  • at least one heating device is provided, by means of which the additional air can be heated upstream of the turbine wheel.
  • Compressor can be driven particularly well. This is a desired provided by the compressor boost pressure in a particularly short time to avoid the so-called turbo lag available. In addition, this prevents it at the point of introduction to icing, especially at low temperatures comes, which could adjust with a content of the storage device with ambient temperature and cold internal combustion engine.
  • the reheating device preferably comprises a heat exchanger, by means of which the additional air can be heated to the additional air as a result of heat transfer from the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • a Laval nozzle is provided at the point of introduction, via which the turbine wheel can be acted upon by the additional air, then the turbine wheel can be acted upon by the additional air in a particularly efficient and streamlined manner and can therefore be driven.
  • the turbine housing has at least two floods which are fluidly separated from each other at least in regions by means of a partition wall of the turbine housing.
  • the turbine housing is formed at least twice.
  • the partition wall of the turbine housing is provided, wherein in this partition a fluidically connected to the inlet and by the additional air flow-through inlet channel is formed, via which the turbine wheel with the additional air can be acted upon.
  • This supply of additional air via the inlet channel not only means a particularly streamlined supply of additional air to the turbine wheel.
  • this has the turbine housing and thus the entire charging only a very small space requirement, which contributes to the avoidance and solution of package problems, especially in a space-critical area such as an engine compartment of the motor vehicle.
  • Turbine housing supplied, in particular blown, is.
  • the manufacturing costs for the turbine housing can be kept low.
  • the flood in which the additional air is optionally injected, it is a so-called lambda flood, which in particular during operation of the Charger fulfills the task of providing a desired air-fuel ratio of the internal combustion engine.
  • the other of the floods is, for example, a so-called EGR flood (EGR exhaust gas recirculation), which at least essentially fulfills the task of providing an advantageous upflow behavior of the turbine, so that an advantageous and desired large amount of exhaust gas from the exhaust gas tract can be returned to the intake of the internal combustion engine and introduced into this. This is by the EGR flood (EGR exhaust gas recirculation), which at least essentially fulfills the task of providing an advantageous upflow behavior of the turbine, so that an advantageous and desired large amount of exhaust gas from the exhaust gas tract can be returned to the intake of the internal combustion engine and introduced into this.
  • EGR flood EGR exhaust gas recirculation
  • the floods of the turbine housing may be symmetrical to each other and have at least substantially equal flow cross-sections.
  • the floods are formed asymmetrically to each other, wherein the lambda flood, for example, has a flow cross-section which is greater than a flow cross section of EGR flow.
  • an introduction channel which is fluidically connected to the introduction point and can be flowed through by the additional air is provided, which curved in the circumferential direction of the turbine wheel, kinked, bent and / or otherwise curved or oblique and at the discharge point, in particular directly, subsequent Mouth region has, via which the inlet channel opens into a receiving space of the turbine housing in which the turbine wheel is accommodated.
  • This mouth region allows the additional air to be fed obliquely to the turbine wheel in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference, so that the flow of additional air in the circumferential direction of the turbine wheel is already pre-aligned and the turbine wheel does not flow perpendicular to its axis of rotation.
  • the additional air for flowing into the receiving space in the circumferential direction of the turbine wheel is deflected in its direction of rotation, so that the additional air can flow the turbine wheel particularly streamlined. This leads to a particularly speed and thus boost pressure buildup of the exhaust gas turbocharger.
  • the charging device By means of the charging device, it is in particular possible to design internal combustion engines with regard to the downsizing principle. This means that by means of charging device according to the invention also in internal combustion engines with a relatively small displacement high torques and high performance can be realized while implementing the advantageous instationary behavior.
  • the charging device may also comprise at least two exhaust gas turbochargers with a respective turbine arranged in the exhaust tract of the internal combustion engine, which exhaust gas of the internal combustion engine can be flowed through and arranged in series with one another. This means that the exhaust gas flows through first a first of the turbines and then the second of the turbines. Before flowing through the first turbine, the exhaust gas has a certain pressure level. The exhaust gas is expanded by the first turbine and in particular by the turbine wheel of the first turbine and thus lowered to a contrast lower pressure level.
  • the exhaust gas flows through the second turbine, through which, in particular by the turbine wheel of the second turbine, the exhaust gas in turn expands and is lowered to a contrast lower pressure level.
  • the first turbine as a high-pressure turbine and thus the exhaust gas turbocharger comprising this high-pressure turbine is called a high-pressure exhaust gas turbocharger
  • the second turbine as a low-pressure turbine and accordingly the exhaust gas turbocharger comprising this low-pressure turbine can be referred to as a low-pressure exhaust gas turbocharger.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine with a
  • Charging device which comprises an exhaust gas turbocharger, the additional means for driving the exhaust gas turbocharger can be fed by means of a feeding device of the charging device;
  • Fig. 2 is a schematic diagram of another embodiment of the
  • Fig. 3 is a schematic longitudinal sectional view of an exhaust gas turbocharger for a
  • FIGS. 3 and 4 shows a detail of a schematic longitudinal sectional view of a turbine of an exhaust gas turbocharger according to FIGS. 3 and 4;
  • Embodiment of the turbine according to FIG. 5 Embodiment of the turbine according to FIG. 5.
  • Fig. 1 shows an internal combustion engine 10 for a motor vehicle with six cylinders 12 and 12 '.
  • this air sucks according to a directional arrow 14 from the environment, the air is under ambient pressure p1.
  • the air flows via a corresponding intake piping of an intake tract 15 of the internal combustion engine 10 to a compressor 16 arranged in the intake manifold 15 of an exhaust gas turbocharger 18 of a charging device 19 of the internal combustion engine 10, wherein the air is compressed by the compressor 16 to a relation to the ambient pressure p1 higher boost pressure.
  • the air heated by the compression flows via a corresponding intake piping of the intake tract 15 to an intercooler 20, through which it flows and by means of which the air is cooled again to increase the degree of turbocharging.
  • Downstream of Charge air cooler 20 the air flows through a corresponding intake piping of the intake tract 15 on to an air intake manifold 22 arranged in the intake manifold 15, by means of which the standing under a pressure p2s air to the cylinders 12 and 12 'is supplied.
  • the internal combustion engine 10 is, for example, a directly injecting gasoline engine or a directly injecting diesel engine, wherein fuel is injected directly into the cylinders 12 and 12 'by means of a respective injector and thus supplied to the air in the cylinders 12 and 12' ,
  • the internal combustion engine 10 may also be a directly injecting gasoline engine or a directly injecting diesel engine, wherein fuel is injected directly into the cylinders 12 and 12 'by means of a respective injector and thus supplied to the air in the cylinders 12 and 12' ,
  • the internal combustion engine 10 may also be a
  • Internal combustion engine 10 act with intake manifold injection, wherein the air upstream of the cylinder 12 and 12 ', for example, in the air distributor 22, is supplied with fuel. Thus, a premixed air-fuel mixture flows into the cylinders 12 and 12 '.
  • an air-fuel mixture which is ignited by spark ignition or by auto-ignition and burns.
  • an exhaust gas is produced in the cylinders 12 and 12 ', which flows out of the cylinders 12 and 12' and into a corresponding exhaust gas piping via an exhaust manifold 32 arranged in an exhaust tract 31 of the internal combustion engine 10.
  • an exhaust tract 31 is a turbine 34 of the
  • Exhaust gas turbocharger 8 is arranged, which comprises, for example, two asymmetrical to each other formed floods 36 and 36 '.
  • the exhaust gas is introduced by means of the exhaust piping.
  • About these floods 36 and 36 ' is arranged in a receiving space of a turbine housing of the turbine 34
  • the turbine wheel is rotatably connected to a shaft 38 of the exhaust gas turbocharger 18, with which a compressor wheel of the compressor 16 is rotatably connected. So the compressor wheel can be driven via the turbine wheel and compress the air.
  • Combustion manifold 32 is summarized and the flood 36 'is supplied by means of the corresponding exhaust piping.
  • the exhaust gas has the pressure p31.
  • the flood 36 ' acts as a so-called EGR flood, which has a smaller flow cross-section than the flood 36 acting as a so-called lambda flood.
  • the flood 36' provides Thus, a desired high Aufstauu ready, so that a desired high amount of exhaust gas by means of an exhaust gas recirculation device 24 of the
  • Internal combustion engine 0 is branched off from the exhaust tract 31 and to the
  • Intake tract 15 can be recycled and introduced into the intake tract 15.
  • the lambda flood at least substantially fulfills the task of setting a desired ratio of the fuel to the air in the air-fuel mixture.
  • the exhaust of the flood 36 has the pressure p32
  • the exhaust gas is supplied via the floods 36 and 36 'to the turbine wheel and expanded by the turbine 34, so that the exhaust gas downstream of the turbine wheel has a lower pressure p4 than the pressures p31 and p32. About a corresponding exhaust piping then the exhaust gas is released to the environment.
  • the exhaust gas recirculation device 24 For recirculation of the exhaust gas, the exhaust gas recirculation device 24 comprises a
  • Branch point 28 at which an exhaust gas recirculation line 26 fluidly with the
  • Exhaust piping is connected. Thus, exhaust gas from the exhaust piping into the
  • Exhaust gas recirculation line 26 are returned to the intake manifold 15. This is the
  • Exhaust gas recirculation line 26 fluidly connected to the Ansaugverrohrung at a discharge point 30 so that the exhaust gas from the exhaust gas recirculation line 26 can flow into the exhaust pipe.
  • the compressed air is exposed to exhaust gas, so that particle and nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine 10 can be kept low.
  • the exhaust gas recirculation device 24 comprises an exhaust gas recirculation cooler 40, by means of which the exhaust gas flowing through the exhaust gas recirculation line 26 is to be cooled. Furthermore, the exhaust gas recirculation device 24 comprises an exhaust gas recirculation valve 42, by means of which a
  • desired recirculating amount of exhaust gas is adjustable.
  • the charging device 19 comprises an air compressor 44 of a feed device 45 of the charging device 19, which can be driven by the internal combustion engine 10.
  • the air compressor 44 is connected, for example via at least one belt, via at least one chain, via at least one pair of gears or the like connecting element with a crankshaft of the internal combustion engine 10.
  • the air compressor 44 sucks during its operation air from the environment according to a directional arrow 46 and compresses this air.
  • the compressed air flows to a downstream of the
  • Air compressor arranged tank 48 of the feeding device 45 in which the compressed and thus stored as compressed air is stored.
  • the air in the tank 48 has a pressure in the range of 10 to 12 bar inclusive.
  • the received in the tank 48 and present as compressed air air is used as additional air to drive the turbine of the turbine 34 of the exhaust gas turbocharger 18 and thus the compressor wheel of the compressor 6 of the exhaust gas turbocharger 18.
  • a connecting line 50 of the feed device 45 is provided, which is fluidically connected on the one hand to the tank 48. On the other hand, it flows at least indirectly into the receiving space in which the turbine wheel of the turbine 34 is received. This means that the additional air can be introduced into the turbine housing and the turbine wheel can be acted upon by this additional air in order to drive it by means of the additional air, in particular in addition to the exhaust gas.
  • This low mass flow of the exhaust gas may not be capable of higher load ranges, in particular the full load range, the
  • Internal combustion engine 10 designed and possibly a high inertia having turbine wheel to drive in a desired manner, so that it comes to only sluggish speed structure of the compressor wheel at a transition from low load ranges to the contrast higher load ranges. This can lead to an undesirable instationary behavior of the internal combustion engine 10 and to an undesired driving behavior of the same, since with the
  • Internal combustion engine can provide a desired by a driver of the motor vehicle torque or a desired performance.
  • the turbine wheel and thus the compressor can be driven by the additional air in particular at a transition from lower to higher load ranges.
  • This possibility of driving the turbine wheel both by means of the exhaust gas and by means of the additional air even at the transition from low to higher load ranges, a fast speed and thus a faster boost pressure build-up, so that the torque desired by the driver or the desired performance at least almost without delay of the
  • Internal combustion engine 10 can be provided.
  • Turbine performance increased and run-up i.
  • the so-called turbo lag is at least in the
  • Feeding device 45 is not adversely affected.
  • the feed device 45 comprises a valve device 54.
  • the valve device 54 for example, only between one
  • a minimum flow cross-section for example a
  • valve device 54 has at least one intermediate position between the release position and the closed position, in which a smaller flow cross-section than in the release position but a larger
  • Valve device 54 adjustable, wherein the intermediate positions differ with respect to the enabled or blocked flow cross-section.
  • the turbine 34 of the exhaust gas turbocharger 18 is designed for example as a solid geometry turbine. That it does not include any adjusting device for influencing
  • the turbine 34 also includes such an adjusting device, by means of which the flow conditions upstream and / or downstream of the turbine wheel can be influenced.
  • Such an adjusting device allows, for example, the
  • the turbine 34 includes a bypass 56 having a bypass 58 through which exhaust gas can bypass the turbine. As a result, the turbine wheel is not acted upon by the exhaust gas and not driven by this.
  • Bypass device 58 serves to control the boost pressure.
  • Bypass device 56 an ambient valve 60, which is also referred to as waste gate.
  • the charging device 19 with the feeding device 45 also has the advantage that in addition to the thermodynamic advantages by driving the turbine by means of the additional air, the need for flaps, valve means and / or Umblaseö réelleen in or on the side of the intake tract 15 does not exist. Rather, the charging device 19 with the supply device 45 is an uncomplex
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the internal combustion engine 10 comprising the cylinders 12 and 12 '. As can be seen from Fig. 2, the
  • Cylinder 12 summarized and are supplied via the functioning as an EGR flood flood 36' of the turbine 34.
  • the exhaust gas of the cylinder 12 is also by means of the exhaust manifold 32nd
  • the combined exhaust of the cylinder 12 is the as
  • lambda flood acting flood 36 supplied.
  • the flood 36 serves in
  • the turbine 34 of the exhaust gas turbocharger 18 according to FIG. 2 can also be designed as a double-flow asymmetrical solid geometry turbine with or without a bypass device 56 (waste gate).
  • the turbine 34 may be formed as shown in FIG. 2 as an asymmetric Varioturbine and include, for example, an adjusting device 62, by means of which flow conditions upstream of the turbine wheel can be acted upon.
  • the adjusting device 62 is designed for example as a tongue slide and comprises in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference and arranged in
  • Circumferentially displaceable tongues by means of which a flow cross-section upstream of the turbine wheel is adjustable.
  • a control device 64 is provided which controls the adjusting device 62 and the exhaust gas recirculation valve 42.
  • Storage device 66 includes, for example, a particulate filter and / or a
  • Oxidation catalyst and / or a nitrogen oxide storage catalyst and / or an SCR catalyst (SCR - selective catalytic reduction).
  • the exhaust gas recirculation device 24 comprises a damping device 68 arranged downstream of the exhaust gas recirculation cooler 40 with a damping volume 70.
  • a damping device 68 By means of the damping device 68, pressure pulsations of the recirculated exhaust gas are avoided or at least substantially reduced.
  • an air filter 72 is arranged, by means of which the intake of the internal combustion engine 10 air is to be filtered.
  • a crankshaft 74 is shown by means of which a translational movement of pistons received in the cylinders 12 and 12 'is to be converted into a rotational movement according to a directional arrow 76.
  • the feeding device 45 of the charging device 19 comprises two heat exchangers 78 and 78 '.
  • the heat exchangers 78 and 78 ' are arranged in the flow direction of the additional air from the tank 48 to the inlet 52 in the exhaust duct 31 and allow heating of the additional air before it flows into the exhaust duct 31 and the
  • the heat exchanger 78 is in operative connection with the
  • Exhaust after-treatment device 66 is of the additional air according to a
  • Directional arrow 80 can be flowed through.
  • a heat transfer from the exhaust gas aftertreatment device 66, which is hot during operation of the internal combustion engine 10, to the additional air flowing through the heat exchanger 78 is possible, as a result of which it is heated by the additional air.
  • the heat exchanger 78 works on the countercurrent principle and is in a
  • Heat exchanger 78 allows heat transfer from the hot exhaust gas to the additional air, so that heats the additional air. Thereby, a recuperation of heat energy contained in the exhaust gas as well as heat energy of the
  • Exhaust after-treatment device 66 is shown, which would otherwise be discharged unused to the environment. This contributes to a high efficiency of the internal combustion engine 10 with the charging device 19 at. Furthermore, this results in a further increase in the turbine power of the turbine 34, since the turbine power is proportional to the inlet temperature of an incoming and the turbine wheel
  • Fig. 3 shows a possible embodiment of the exhaust gas turbocharger 18 of
  • the exhaust gas turbocharger 18 includes the compressor 16, which has a compressor housing 82 in which a compressor wheel 84 is rotatably received about a rotation axis 86.
  • the exhaust gas turbocharger 18 further includes a bearing housing 88, in which the shaft 38 is rotatably mounted.
  • the turbine 34 of the exhaust gas turbocharger 18 includes a turbine housing 90 with the two floods 36 and 36 '. As can be seen from FIG. 3, the floods 36 and 36 'are at least substantially symmetrical to each other and at least in the
  • a receiving space 92 is formed, in which a turbine wheel 94 of the turbine 34 is rotatably received about the axis of rotation 86.
  • the turbine wheel 94 is non-rotatably connected to the shaft 38.
  • the introduction point 52 is integrated in the turbine housing 90 of the turbine 34, wherein the introduction point 52 is rotated in the circumferential direction and rotational direction of the turbine wheel 94 in the image plane of FIG. 3.
  • a Laval nozzle 96 connects, via which the additional air upstream of the turbine wheel 94 to flow into the turbine housing 90 and the turbine wheel 94 can flow streamlined to drive.
  • the Laval nozzle 96 opens via the introduction point 52 into an annular nozzle 98 formed by walls of the turbine housing 90, which is arranged upstream of the turbine wheel 94.
  • the exhaust gas and optionally the additional air flow to the turbine wheel 94 at least substantially in the radial direction.
  • the turbines 34 of the charging devices 19 according to FIGS. 1 and 2 as well as other embodiments of the charging device 19 may thus be radial turbines.
  • a corresponding number of discharge points such as the discharge point 52 and a corresponding number of nozzles such as the Laval Nozzle 96 fixed.
  • more than one introduction point 52 and / or Laval nozzle 96 can be provided in order to introduce the additional air into the exhaust gas tract 31 for, in particular, additional driving of the turbine wheel 94.
  • the Laval nozzle 96 represents a swirl nozzle, by means of which the additional air flowing into the exhaust tract 31 or into the turbine housing 90 can be imparted with a swirl.
  • Other swirl generating devices are also possible.
  • Such a twist is a particularly spiral-shaped rotational movement about an axis parallel to the flow direction.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the turbine designed as a double-flow symmetrical turbine 34 according to FIG. 3. As shown in FIG. 4, are
  • Einleitstellen 52 arranged in overlap with an open trained wheel back 100 of the turbine wheel 94 and formed in a heat shield 102 as passages.
  • the heat shield 102 serves that bearing housing 88 in front of a
  • the passage openings are formed as swirl openings, so that the additional air, the turbine wheel 94 with a high
  • Flow energy from Ratile 100 at least substantially initially flow in the axial direction and thus can drive very efficient.
  • a space 104 at least partially limited by the bearing housing 88, the turbine housing 90 and the heat shield 102 acts as a collecting space, wherein high gas forces must be taken into account when dimensioning and fastening the heat shield 102.
  • the introduction points 52 in the form of the swirl openings are located in very close proximity to the turbine wheel 94 or its wheel back 100, so that an at least substantially direct admission of the turbine wheel 94 by the additional air is made possible. This favors a particularly efficient driving of the
  • Turbine wheel 94 and thus the compressor wheel 84 to illustrate a fast
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the double-flow symmetrical turbine 34 according to FIGS. 3 and 4.
  • the turbine housing 90 has a partition wall 106, through which the floods 36 and 36 'At least partially fluidly separated from each other.
  • an introduction channel 108 is now formed, which adjoins the inlet 52 and is fluidly connected thereto.
  • an exit of the additional air from the inlet channel 08 advantageously takes place at least almost centrally into the annular nozzle 98 upstream of the turbine wheel 94. This provides a streamlined application and thus an efficient driving of the turbine wheel 94.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the introduction channel 108.
  • the introduction channel 108 has an opening region 112, via which the introduction channel 108 opens into the ring nozzle 98 or into the receiving space 92.
  • the mouth region 102 in this case adjoins directly at the introduction point 52 and is fluidically connected thereto. 6, the mouth region 112 in the circumferential direction of the turbine wheel 94 of the receiving space 92 and thus the annular nozzle 98 according to a directional arrow 114 in the direction of rotation according to a directional arrow 116, in which the Turbine wheel 94 during operation of the exhaust gas turbocharger 18 rotates, curved.
  • the additional air is deflected before entering the annular nozzle 98 in the circumferential direction according to the directional arrow 116, which is represented by a directional arrow 110 in FIG. 6.
  • the additional air flows the turbine wheel 94 obliquely to its real direction, whereby the turbine wheel is particularly streamlined and efficiently driven.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (19) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Abgasturbolader (18), welcher ein in einem Abgastrakt (31) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnetes und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbares Turbinengehäuse (90) umfasst, in welchem ein von dem Abgas beaufschlagbares Turbinenrad (94) drehbar aufgenommen ist, und mit wenigstens einer Speisungseinrichtung (45), mittels welcher dem Abgasturbolader (18) Zusatzluft zuführbar ist, wobei die Speisungseinrichtung (45) wenigstens eine in dem Abgastrakt (31) angeordnete Einleitstelle (52) aufweist, über welche das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.

Description

Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 198 33 134 C1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen
Brennkraftmaschine, die einen Abgasturbolader mit einem Verdichter in einem
Ansaugtrakt und eine Turbine in einem Abgasstrang sowie einen Gasspeicher zur Aufnahme komprimierten Gases aufweist. Der Gasspeicher wird in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine aufgeladen oder entladen, wobei der Gasspeicher durch den Abgasgegendruck stromauf der Turbine mit Abgas gefüllt wird, welches beim Entladen des Gasspeichers zusätzlich den Abgasturbolader antreibt. Beim Entladen des Gasspeichers kann dessen Speicherinhalt dem Abgasstrang stromauf der Turbine zugeführt werden.
Die DE 101 58 874 A1 offenbart einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ansaugtrakt, wobei der Verdichter ein Verdichterrad in einem Einströmkanal im Verdichtergehäuse umfasst, und mit einer dem Verdichterbereich zugeordneten Zusatzluft-Einspeisungeinrichtung. Die Zusatzluft-Einspeisungseinrichtung umfasst einen Zusatzluftkanal im Verdichtergehäuse für die Zuführung von Zusatzluft, die über eine Einblasöffnung in der Wandung des Einströmkanals verdichtet in den Anströmbereich des Verdichterrades einzuleiten ist.
Die bekannten Lösungen weisen weiteres Potential auf, das Instationärverhalten aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladeeinrichtung einer
Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche ein verbessertes Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens umfasst wenigstens einen Abgasturbolader welcher, ein in einem Abgastrakt der
Verbrennungskraftmaschine angeordnetes und von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine durchströmbares Turbinengehäuse umfasst. In dem
Turbinengehäuse ist ein von dem Abgas beaufschlagbares und dadurch antreibbares Turbinenrad drehbar aufgenommen. Die Aufladeeinrichtung umfasst ferner wenigstens eine Speisungseinrichtung, mittels welcher dem Abgasturbolader Zusatzluft zuführbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Speisungseinrichtung wenigstens eine in dem Abgastrakt angeordnete Einleitstelle aufweist, über welche das Turbinenrad zum
Antreiben desselbigen mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist. Dadurch können das
Turbinenrad und damit der Abgasturbolader insbesondere zusätzlich zu der
Beaufschlagung des Turbinenrads mit dem Abgas angetrieben werden. Dies ermöglicht es, einen Verdichter des Abgasturboladers auch in niedrigen Lastbereichen, in welchen nur geringe Massenströme des Abgases durch das Turbinengehäuse strömen und die Turbine antreiben, über die die Turbine vorteilhaft und mit hohen Drehzahlen anzutreiben. So kann der Verdichter auch in den niedrigen Lastbereichen der
Verbrennungskraftmaschinen zuzuführende Luft besonders gut verdichten. Dadurch sind hohe Leistungen und Drehmomente realisierbar.
Zum Verdichten der Luft umfasst der Verdichter zum Beispiel ein mit einer Welle drehfest verbundenes Verdichterrad, wobei auch das Turbinenrad mit der Welle drehfest verbunden ist. Wird das Turbinenrad mit Abgas beaufschlagt und von diesem
angetrieben, so treibt das Turbinenrad über die Welle auch das Verdichterrad an, welches dann die ein Verdichtergehäuse durchströmende und der
Verbrennungskraftmaschinen zuzuführende Luft verdichten kann. Der Antrieb des Turbinenrads und damit des Verdichterrads hängt damit insbesondere ab von dem Massenstrom des Abgases, der das Turbinengehäuse durch- und das Turbinenrad anströmt. Insbesondere in niedrigen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine kann es zu geringen Massenströmen des Abgases kommen, so dass das insbesondere auf hohe Lastbereiche und daher gegebenenfalls ein hohes Trägheitsmoment aufweisende Turbinenrad nicht wie gewünscht angetrieben werden kann. Dadurch kommt es nur zu einem trägen Druckaufbau des Verdichters und damit zu einem trägen Leistungs- bzw. Drehmomentenaufbau der Verbrennungskraftmaschine. Dies führt zu einem
unerwünschten Fahrverhalten, was als sogenanntes Turboloch spürbar ist.
Um dieses nachteilhafte Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine
insbesondere bei einem Übergang von niedrigen zu demgegenüber höheren
Lastbereichen zu vermeiden oder zumindest zu verbessern, ist es nun mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung möglich, das Turbinenrad und damit das
Verdichterrad insbesondere zusätzlich mit der Zusatzluft anzutreiben. So kommt es auch in niedrigeren Lastbereichen zu einem besonders schnellen Druckaufbau des Verdichters und damit zu einer besonders schnellen Bereitstellung einer gewünschten Leistung bzw. eines gewünschten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine. Das sogenannten Turboloch wird dadurch vermieden oder zumindest reduziert.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung weist insbesondere den Vorteil auf, dass ein Einbringen der Zusatzluft zum Antreiben des Abgasturboladers bzw. des Turbinenrads nicht einem Ansaugtrakt sondern in dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist. Das Einbringen von Zusatzluft zum Antreiben des Abgasturboladers in den Ansaugtrakt birgt den Nachteil, dass bei dieser Lösung wenigstens eine
Ventileinrichtung im Ansaugtrakt vorgesehen sein muss, damit es zu keiner
RückStrömung der in den Ansaugtrakt eingebrachten Zusatzluft zu dem ebenfalls in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichter des Abgasturboladers kommt. Die Ventileinrichtung versperrt den Ansaugtrakt, damit es nicht zu dieser Rückströmung kommt. Dies bedeutet jedoch, dass der Verdichter gegen die geschlossene Ventilrichtung und damit gegen ein geschlossenes System fördert, so dass der Verdichter seine Pumpgrenze überschreitet, falls keine zusätzliche Abblasevorrichtung stromauf des Ventils vorgesehen ist.
Diese Problematik ist bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung vermieden. Zudem ist es bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung möglich, die Zusatzluft zumindest im Wesentlichen direkt auf das Turbinenrad zu leiten und es damit besonders effizient antreiben zu können. Darüber hinaus kann die Zusatzluft bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung mit einem wesentlich höheren Druck in den Abgastrakt eingebracht werden als in den Ansaugtrakt, so dass das Turbinenrad besonders vorteilhaft antreibbar ist. Zudem ist dabei keine aufwändige Druckregelung vonnöten. Des Weiteren ist es vermieden, dass der Verdichter an seine Pumpgrenze gelangt oder diese gar
überschreitet. Zur Darstellung eines besonders guten Instationärverhaltens der
Verbrennungskraftmaschinen kann auch eine sogenannte variable Turbine als die Turbine des Abgasturboladers eingesetzt werden. Eine solche variable Turbine umfasst eine Versteileinrichtung, mittels welcher Strömungsbedingungen in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrads und/oder stromab desselbigen beeinflussbar sind. Die Versteileinrichtung ermöglicht es beispielsweise, wenigstens einen
Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads einzustellen, d.h. zu vergrößern oder demgegenüber zu verkleinern. Somit kann die Turbine an unterschiedliche
Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine wirkungsgradgünstig angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung birgt den weiteren Vorteil, dass derartige Versteileinrichtungen und damit zusätzliche Bauteile nicht notwendigerweise vonnöten sind, um ein sehr gutes Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Dadurch weist die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung eine geringe Teileanzahl, ein geringes Gewicht und geringe Kosten auf.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ist bei Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftwagen einsetzbar. Der Vorteil der geringen Kosten kommt jedoch insbesondere bei Verbrennungskraftmaschine für Nutzkraftwagen zum Tragen, da deren Wirtschaftlichkeit insbesondere auch von den Anschaffungskosten abhängt, die durch die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung gering gehalten werden können. Des Weiteren ermöglicht die Aufladeeinrichtung einen effizienten Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine, so dass diese nur einen geringe Kraftstoffverbrauch sowie geringe C02-Emissionen aufweist. Dies hält auch die Betriebskosten des Kraftwagens, insbesondere des Nutzkraftwagens, gering.
Die Einbringung der Zusatzluft in den Abgastrakt in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrads bewirkt aufgrund des Durchsatzverhaltens der Turbine neben einer Steigerung des Durchsatzes auch eine Vergrößerung des
Turbinendruckverhältnisses (Druck stromauf des Turbinenrads im Verhältnis zum Druck stromab des Turbinenrads), wodurch ein überproportionaler Anstieg der Turbinenleistung mittels der gesteigerten und für den Abgasturbolader nutzbar gemachten Ausschubarbeit der Verbrennungskraftmaschine bewirkt wird. Der Effekt des gewünschten schnelleren Hochlaufs (Drehzahlbeschleunigung) des Verdichterrads insbesondere bei dem
Übergang von niedrigen zu demgegenüber höheren Lastbereichen ist die Folge, was mit dem sehr guten Instationärverhalten und dem sehr guten Fahrverhalten der
Verbrennungskraftmaschine einher geht. Mit der Realisierung eines sehr vorteilhaften Drehmomentenaufbaus der Verbrennungskraftmaschine infolge des sehr vorteilhaften Ladedruckaufbaus geht auch eine Reduzierung von Partikelemissionen insbesondere während
Beschleunigungsphasen der Verbrennungskraftmaschine einher. Ein weiterer Effekt ist, dass die in den Abgastrakt, insbesondere in einen Austrittskrümmer der
Verbrennungskraftmaschine, eingebrachte, insbesondere eingeblasene, Zusatzluft sozusagen als Restluft des Abgases über noch geöffnete Auslassventile der
Verbrennungskraftmaschine vom Austritt derselbigen her in zumindest einen Brennraum, insbesondere einen Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine gelangen kann. Dies stellt eine weitere Entwicklungsoption für die Verbrennungskraftmaschine insbesondere hinsichtlich ihres Emissionsverhaltens dar. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn sich das Einbringen bzw. ein Zuführen der Zusatzluft, was beispielsweise getaktet erfolgt, an Öffnungszeiten von Gaswechselventilen, insbesondere von Auslassventilen, der Verbrennungskraftmaschine orientiert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Einleitstelle zumindest bereichsweise stromauf dem Turbinenrads angeordnet. So kann dem Turbinenrad besonders gut die Zusatzluft zugeführt und das Turbinenrad besonders effizient von der Zusatzluft angetrieben werden. So ist es möglich, die Zusatzluft dem Turbinenrad außenumfangsseitig und in radialer Richtung zumindest im Wesentlichen über dem Umfang des Turbinenrads zuzuführen, um das Turbinenrad besonders strömungsgünstig antreiben zu können.
Ebenso möglich ist es, dass die Einleitstelle zumindest bereichsweise in axialer Richtung des Turbinenrads in zumindest bereichsweise Überlappung mit einem Radrücken des Turbinenrads angeordnet ist, wobei der Radrücken vorteilhafterweise offen ausgebildet ist. So kann die Zusatzluft dem Turbinenrad zumindest im Wesentlichen axial zugeführt werden und die Zusatzluft kann von dem insbesondere offen ausgebildeten Radrücken her Leitschaufeln des Turbinenrads zunächst zumindest im Wesentlichen axial anströmen und dadurch das Turbinenrad antreiben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Turbinenrad mittels der Speisungseinrichtung mit Druckluft als die Zusatzluft beaufschlagbar. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Zusatzluft um unter Druck gesetzte Luft
(Druckluft), wobei der Druck höher ist als der Umgebungsdruck. Die als Druckluft vorliegende Zusatzluft wird beispielsweise mittels eines Luftpressers auf einen Druck von einschließlich 10 bis einschließlich 12 bar verdichtet und gegebenenfalls in einer Speichereinrichtung, beispielsweise einem Druckkessel, gespeichert, insbesondere zwischengespeichert. Die Speichereinrichtung kommuniziert mit der Einleitstelle fluidisch, so dass die unter Druck stehende und als Druckluft vorliegende Zusatzluft von der Speichereinrichtung zu der Einleitstelle strömen und das Turbinenrad anströmen kann. Der hohe Druck der Zusatzluft birgt dabei den Vorteil, dass dadurch das Turbinerad und damit das Verdichterrad insbesondere in niedrigen Lastbereichen der
Verbrennungskraftmaschine besonders gut angetrieben werden können, was mit einer besonders vorteilhaften Verdichtung der Luft und damit mit einem besonders vorteilhaften Drehmomentaufbau der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Vorteilhafterweise umfasst die Speisungseinrichtung eine Ventileinrichtung, mittels welcher die Zusatzluft bedarfsgerecht in den Abgastrakt einbringbar und dem
Turbinenrad zuführbar ist. Bei dieser Ventileinrichtung handelt es sich beispielsweise um ein getaktetes Ventil. Mittels eines solchen getakteten Ventils ist beispielsweise eine Verbindungsleitung der Speichereinrichtung und der Einleitstelle zumindest im
Wesentlichen vollständig fluidisch versperrbar sowie zumindest im Wesentlichen komplett fluidisch freigebbar, so dass ein maximaler Strömungsquerschnitt freigegeben ist.
Ebenso möglich ist es, ein solches getaktetes Ventil mit wenigstens einer
Zwischenstellung einzusetzen, in welcher die Verbindungsleitung lediglich bereichsweise fluidisch freigegeben ist und ein Strömungsquerschnitt eingestellt ist, welcher kleiner als der maximale Strömungsquerschnitt ist. Vorteilhafterweise sind eine Mehrzahl von derartigen Zwischenstellungen einstellbar. Ebenso möglich ist es, als die Ventileinrichtung ein sogenanntes Schwarz-Weiß-Ventil einzusetzen, welches die Verbindungsleitung vollständig fluidisch versperrt oder vollständig fluidisch freigeben kann.
Zwischenstellungen sind nicht vorgesehen. Das getaktete Ventil ermöglicht eine sehr präzise Zuführung der Luft in den Abgastrakt, während das Schwarz-Weiß-Ventil besonders geringe Kosten aufweist.
Um die Zusatzluft als Druckluft bereitstellen zu können, ist beispielsweise der Luftpresser oder ein anderweitiger Verdichter zum Darstellen der Druckluft von der
Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Ebenso möglich ist es, dass der Verdichter mittels eines von der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlichen Motors,
beispielsweise einem Elektromotor als Hilfsantriebseinheit (Auxiliary Power Unit) antreibbar ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Speisungseinrichtung eine Dralleinrichtung, mittels welcher die das Turbinenrad beaufschlagende Zusatzluft mit einem Drall zu versehen ist. Mit anderen Worten weist die das Turbinenrad anströmende Zusatzluft einen Drall und damit eine hohe
Strömungsenergie auf, so dass das Turbinenrad und damit das Verdichterrad besonders effizient anzutreiben sind. Dies führt zu einem besonders guten und schnellen
Drehmomentenaufbau und damit zu einem sehr guten Instationärverhalten der
Verbrennungskraftmaschine.
Setzt man ein Druckverhältnis zwischen der Speichereinrichtung und der Einleitstelle in dem Abgastrakt für eine Generierung hoher Strömungsgeschwindigkeiten der Zusatzluft um, welche unter hohem Drall zumindest im Wesentlichen direkt dem Turbinenrad zugeführt wird, wird neben der Erhöhung des mittleren
Turbinengesamtdruckverhältnisses und der mittleren Durchströmmasse lokal,
beispielsweise in einem Radantrittsdüsenbereich, bei relativ niedrigem statischem Druck eine effektive Umsetzung eines Energieinhalts der Speichereinrichtung bzw. des
Massenstroms der Zusatzluft direkt über die Euler'sche Turbinengleichung vorteilhaft ermöglicht.
Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Einleitstelle zumindest bereichsweise auf Höhe eines größten Durchmessers des Turbinenrads angeordnet ist. Die führt zu einer besonders effizienten Umsetzung der in der Strömung der Zusatzluft enthaltenen Energie zum Antreiben des Turbinenrads, wodurch ein besonders gutes instationäres Verhalten der Verbrennungskraftmaschine dargestellt ist.
Die Turbinenleistung steht proportional zur Eintrittstemperatur eines des Turbinenrads anströmenden und beaufschlagenden Gases zum Antreiben des Turbinenrads, was bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung das Abgas der Verbrennungskraftmaschine und/oder die Zusatzluft ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist daher wenigstens eine Erwärmungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads erwärmbar ist. Dadurch wird ein Energiebeitrag der Zusatzluft zum Antreiben des Turbinenrads erhöht, so dass das Turbinenrad und damit das
Verdichterrad besonders gut angetrieben werden können. Damit steht ein gewünschter durch den Verdichter bereitgestellter Ladedruck in besonders kurzer Zeit zur Vermeidung des sogenannten Turbolochs zur Verfügung. Darüber hinaus wird dadurch verhindert, dass es an der Einleitstelle zu einer Vereisung insbesondere bei geringen Temperaturen kommt, welche sich bei einem Inhalt der Speichereinrichtung mit Umgebungstemperatur und bei kalter Verbrennungskraftmaschine einstellen könnte.
Bevorzugt umfasst die Umwärmungseinrichtung einen Wärmetauscher, mittels welchem die Zusatzluft infolge eines Wärmeübergangs von Abgas der Verbrennungskraftmaschine an die Zusatzluft erwärmbar ist. Dadurch ist eine Energierekuperation des der in dem Abgas enthaltenen und ansonsten ungenutzt an die Umgebung abgegebenen
Wärmeenergie dargestellt, was dem Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung und der Verbrennungskraftmaschine zugute kommt. Zum Erwärmen der Zusatzluft sind somit keine zusätzlichen Energie verbrauchenden und kostenintensiven und Heizelemente vorgesehen, was den Energieverbrauch der Aufladeeinrichtung gering hält. Damit einher geht ein geringer Kraftstoffverbrauch sowie geringe CCVEmissionen der
Verbrennungskraftmaschine.
Ist an der Einleitstelle eine Laval-Düse vorgesehen, über welche das Turbinenrad mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist, so ist das Turbinenrad dadurch besonders effizient und strömungsgünstig mit der Zusatzluft beaufschlagbar und dadurch antreibbar.
Das Turbinengehäuse weist bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zumindest zwei mittels einer Trennwandung des Turbinengehäuses wenigstens bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten auf. Mit anderen Worten ist das Turbinengehäuse zumindest zweiflutig ausgebildet. Zum zumindest bereichsweisen fluidischen Trennen der Fluten ist die Trennwandung des Turbinengehäuses vorgesehen, wobei in dieser Trennwandung ein mit der Einleitstelle fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchströmbarer Einleitkanal ausgebildet ist, über welchen das Turbinenrad mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist. Diese Zuführung der Zusatzluft über den Einleitkanal bedeutet nicht nur eine besonders strömungsgünstige Zuführung der Zusatzluft zu dem Turbinenrad. Darüber hinaus weist dadurch das Turbinengehäuse und damit die gesamte Aufladeeinrichtung einen nur sehr geringen Bauraumbedarf auf, was zur Vermeidung und Lösung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens beiträgt.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Zusatzluft in eine der Fluten des
Turbinengehäuses zugeführt, insbesondere eingeblasen, wird. Dadurch können die Fertigungskosten für das Turbinengehäuse gering gehalten werden. Bei der Flut, in welche die Zusatzluft gegebenenfalls eingeblasen wird, handelt es sich um eine sogenannte Lambda-Flut, welche insbesondere während des Betriebs der Aufladeeinrichtung die Aufgabe erfüllt, ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Bei der anderen der Fluten handelt es sich beispielsweise um eine sogenannte AGR-Flut (AGR - Abgasrückführung), welche zumindest im Wesentlichen die Aufgabe erfüllt, ein vorteilhaftes Aufstauverhalten der Turbine bereitzustellen, so dass eine vorteilhafte und gewünscht große Menge an Abgas von dem Abgastrakt zu dem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt und in diesen eingebracht werden kann. Dadurch wird von der
Verbrennungskraftmaschine angesaugte und dieser zuzuführenden Luft mit Abgas beaufschlagt, um Partikel-Stickoxidemissionen gering zu halten.
Die Fluten des Turbinengehäuses können zueinander symmetrisch ausgebildet sein und zumindest im Wesentlichen gleiche Strömungsquerschnitte aufweisen. Insbesondere im Fall der Unterteilung der Fluten in die Lambda-Flut und in die AGR-Flut ist es jedoch von Vorteil, wenn die Fluten zueinander asymmetrisch ausgebildet sind, wobei die Lambda- Flut beispielsweise einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher größer ist, als ein Strömungsquerschnitt der AGR-Flut. Durch die in ihrem Strömungsquerschnitt kleinere AGR-Flut ist somit ein hohes Aufstauverhalten der Turbine dargestellt, so dass eine besonders große Menge an Abgas von dem Abgastrakt zu dem Ansaugtrakt rückgeführt und in diesen eingebracht werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein mit der Einleitstelle fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchströmbarer Einleitkanal vorgesehen, welcher einen in Umfangsrichtung des Turbinenrads gekrümmten, geknickten, gebogenen und/oder anderweitig gekrümmt oder schräg verlaufenden und sich an die Einleitstelle, insbesondere direkt, anschließenden Mündungsbereich aufweist, über welchen der Einleitkanal in einen Aufnahmeraum des Turbinengehäuses, in welchem das Turbinenrad aufgenommen ist, mündet. Dieser Mündungsbereich ermöglicht es, die Zusatzluft dem Turbinenrad in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang schräg zuzuführen, so dass die Strömung der Zusatzluft in Umfangsrichtung des Turbinenrads bereits vorausgerichtet ist und das Turbinenrad nicht senkrecht zu dessen Drehachse anströmt. Insbesondere ist die Zusatzluft zum Einströmen in den Aufnahmeraum in Umfangsrichtung des Turbinenrads in dessen Drehrichtung abgelenkt, so dass die Zusatzluft das Turbinenrad besonders strömungsgünstig anströmen kann. Dies führt zu einem besonders Drehzahl- und damit Ladedruckaufbau des Abgasturboladers.
Mittels der Aufladeeinrichtung ist es insbesondere möglich, Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich des Downsizing-Prinzips auszugestalten. Dies bedeutet, dass mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung auch bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem relativ geringen Hubraum hohe Drehmomente und hohe Leistungen realisierbar sind bei gleichzeitiger Realisierung des vorteilhaften Instationärverhaltens.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung kann auch wenigstens zwei Abgasturbolader mit einer jeweiligen im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Turbine umfassen, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar und seriell zueinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass das Abgas zunächst eine erste der Turbinen und anschließend die zweite der Turbinen durchströmt. Vor dem Durchströmen der ersten Turbine weist das Abgas ein bestimmtes Druckniveau auf. Das Abgas wird durch die erste Turbine und insbesondere durch das Turbinenrad der ersten Turbine entspannt und somit auf ein demgegenüber niedrigeres Druckniveau abgesenkt.
Anschließend durchströmt das Abgas die zweite Turbine, durch welche, insbesondere durch das Turbinenrad der zweiten Turbine, das Abgas wiederum expandiert und auf ein demgegenüber niedrigeres Druckniveau abgesenkt wird. Da sich das Abgas vor dem Durchströmen der ersten Turbine auf einem höheren Druckniveau befindet als vor dem Durchströmen der zweiten Turbine, wird die erste Turbine als Hochdruck-Turbine und damit der diese Hochdruckturbine umfassende Abgasturbolader als Hochdruck-Abgas- Turbolader bezeichnet, während die zweite Turbine als Niederdruck-Turbine und dementsprechend der diese Niederdruck-Turbine umfassende Abgasturbolader als Niederdruck-Abgasturbolader bezeichnet werden.
Dadurch ist eine zweistufige Aufladung der Verbrennungskraftmaschine dargestellt, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine besonders effizient und
wirkungsgradgünstig aufgeladen werden kann. Bei dieser Aufladeeinrichtung ist es von Vorteil, die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads der Niederdruck-Turbine in den
Abgastrakt einzubringen und insbesondere stromauf dem Turbinenrads der Niederdruck- Turbine in ein Turbinengehäuse dieser Niederdruck-Turbine einzubringen, insbesondere einzublasen. Dies ist von Vorteil, da die Niederdruck-Turbine im Instationärbetrieb aufgrund ihrer Dimensionen gegenüber der Hochdruck-Turbine benachteiligt ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer
Aufladeeinrichtung, welche einen Abgasturbolader umfasst, dem mittels einer Speisungseinrichtung der Aufladeeinrichtung Zusatzluft zum Antreiben des Abgasturboladers zuführbar ist;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der
Verbrennungskraftmaschine mit der Aufladeeinrichtung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasturboladers für eine
Aufladeeinrichtung gemäß den Fig. 1 und 2;
Fig. 4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform des Abgasturboladers gemäß Fig. 3;
Fig. 5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine eines Abgasturboladers gemäß den Fig. 3 und 4; und
Fig. 6 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform der Turbine gemäß Fig. 5.
Die Fig. 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen mit sechs Zylindern 12 und 12'. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 saugt diese Luft gemäß einem Richtungspfeil 14 aus der Umgebung an, wobei die Luft unter Umgebungsdruck p1 steht. Die Luft strömt über einen entsprechende Ansaugverrohrung eines Ansaugtrakts 15 der Verbrennungskraftmaschine 10 zu einem in dem Ansaugtrakt 15 angeordneten Verdichter 16 eines Abgasturboladers 18 einer Aufladeeinrichtung 19 der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei die Luft mittels des Verdichters 16 auf einen gegenüber dem Umgebungsdruck p1 höheren Ladedruck verdichtet wird. Die durch das Verdichten erwärmte Luft strömt über eine entsprechende Ansaugverrohrung des Ansaugtrakts 15 zu einem Ladeluftkühler 20, welchen sie durchströmt und mittels welchem die Luft zur Steigerung des Aufladegrads wieder abgekühlt wird. Stromab des Ladeluftkühlers 20 strömt die Luft über eine entsprechende Ansaugverrohrung des Ansaugtrakts 15 weiter zu einem in dem Ansaugtrakt 15 angeordneten Luftverteilers 22, mittels welchem die unter einem Druck p2s stehende Luft den Zylindern 12 und 12' zugeführt wird.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 handelt es sich beispielsweise um einen direkt einspritzenden Ottomotor oder um einen direkt einspritzenden Dieselmotor, wobei Kraftstoff mittels eines jeweiligen Einspritzventils direkt in die Zylinder 12 und 12' eingespritzt und somit der sich in den Zylindern 12 und 12' befindenden Luft zugeführt wird. Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 kann es sich jedoch auch um eine
Verbrennungskraftmaschine 10 mit Saugrohreinspritzung handeln, wobei die Luft stromauf der Zylinder 12 und 12', beispielsweise in dem Luftverteiler 22, mit Kraftstoff beaufschlagt wird. Somit strömt ein vorgemischtes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Zylinder 12 und 12' ein.
In jeglicher Ausführungsform befindet sich in den Zylindern 12 und 12' ein Luft- Kraftstoff- Gemisch, welches durch Fremdzündung oder durch Selbstentzündung gezündet wird und verbrennt. Infolge dieser Verbrennung entsteht ein Abgas in den Zylindern 12 und12', welches aus den Zylindern 12 und 12' aus- und über einen in einem Abgastrakt 31 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordneten Abgaskrümmer 32 in eine entsprechende Abgasverrohrung einströmt. In dem Abgastrakt 31 ist eine Turbine 34 des
Abgasturboladers 8 angeordnet, welche beispielsweise zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten 36 und 36' umfasst. In die Fluten 36 und 36' wird, mittels der Abgasverrohrung das Abgas eingeleitet. Über diese Fluten 36 und 36' wird einem in einem Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses der Turbine 34 angeordneten
Turbinenrad das Abgas zugeführt, wobei das Turbinenrad durch diese
Abgasbeaufschlagung angetrieben wird.
Das Turbinenrad ist drehfest mit einer Welle 38 des Abgasturboladers 18 verbunden, mit welchem auch ein Verdichterrad des Verdichters 16 drehfest verbunden ist. So kann das Verdichterrad über das Turbinenrad angetrieben werden und die Luft verdichten.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist das Abgas der Zylinder 12' mittels des
Abgaskrümmers 32 zusammengefasst und wird der Flut 36' mittels der entsprechenden Abgasverrohrung zugeführt. Das Abgas weist dabei den Druck p31 auf. Die Flut 36' fungiert als sogenannten AGR-Flut, welche einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist als die als sogenannten Lambda-Flut fungierende Flut 36. Die Flut 36' stellt somit ein gewünscht hohes Aufstauverhalten bereit, so dass eine gewünschte hohe Menge an Abgas mittels einer Abgasrückführeinrichtung 24 der
Verbrennungskraftmaschine 0 von dem Abgastrakt 31 abgezweigt und zu dem
Ansaugtrakt 15 rückgeführt und in den Ansaugtrakt 15 eingebracht werden kann. Die Lambda-Flut erfüllt zumindest im Wesentlichen die Aufgabe, ein gewünschtes Verhältnis des Kraftstoffes zur Luft im Luft-Kraftstoff-Gemisch einzustellen. .Das Abgas der Flut 36 weist den Druck p32 auf
Das Abgas wird über die Fluten 36 und 36' dem Turbinenrad zugeführt und durch die Turbine 34 entspannt, so dass das Abgas stromab des Turbinerads einen gegenüber den Drücken p31 und p32 einen geringeren Druck p4 aufweist. Über eine entsprechende Abgasverrohrung wird dann das Abgas an die Umgebung entlassen.
Zur Rückführung des Abgases umfasst die Abgasrückführeinrichtung 24 eine
Abzweigstelle 28, an welcher eine Abgasrückführleitung 26 fluidisch mit der
Abgasverrohrung verbunden ist. So kann Abgas von der Abgasverrohrung in die
Abgasrückführleitung 26 an der Abzweigstelle 26 einströmen und über die
Abgasrückführleitung 26 zu dem Ansaugtrakt 15 rückgeführt werden. Dazu ist die
Abgasrückführleitung 26 an einer Einleitstelle 30 fluidisch mit der Ansaugverrohrung verbunden, so dass das Abgas von der Abgasrückführleitung 26 in die Abgasverrohrung einströmen kann. Dadurch wird die verdichtete Luft mit Abgas beaufschlagt, so dass Partikel- und Stickoxid-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden können.
Die Abgasrückführeinrichtung 24 umfasst einen Abgasrückführkühler 40, mittels welchem das die Abgasrückführleitung 26 durchströmende Abgas zu kühlen ist. Ferner umfasst die Abgasrückführeinrichtung 24 ein Abgasrückführventil 42, mittels welchem eine
gewünschte rückzuführende Menge an Abgas einstellbar ist.
Die Aufladeeinrichtung 19 umfasst einen Luftpresser 44 einer Speisungseinrichtung 45 der Aufladeeinrichtung 19, welcher von der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Dazu ist der Luftpresser 44 beispielsweise über zumindest einen Riemen, über zumindest eine Kette, über zumindest ein Zahnradpaar oder dergleichen Verbindungselement mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 10 verbunden. Der Luftpresser 44 saugt während seines Betriebs Luft aus der Umgebung gemäß einem Richtungspfeil 46 an und verdichtet diese Luft. Die verdichtete Luft strömt zu einem stromab des
Luftpressers angeordneten Tank 48 der Speisungseinrichtung 45, in welchem die verdichtete und somit als Druckluft vorliegende Luft gespeichert wird. Die Luft in dem Tank 48 weist beispielsweise einen Druck in dem Bereich von einschließlich 10 bis einschließlich 12 bar auf.
Die in dem Tank 48 aufgenommene und als Druckluft vorliegende Luft wird als Zusatzluft genutzt, um das Turbinenrad der Turbine 34 des Abgasturboladers 18 und damit das Verdichterrad des Verdichters 6 des Abgasturboladers 18 anzutreiben. Dazu ist eine Verbindungsleitung 50 der Speisungseinrichtung 45 vorgesehen, welche einerseits mit dem Tank 48 fluidisch verbunden ist. Andererseits mündet sie zumindest mittelbar in den Aufnahmeraum, in welchem das Turbinenrad der Turbine 34 aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass die Zusatzluft in das Turbinegehäuse einleitbar und das Turbinenrad mit dieser Zusatzluft beaufschlagbar ist, um es mittels der Zusatzluft, insbesondere zusätzlich zu dem Abgas anzutreiben.
Dies ist insbesondere in niedrigen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine 10 vorteilhaft, in welchen gegebenenfalls ein nur geringer Massenstrom des Abgases vorliegt. Dieser geringe Massenstrom des Abgases vermag es gegebenenfalls nicht, dass auf höhere Lastbereiche, insbesondere den Volllastbereich, der
Verbrennungskraftmaschine 10 ausgelegte und gegebenenfalls eine hohe Trägheit aufweisende Turbinenrad auf eine gewünschte Art und Weise anzutreiben, so dass es dadurch zu einem nur trägen Drehzahlaufbau des Verdichterrads bei einem Übergang von niedrigen Lastbereichen hin zu demgegenüber höheren Lastbereichen kommt. Dies kann zu einem unerwünschten Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine 10 und zu einem unerwünschten Fahrverhalten derselbigen Führen, da mit dem
unerwünschten Drehzahlaufbau auch ein unerwünschter Ladedruckaufbau einhergeht. Mit andere Worten dauert es dann eine unerwünscht lange Zeit, bis die
Verbrennungskraftmaschine ein von einem Fahrer des Kraftwagens gewünschtes Drehmoment bzw. eine gewünschte Leistung bereitstellen kann.
Um dieses unbefriedigende Instationärverhalten zu vermeiden oder zumindest im
Wesentlichen zu verbessern, kann nun das Turbinenrad und damit das Verdichterrad von der Zusatzluft insbesondere bei einem Übergang von niedrigen zu höheren Lastbereichen angetrieben werden. Durch diese Möglichkeit, das Turbinenrad sowohl mittels des Abgases als auch mittels der Zusatzluft anzutreiben, kann auch bei dem Übergang von niedrigen zu höheren Lastbereichen ein schneller Drehzahl- und damit ein schneller Ladedruckaufbau erfolgen, so dass das von dem Fahrer gewünschte Drehmoment bzw. die gewünschte Leistung zumindest nahezu verzögerungsfrei von der
Verbrennungskraftmaschine 10 bereitgestellt werden kann.
Dies ist der Fall, da durch das zusätzliche Antreiben des Turbinenrads die
Turbinenleistung erhöht und ein Hochlaufen, d.h. eine Erhöhung der Drehzahl der Turbine, gegenüber einem ausschließlichen Antreiben des Turbinenrads mittels des Abgases beschleunigt werden kann. Das sogenannte Turboloch ist zumindest im
Wesentlichen vermieden. Darüber hinaus ist eine stationäre sowie eine instationäre Auslegung des Turboladers 18 und der Verbrennungskraftmaschine 10 durch die
Speisungseinrichtung 45 nicht negativ beeinträchtigt.
Um die Zusatzluft bedarfsgerecht über eine Einleitstelle 52 der Speisungseinrichtung 45 in den Abgastrakt 31 einzubringen und so das Turbinenrad bedarfsgerecht mit der Zusatzluft zu beaufschlagen, umfasst die Speisungseinrichtung 45 eine Ventileinrichtung 54. Die Ventileinrichtung 54 ist beispielsweise lediglich zwischen einer die
Verbindungsleitung 50 freigebenden Freigabestellung und einer die Verbindungsleitung 50 verschließenden Schließstellung verstellbar, wobei in der Freigabestellung ein maximaler Strömungsquerschnitt mittels der Ventileinrichtung 54 freigegeben ist. In der Schließstellung ist ein minimaler Strömungsquerschnitt, beispielsweise ein
Strömungsquerschnitt von Null, mittel der Bedieneinrichtung 54 gebildet.
Ebenso möglich ist es, dass die Ventileinrichtung 54 zumindest eine Zwischenstellung zwischen der Freigabestellung und der Schließstellung aufweist, in welcher ein geringerer Strömungsquerschnitt als in der Freigabestellung aber ein größerer
Strömungsquerschnitt als in der Schließstellung durch die Ventileinrichtung 54 gebildet ist. Besonders vorteilhaft sind mehrere derartige Zwischenstellung mittels der
Ventileinrichtung 54 einstellbar, wobei sich die Zwischenstellungen hinsichtlich des freigegebenen bzw. versperrten Strömungsquerschnitts unterscheiden.
Die Turbine 34 das Abgasturboladers 18 ist beispielsweise als Festgeometrieturbine ausgebildet. D.h. sie umfasst keinerlei VerStelleinrichtung zum Beeinflussen von
Strömungsbedingungen stromauf und/oder stromab des Turbinenrads, insbesondere zum variablen Einstellen eines Strömungsquerschnitts stromauf des Turbinenrads. Es ist jedoch möglich, dass Turbine 34 auch eine derartige VerStelleinrichtung umfasst, mittels welcher die Strömungsbedingungen stromauf und/oder stromab des Turbinenrads beeinflussbar sind. Eine solche VerStelleinrichtung ermöglicht beispielsweise den
Strömungsquerschnitt stromauf dem Turbinenrads zu verengen oder demgegenüber freizugeben, um die Turbinen 34 auf unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anzutreiben.
Der Vorteil der sogenannten Festgeometrieturbine besteht jedoch darin, dass sie eine geringe Komplexität und damit eine geringe Teileanzahl sowie geringe Kosten aufweist. Dennoch ermöglicht sie ein besonders vorteilhaftes Instationärverhalten der
Verbrennungskraftmaschine 10, da das Turbinenrad auch mittels der Zusatzluft angetrieben werden kann.
Die Turbine 34 umfasst eine Umgehungseinrichtung 56 mit einer Umgehungsleitung 58 über welche das Abgas das Turbinenrad umgehen kann. Dadurch wird das Turbinenrad nicht mit dem Abgas beaufschlagt und nicht von diesem angetrieben. Die
Umgehungseinrichtung 58 dient dabei zur Regelung des Ladedrucks. Zur
bedarfsgerechten Regelung bzw. Einstellung des Ladedrucks umfasst die
Umgehungseinrichtung 56 ein Umgebungsventil 60, welches auch als Waste-Gate bezeichnet wird.
Die Aufladeeinrichtung 19 mit der Speisungseinrichtung 45 weist ferner den Vorteil auf, dass neben den thermodynamischen Vorteilen durch das Antreiben des Turbinerads mittels der Zusatzluft die Notwendigkeit von Klappen, Ventileinrichtungen und/oder Umblaseöffnungen in dem oder auf Seiten des Ansaugtrakts 15 nicht besteht. Vielmehr stellt die Aufladeeinrichtung 19 mit der Speisungseinrichtung 45 eine unkomplexe
Möglichkeit dar, ein sehr gutes Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine 10 durch das Antreiben des Turbinenrads mittels der Zusatzluft darzustellen.
Die Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, welche die Zylinder 12 und 12' umfasst. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die
Zylinder 12' zusammengefasst und werden über die als AGR-Flut fungierende Flut 36' der Turbine 34 zugeführt.
Das Abgas der Zylinder 12 wird ebenso mittels des Abgaskrümmers 32
zusammengefasst. Das zusammengefasste Abgas der Zylinder 12 wird der als
sogenannte Lambda-Flut fungierenden Flut 36 zugeführt. Die Flut 36 dient im
Wesentlichen dazu, ein gewünschtes Luft-Kraft-Verhältnis der
Verbrennungskraftmaschine 10 darzustellen und weist gegenüber der als AGR
fungierenden Flut 36' einen größeren Strömungsquerschnitt auf. Auch die Turbine 34 des Abgasturboladers 18 gemäß Fig. 2 kann als zweiflutige asymmetrische Festgeometrie-Turbine mit oder ohne Umgehungseinrichtung 56 (Waste- Gate) ausgebildet sein. Ebenso kann die Turbine 34 gemäß Fig. 2 als asymmetrische Varioturbine ausgebildet sein und beispielsweise eine Versteileinrichtung 62 umfassen, mittels welcher Strömungsbedingungen stromauf des Turbinenrads beaufschlagbar sind. Die Versteileinrichtung 62 ist beispielsweise als Zungenschieber ausgebildet und umfasst in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang angeordnete und in
Umfangsrichtung verschiebbare Zungen, mittels welcher ein Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads verstellbar ist. Um die Turbine 34 dadurch an unterschiedliche Betriebspunkte im Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10 anpassen zu können, ist eine Regelungseinrichtung 64 vorgesehen, welche die Versteileinrichtung 62 sowie das Abgasrückführventil 42 regelt.
Um das Abgas zu Reinigen bevor es an die Umgebung strömt, umfasst die
Verbrennungskraftmaschine 10 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 66. Die
Speichereinrichtung 66 umfasst beispielsweise einen Partikelfilter und/oder einen
Oxidationskatalysator und/oder eine Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder einen SCR- Katalysator (SCR - selektive katalytische Reduktion).
Die Abgasrückführeinrichtung 24 umfasst eine stromab des Abgasrückführkühlers 40 angeordnete Dämpfungseinrichtung 68 mit einem Dämpfungsvolumen 70. Mittels der Dämpfungseinrichtung 68 sind Druckpulsationen des rückgeführten Abgases vermieden oder zumindest im Wesentlichen reduziert.
In dem Ansaugtrakt 15 ist ein Luftfilter 72 angeordnet, mittels welchem die von der Verbrennungskraftmaschine 10 angesaugte Luft zu filtern ist. Ebenso ist in der Fig. 2 eine Kurbelwelle 74 dargestellt, mittels welcher ein translatorische Bewegung von in den Zylindern 12 und 12' aufgenommenen Kolben in eine rotatorische Bewegung gemäß einem Richtungspfeil 76 umzusetzen ist.
Die Speisungseinrichtung 45 der Aufladeeinrichtung 19 umfasst zwei Wärmetauscher 78 und 78'. Die Wärmetauscher 78 und 78' sind in Strömungsrichtung der Zusatzluft von dem Tank 48 zur Einleitstelle 52 in dem Abgastrakt 31 angeordnet und ermöglichen ein Erwärmen der Zusatzluft, bevor diese in den Abgastrakt 31 einströmt und das
Turbinenrad anströmt. Dazu befindet sich der Wärmetauscher 78 in Wirkverbindung mit der
Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 und ist von der Zusatzluft gemäß einem
Richtungspfeil 80 durchströmbar. Dadurch ist ein Wärmeübergang von der während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 heißen Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 an die den Wärmetauscher 78 durchströmende Zusatzluft möglich, infolge derer sich durch die Zusatzluft erwärmt.
Der Wärmetauscher 78' arbeitet nach dem Gegenstromprinzip und ist in eine
Strömungsrichtung von dem Abgas und in eine weitere dieser Strömungsrichtung entgegengesetzten Strömungsrichtung von der Zusatzluft durchströmbar. Der
Wärmetauscher 78' ermöglicht einen Wärmeübergang von dem heißen Abgas auf die Zusatzluft, sodass sich die Zusatzluft erwärmt. Dadurch ist eine Rekuperation von in dem Abgas enthaltener Wärmeenergie sowie von Wärmeenergie der
Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 dargestellt, welche ansonsten ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden würden. Dies trägt zu einem hohen Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 10 mit der Aufladeeinrichtung 19 bei. Ferner führt dies zu einer weiteren Steigerung der Turbinenleistung der Turbine 34, da die Turbinenleistung proportional zur Eintrittstemperatur eines einströmenden und das Turbinenrad
antreibenden Gases und damit auch der Zusatzluft steht. Darüber hinaus ist dadurch ein Vereisen der Einleitstelle 52 vermieden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Übersicht wegen in der Fig. 2 auf die
Darstellung des Luftpressers 44 sowie der Ventileinrichtung 54 sowie etwaiger weiterer Komponenten der Speisungseinrichtung 45 verzichtet ist.
Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Abgasturboladers 18 der
Aufladeeinrichtung 19 gemäß den Fig. 1 und 2. Der Abgasturbolader 18 umfasst den Verdichter 16, welcher ein Verdichtergehäuse 82 aufweist, in welchem ein Verdichterrad 84 um eine Drehachse 86 drehbar aufgenommen ist. Der Abgasturbolade 18 umfasst ferner ein Lagergehäuse 88, in welchem die Welle 38 drehbar gelagert ist.
Die Turbine 34 des Abgasturboladers 18 umfasst ein Turbinengehäuse 90 mit den zwei Fluten 36 und 36'. Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Fluten 36 und 36' zueinander zumindest im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet und weisen zumindest im
Wesentlichen gleiche Strömungsquerschnitte auf. Durch das Turbinengehäuse 90 ist ein Aufnahmeraum 92 gebildet, in welchem ein Turbinenrad 94 der Turbine 34 um die Drehachse 86 drehbar aufgenommen ist. Wie das Verdichterrad 84 ist auch das Turbinenrad 94 drehfest mit der Welle 38 verbunden.
Wie der Fig. 3 ferner zu entnehmen ist, ist die Einleitstelle 52 in das Turbinengehäuse 90 der Turbine 34 integriert, wobei die Einleitstelle 52 in Umfangs- und Drehrichtung des Turbinenrads 94 in die Bildebene der Fig. 3 gedreht ist. An die Einleitstelle 52 schließt sich eine Laval-Düse 96 an, über welche die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads 94 in das Turbinengehäuse 90 einströmen und das Turbinenrad 94 strömungsgünstig zum Antreiben anströmen kann. Dazu mündet die Laval-Düse 96 über die Einleitstelle 52 in eine durch Wandungen des Turbinengehäuses 90 gebildete Ringdüse 98, welche stromauf des Turbinenrads 94 angeordnet ist. Über die Ringdüse 98 strömen das Abgas und gegebenenfalls die Zusatzluft das Turbinenrad 94 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung an. Bei den Turbinen 34 der Aufladeeinrichtungen 19 gemäß den Fig. 1 und 2 sowie bei anderweitigen Ausführungsformen der Aufladeeinrichtung 19 kann sich damit um Radialturbinen handeln.
In Abhängigkeit von einem vorteilhaften Massenstrom der in den Abgastrakt 31 einzubringenden, insbesondere einzublasenden, Zusatzluft werden in Verbindung mit dem engsten Strömungsquerschnitt, insbesondere Düsenquerschnitt, stromauf des Turbinenrads 94 eine entsprechende Anzahl an Einleitstellen wie der Einleitstelle 52 sowie eine entsprechende Anzahl an Düsen wie der Laval-Düse 96 festgelegt. Mit anderen Worten können auch mehr als eine Einleitstelle 52 und/oder Laval-Düse 96 vorgesehen sein, um die Zusatzluft in den Abgastrakt 31 zum insbesondere zusätzlichen Antreiben des Turbinenrads 94 einzubringen.
Die Laval-Düse 96 stellt einee Dralldüse dar, mittels welcher der in den Abgastrakt 31 bzw. in das Turbinengehäuse 90 einströmende Zusatzluft ein Drall aufgeprägt werden kann. Anderweitige Drallerzeugungseinrichtungen sind ebenso möglich. Bei einem solchen Drall handelt es sich um eine insbesondere spiralförmige Drehbewegung um eine Achse parallel zur Strömungsrichtung.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der als zweiflutige symmetrische Turbine ausgebildeten Turbine 34 gemäß Fig. 3. Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, sind
Einleitstellen 52 in Überlappung mit einem offenen ausgebildeten Radrücken 100 des Turbinenrads 94 angeordnet und in einem Hitzeschild 102 als Durchtrittsöffnungen ausgebildet. Das Hitzeschild 102 dient dazu, dass Lagergehäuse 88 vor einem
unerwünscht hohen Hitzeeintrag durch das heiße das Turbinengehäuse 90 durchströmende Abgas zu schützen. Die Durchtrittsöffnungen sind als Drallöffnungen ausgebildet, so dass die Zusatzluft das Turbinenrad 94 mit einer hohen
Strömungsenergie vom Radrücken 100 zumindest im Wesentlichen zunächst in axialer Richtung anströmen und so besonders effizient antreiben kann.
Ein durch das Lagergehäuse 88, das Turbinengehäuse 90 und das Hitzeschild 102 zumindest bereichsweise begrenzter Zwischenraum 104 fungiert als Sammelraum, wobei hohe Gaskräfte bei einer Dimensionierung und Befestigung des Hitzeschilds 102 berücksichtigt werden müssen. Die Einleitstellen 52 in Form der Drallöffnungen befinden sich in sehr enger Nähe des Turbinenrads 94 bzw. dessen Radrücken 100, so dass eine zumindest im Wesentlichen direkte Beaufschlagung des Turbinenrads 94 durch die Zusatzluft ermöglicht ist. Dies begünstigt ein besonders effizientes Antreiben des
Turbinenrads 94 und damit des Verdichterrads 84 zur Darstellung eines schnellen
Drehmomenten- und damit Ladedruck-Aufbaus.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der zweiflutigen symmetrischen Turbine 34 gemäß den Fig. 3 und 4. In Zusammenschau mit den Fig. 3 und 4 ist zu erkennen, dass das Turbinengehäuse 90 ein Trennwandung 106 aufweist, durch welche die Fluten 36 und 36' zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt sind.
In der Trennwandung 106 der Turbine 34 gemäß der Fig. 5 ist nun ein Einleitkanal 108 ausgebildet, welcher sich an die Einleitstelle 52 anschließt und fluidisch mit dieser verbunden ist. Dadurch ist es auf sehr platzsparende Art und Weise ermöglicht, die Zusatzluft zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads 90 über die Einleitstelle 52 in die Ringdüse 98 einzubringen, insbesondere einzublasen. Mit anderen Worten erfolgt ein Austreten der Zusatzluft aus dem Einleitkanal 08 vorteilhaft zumindest nahezu zentral in die Ringdüse 98 stromauf des Turbinenrads 94. Dadurch ist ein strömungsgünstiges Beaufschlagen und damit ein effizientes Antreiben des Turbinenrads 94 geschaffen.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Einleitkanals 108. Der Einleitkanal 108 weist einen Mündungsbereich 112 auf, über welchen der Einleitkanal 108 in die Ringdüse 98 bzw. in den Aufnahmeraum 92 mündet. Der Mündungsbereich 102 schließt sich dabei direkt an der Einleitstelle 52 an und ist mit dieser fluidisch verbunden. Wie der Fig. 6 zu entnehmen ist, ist der Mündungsbereich 112 in Umfangsrichtung des Turbinenrads 94 des Aufnahmeraums 92 und damit der Ringdüse 98 gemäß einem Richtungspfeil 114 in Richtung der Drehrichtung gemäß einem Richtungspfeil 116, in welche sich das Turbinenrad 94 beim Betrieb des Abgasturboladers 18 dreht, gekrümmt. Dadurch wird die Zusatzluft bereits vor Eintreten in die Ringdüse 98 in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 116 abgelenkt, was durch einen Richtungspfeil 110 in der Fig. 6 dargestellt ist. Dadurch strömt die Zusatzluft das Turbinenrad 94 schräg zu dessen realer Richtung an, wodurch das Turbinenrad besonders strömungsgünstig und effizient antreibbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Aufladeeinrichtung (19) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines
Kraftwagens, mit wenigstens einem Abgasturbolader (18), welcher ein in einem Abgastrakt (31 ) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnetes und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbares Turbinengehäuse (90) umfasst, in welchem ein von dem Abgas beaufschlagbares Turbinenrad (94) drehbar aufgenommen ist, und mit wenigstens einer Speisungseinrichtung (45), mittels welcher dem Abgasturbolader (18) Zusatzluft zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speisungseinrichtung (45) wenigstens eine in dem Abgastrakt (31 ) angeordnete Einleitstelle (52) aufweist, über welche das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.
2. Aufladeeinrichtung (19) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einleitstelle (52) zumindest bereichsweise stromauf des Turbinenrads (52) angeordnet ist.
3. Aufladeeinrichtung (19) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Turbinenrad (94) mittels der Speisungseinrichtung (45) mit Druckluft als die Zusatzluft beaufschlagbar ist.
4. Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Speisungseinrichtung (45) eine Dralleinrichtung (96) umfasst, mittels welcher die das Turbinenrad (94) beaufschlagende Zusatzluft mit einem Drall zu versehen ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einleitstelle (52) zumindest bereichsweise auf Höhe eines größten
Durchmessers des Turbinenrads (94) angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Erwärmungseinrichtung (78, 78') vorgesehen ist, mittels welcher die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads (94) erwärmbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erwärmungseinrichtung (78, 78') wenigstens einen Wärmetauscher (78, 78') umfasst, mittels welchem die Zusatzluft infolge eines Wärmeübergangs von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) an die Zusatzluft erwärmbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der Einleitstelle (52) eine Lavaldüse (96) vorgesehen ist, über welche das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Turbinengehäuse (90) zumindest zwei mittels einer Trennwandung (106) des Turbinengehäuses (90) wenigstens bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten (36, 36') aufweist, wobei in der Trennwandung (106) ein mit der Einleitstelle (52) fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchströmbarer Einleitkanal (108) ausgebildet ist, über welchen das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.
10. Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein mit der Einleitstelle (52) fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchströmbarer Einleitkanal(108) vorgesehen ist, welcher einen in
Umfangsrichtung (1164) des Turbinenrads (94) gekrümmt und/oder geknickten und/oder gebogenen und sich an die Einleitstelle (52), insbesondere direkt, anschließenden Mündungsbereich (112) aufweist, über welchen der Einleitkanal (108) zumindest mittelbar in einen Aufnahmeraum (92) des Turbinengehäuses (90) zum Aufnehmen des Turbinenrads (94) mündet.
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