DE19929946C2 - Abgasturbolader zur Einstellung der Verbrennungsluftmenge für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader zur Einstellung der Verbrennungsluftmenge für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Druckschrift DE 195 43 190 A1 ist ein Abgasturbolader be­ kannt, dessen Turbine eine über ein verstellbares Leitgitter variabel einstellbare Turbinengeometrie aufweist. Das Leitgit­ ter umfaßt Leitschaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds in der Weise eingestellt werden können, daß der wirksame Turbinen­ eintrittsquerschnitt der Turbine verändert wird. Hierdurch ist es möglich, je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine ver­ schieden hohe Abgasgegendrücke im Abschnitt zwischen dem Zylin­ derauslaß und dem Abgasturbolader zu realisieren, wodurch die Leistung der Turbine und die Leistung des Verdichters je nach aktuellem Bedarf eingestellt werden können.

In die Zwischenräume zwischen die Leitschaufeln des Leitgitters können Sperrkörper eingefahren werden, wodurch der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt zusätzlich reduziert und dement­ sprechend der Abgasgegendruck zusätzlich erhöht wird. Die Sperrkörper werden insbesondere im Motorbremsbetrieb in die Zwischenräume zwischen die Leitschaufeln eingesetzt, um den Eintrittsquerschnitt auf ein Minimum zu reduzieren, so daß der für die gewünschte Bremswirkung erforderliche Abgasgegendruck im Abgasstrang erreicht wird.

Je nach Betriebsweise und Betriebszustand der Brennkraftmaschi­ ne wird die Rotorleistung des Abgasturboladers durch die ent­ sprechende Einstellung der variablen Turbinengeometrie beeinflußt. Über die Rotorleistung wird der Ladedruck auf einem einstellbaren Überdruckniveau oberhalb des Umgebungsdrucks gehalten.

Die Zufuhr an Verbrennungsluft in den Einlaß der Zylinder wird zusätzlich zum Ladedruck auch durch die Position der Drossel­ klappe im Ansaugtrakt bestimmt. Um ein optimales Kraftstoff- /Luft-Verhältnis einhalten zu können, ist es erforderlich, die Betriebsweisen der Drosselklappe und des Abgasturboladers, ins­ besondere der variablen Turbinengeometrie, aufeinander abzu­ stimmen.

Ein weiterer Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie ist aus der Druckschrift US 48 67 637 bekannt. Die Turbinengeo­ metrie besteht aus einem radialen Leitgitter mit über den Um­ fang verteilten Leitschaufeln, die jeweils um ihre Befesti­ gungsachsen über einen Winkel von maximal 30° zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verschwenkt werden können. Die Querschnittsvergrößerung durch Verschwenken der Leitschaufeln bewirkt, daß der Abgasgegendruck reduziert wird und auf einem die Bauteile nicht schädigenden Niveau gehalten wird.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie anzugeben, mit dem sowohl ein Ladebetrieb als auch ein Drosselbetrieb der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann.

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

Bei dem neuartigen Abgasturbolader kann die Drehrichtung des Rotors des Abgasturboladers in Abhängigkeit von aktuellen Zu­ stands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und der zuge­ hörigen Aggregate zur Einstellung der Verbrennungsluftmenge um­ gekehrt werden, wobei eine der Drehrichtungen der Erzeugung von Überdruck und die andere Drehrichtung der Erzeugung von Unter­ druck im Zylindereinlaß zugeordnet ist. In einer Mittelstellung zwischen den Anschlagstellungen steht der Rotor still, es wird kein wesentlicher Über- oder Unterdruck erzeugt und im Ansaug­ trakt stromab des Verdichters herrscht Umgebungsdruck. In den beiden Anschlagstellungen dreht der Rotor in entgegengesetzte Drehrichtungen, wobei in dem Bereich zwischen einer der An­ schlagstellungen und der Mittelstellung jeweils ausschließlich Kompressions-Überdruck bzw. Drossel-Unterdruck erzeugt wird, dessen Höhe von der aktuellen Stellung der variablen Turbinen­ geometrie abhängt.

Durch die Umkehrung der Drehrichtung des Rotors ist es möglich, im Zylindereinlaß einen Unterdruck zu erzeugen; in dieser Be­ triebsweise hat der Verdichter die Funktion einer Drosselein­ richtung, wobei über die variable Turbinengeometrie die Dros­ selleistung an den aktuellen Bedarf angepaßt werden kann.

Je nach Stellung der variablen Turbinengeometrie und entspre­ chender Drehrichtung des Rotors wird demnach im Ansaugtrakt stromab des Verdichters ein Überdruck oder ein Unterdruck er­ zeugt. Die Erzeugung des Unterdrucks ermöglicht es, die Verwen­ dungsmöglichkeiten des Laders zusätzlich zum bereits bekannten Ladebetrieb auf einen Drosselbetrieb auszudehnen, der bislang nur durch den Einsatz einer Drosselklappe zu realisieren war. Die neuartige Verwendungsmöglichkeit des Laders gestattet es, den Verdichter als Drosseleinrichtung einzusetzen, so daß es prinzipiell möglich ist, auf eine Drosselklappe im Ansaugtrakt zu verzichten und die Bemessung der Luftzufuhr ausschließlich über den Lader zu regeln. Neben einer vereinfachten baulichen Ausführung wird dadurch der Vorteil erzielt, daß der Ansaug­ druck sowohl im Kompressionsbereich als auch im Drosselbereich präzise und stufenlos eingestellt werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Leitgitter ver­ stellbare Leitschaufeln auf, die zwischen zwei entgegengesetz­ ten Anschlagstellungen insbesondere um bis zu 180° verstellbar sind.

Die Verwendung des Abgasturboladers im Drosselbereich kann mit der Verwendung einer Drosselklappe kombiniert werden, um die jeweilige beste Verhaltensweise von Lader und Drosselklappe in ausgesuchten Betriebspunkten ausnutzen zu können. Dadurch kann sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch das dynamische Verhal­ ten des Motors günstig beeinflußt werden.

Vorteilhaft wird bei kombinierter Verwendung von Drosselklappe und Turbolader in einem weiten Betriebsbereich, insbesondere im gesamten Kompressionsbereich, in welchem der Ansaugdruck sich auf Überdruckniveau befindet, sowie zum Teil auch im Drosselbe­ reich, in welchem der Ansaugdruck sich auf Unterdruckniveau, jedoch oberhalb eines Ansaugdruck-Grenzwerts befindet, die Luftmengenregelung ausschließlich über die Einstellung des Ab­ gasturboladers durchgeführt. In diesem Betriebsbereich bleibt die Drosselklappe vollständig geöffnet und die Luftzumessung wird ausschließlich über die Einstellung des Laders geregelt.

Dagegen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in einem unteren Lastbereich unterhalb des Ansaugdruck-Grenzwerts die Leitgit­ terposition der Turbine in die Öffnungsstellung zu versetzen und die Luftzumessung über die Einstellung der Drosselklappe durchzuführen. Hierdurch können größere Nachteile im transien­ ten Verhalten des Abgasturboladers im unteren Lastbereich ver­ mieden werden.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi­ ne mit Abgasturbolader mit variabler Turbinengeomet­ rie,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Leitgitter einer Turbine mit verschwenkbaren Leitschaufeln,

Fig. 3 ein auf einen Drosselbereich erweitertes Verdichter­ kennfeld eines Abgasturboladers.

Gemäß Fig. 1 weist die Brennkraftmaschine 1 einen Abgasturbola­ der 2 mit einer Turbine 3 im Abgasstrang 6 und einen Verdichter 4 im Ansaugtrakt 7 auf. Die Turbine 3 ist als Radialturbine mit variabel einstellbarer Turbinengeometrie in Form eines radialen Leitgitters 5 mit verstellbaren Leitschaufeln ausgestattet. Die Turbine 3 wird von den unter dem Abgasgegendruck p₃ stehenden Abgasen im Abgasstrang 6 zwischen dem Zylinderauslaß der Brenn­ kraftmaschine und dem Turbineneinlaß angetrieben. Über eine Welle wird die Turbinenrotation auf den Verdichter 4 übertra­ gen, der die mit Atmosphärendruck p₁ angesaugte Frischluft auf einen erhöhten Druck p₂ verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einem Ladeluftkühler 8 stromab des Verdichters 4 gekühlt und anschließend mit dem Lade- bzw. Ansaugdruck p_2S dem Saugrohr der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Der erhöhte Ansaugdruck p_2S führt zu einer Steigerung der Motorantriebsleistung.

Im Ansaugtrakt 7 ist eine Drosseleinrichtung 9 angeordnet, die insbesondere als Drosselklappe ausgebildet ist, über die die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine 1 eingestellt werden kann. In Abhängigkeit der Luftzufuhr wird die den Brennräumen des Motors zugeführte Kraftstoffmenge bemessen, die bevorzugt über eine Direkteinspritzung 10, gegebenenfalls aber über eine Saugrohr­ einspritzung 11 zugeführt wird.

In einem Regelsystem 12 werden die Funktionen der variablen Turbinengeometrie der Turbine 3, der Drosseleinrichtung 9 und er Einspritzung 10 bzw. 11 koordiniert. Das Regelsystem 12 ver­ arbeitet als Eingangssignal die aktuelle Stellung eines Be­ schleunigungspedals 13 und ermittelt gemäß einer hinterlegten Berechnungsvorschrift Stellsignale zur Einstellung der genann­ ten Aggregate.

Es kann zweckmäßig sein, eine Abgasrückführung 14 vorzusehen, die aus einer Verbindungsleitung 15 zwischen dem Abgasstrang 6 und dem Ansaugtrakt 7, einem einstellbaren Ventil 16 und einem Kühler 17 besteht.

Der Abgasturbolader 2 kann zusätzlich zur befeuerten Antriebs­ betriebsweise auch im Motorbremsbetrieb zur Erzeugung von Mo­ torbremsleistung genutzt werden. Hierfür wird das Leitgitter 5 der Turbine 3 in eine Staustellung überführt, in der der wirk­ same Turbineneintrittsquerschnitt reduziert ist. Daraufhin baut sich ein erhöhter Abgasgegendruck p₃ auf, das Abgas strömt mit erhöhter Geschwindigkeit durch Kanäle zwischen den Leitschau­ feln des Leitgitters 5 und trifft auf das den Verdichter 4 an­ treibende Turbinenrad, wodurch im Ansaugtrakt 7 ein Überdruck aufgebaut wird. Zugleich werden Bremsventile am Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine 1 geöffnet, so daß die im Zylinder ver­ dichtete Luft in den Abgasstrang 6 gegen den erhöhten Abgasge­ gendruck p₃ abgeblasen werden kann.

Anstelle der drehbaren Leitschaufeln kann die variable Turbi­ nengeometrie auch durch ein axial verschiebliches Leitgitter realisiert sein. Die Querschnittseinstellung wird in diesem Fall durch ein axiales Verschieben des Leitgitters bewirkt.

Die Antriebsleistung und die Bremsleistung können durch die Stellung der Leitschaufeln des Leitgitters 5 und der daraus re­ sultierenden Einstellung des Turbineneintrittsquerschnitts be­ einflußt werden. Die Drehzahl des Rotors des Laders 2 und folg­ lich die Leistung des Verdichters 4 hängen von dem Abgasgegen­ druck p₃ im Abgasstrang 6 und der Zuströmung auf die variable Turbinengeometrie ab.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Antrieb der aufgelade­ nen Brennkraftmaschine 1 in einem weiten Betriebsbereich des Motors über die Einstellung der Position der variablen Turbi­ nengeometrie des Abgasturboladers 2 eingestellt wird, wobei in dem betreffenden Bereich die Drosselklappe 9 in ihre weiteste Öffnungsstellung versetzt und in dieser Stellung gehalten wird. Die Steuerung bzw. Regelung der Luftzufuhr zur Brennkraftma­ schine 1 erfolgt in diesem Bereich bevorzugt ausschließlich über die Einstellung der variablen Turbinengeometrie.

Damit nicht nur im Überdruck-Kompressionsbereich, sondern auch im Unterdruck-Drosselbereich Ansaugdruck erzeugt werden kann, ist die Drehrichtung des Rotors des Abgasturboladers 2 durch eine entsprechende Manipulation der variablen Turbinengeometrie umkehrbar. Die Umkehrung der Drehrichtung hat zur Folge, daß der Ansaugdruck p_2S auf ein Unterdruckniveau abfällt, welches kleiner ist als der Umgebungsdruck. Durch die Einstellung der variablen Turbinengeometrie wird sowohl die Drehrichtung als auch die Drehzahl des Laders bestimmt, dementsprechend stellt sich ein dazugehörender Ansaugdruck im Lufteinlaß der Brenn­ kraftmaschine ein.

Zweckmäßig wird die Bemessung der Luftzufuhr durch eine ent­ sprechende Einstellung der variablen Turbinengeometrie solange aufrechterhalten, wie die ausschließliche Steuerung über die variable Turbinengeometrie Vorteile gegenüber der Steuerung über die Drosselklappe 9 aufweist. Insbesondere im unteren Lastbereich mit einem den Umgebungsdruck unterschreitenden An­ saugdruck p_2S und einem entsprechend geringen Abgasgegendruck kann die Verlustaufwendung des Abgasturboladers über der der Drosselklappe 9 liegen. In diesem Fall wird zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades sowie für die Reduzierung des Kraftstoff­ verbrauches und/oder die Verbesserung des dynamischen Verhal­ tens des Motors die Luftzufuhr über die Drosselklappe 9 durch­ geführt, wobei zweckmäßig zugleich der Abgasturbolader außer Kraft gesetzt wird, indem die variable Turbinengeometrie des Laders in ihre neutrale Öffnungsposition überführt wird, in der kein Druckabfall über die Turbine entsteht, so daß auch keine Rotordrehung erzeugt werden kann.

Die Entscheidung, ob die Luftzufuhr ausschließlich über den Ab­ gasturbolader eingestellt wird oder ob die Drosseleinrichtung aktiviert wird, hängt von dem Über- bzw. Unterschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes ab. Es kann insbesondere überprüft wer­ den, ob der Ansaugdruck p_2S einen Ansaugdruck-Grenzwert über­ schreitet. Sofern dies der Fall ist, bemißt sich die zugeführte Verbrennungsluftmenge über die Einstellung des Abgasturbola­ ders. Sofern der Ansaugdruck-Grenzwert unterschritten wird, er­ folgt die Luftzufuhr über die Einstellung der Drosselklappe. Der Grenzwert wird bevorzugt so gewählt, daß die Brennkraftma­ schine in weiten Bereichen ausschließlich über die variable Turbinengeometrie eingestellt werden kann. Der Ansaugdruck- Grenzwert liegt insbesondere im Drosselbereich und nimmt einen Wert ein, der unterhalb des Umgebungsdrucks liegt. Über die Vorgabe eines niedrigen Ansaugdruck-Grenzwerts wird zweckmäßig das Leerlaufverhalten des Motors über die Drosselklappe einge­ stellt.

Fig. 2 zeigt eine variable Turbinengeometrie einer Radialturbi­ ne, ausgeführt als radiales Leitgitter 5 mit schwenkbar befe­ stigten Leitschaufeln 18. Über den Umfang des Leitgitters 5 sind eine Vielzahl von Leitschaufeln 18 angeordnet, wobei jede Leitschaufel 18 um eine eigene Drehachse 20 verschwenkt werden kann und die Drehachsen 20 aller Leitschaufeln 18 parallel zu­ einander ausgerichtet sind. Die Leitschaufeln 18 können um ei­ nen Winkelbereich von bis zu 180° zwischen zwei entgegengesetz­ ten Anschlagstellungen 22, 23 verschwenkt werden. Im Ausfüh­ rungsbeispiel beträgt der Winkelbetrag zwischen den Anschlag­ stellungen vorteilhaft etwa 135°.

Die Zuströmrichtung 21 erfolgt bei einer mit einem Spiralgehäu­ se ausgestatteten Radialturbine unter einem bestimmten Winkel zum Leitgitter 5, insbesondere aber tangential zum Leitgitter. Falls die Leitschaufeln 18 in der mit durchgezogener Linie dar­ gestellten ersten Anschlagstellung 22 stehen, die der Kompres­ sionsstellung der variablen Turbinengeometrie entspricht, wird der mit dem Leitgitter 5 verbundene Rotor 19 des Laders in der üblichen Weise in Drehung versetzt, die eine Kompression des Ansaugdruckes auf ein Überdruckniveau bewirkt. Falls die Leit­ schaufeln in der entgegengesetzten Anschlagstellung 23 stehen, die mit gepunkteter Linie dargestellt ist und einer Drossel­ stellung entspricht, wird der Rotor 19 in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt, woraufhin im Ansaugtrakt ein Un­ terdruck erzeugt wird. Bei einer neutralen Mittelstellung 24, die zwischen der Kompressionsstellung 22 und der Drosselstel­ lung 23 der Leitschaufeln 18 liegt, entsteht keine gerichtete, den Rotor beaufschlagende Abgasströmung, so daß aufgrund feh­ lender Impulswirkung auch keine Rotordrehung erzeugt wird. Dem­ entsprechend wird keine Verdichterleistung frei, der Ansaug­ druck bleibt nahezu auf dem Niveau des Umgebungsdrucks. In der neutralen Mittelstellung 24 liegt der Turbineneintrittsquer­ schnitt im Bereich des größten Wertes; von der Mittelstellung 24 ausgehend wird der Turbineneintrittsquerschnitt bei Ver­ schwenkung der Leitschaufeln 18 sowohl in Richtung der Kompres­ sionsstellung 22 als auch in Richtung der Drosselstellung redu­ ziert.

Das Verdichterkennfeld gemäß Fig. 3 zeigt das Druckverhältnis p₂/p₁ des Ansaugdrucks p₂, der unmittelbar stromab des Verdich­ ters anliegt, zum Atmosphärendruck p₁, der unmittelbar stromauf des Verdichters anliegt, in Bezug zu einem auf der Abszisse dargestellten Referenzmassenstrom m_ref, in welchem den Referenz­ druck und die Referenztemperatur unter Normalbedingungen be­ rücksichtigt ist. Das Verdichterkennfeld ist in einen oberen Kompressionsbereich mit einem Druckverhältnis p₂/p₁ größer als eins bzw. mit einem Ansaugdruck p₂ größer als Atmosphärendruck und einen unteren Drosselbereich mit einem Druckverhältnis p₂/p₁ kleiner als eins bzw. einem Ansaugdruck p₂ kleiner als At­ mosphärendruck unterteilt. Der Kompressionsbereich und der Drosselbereich sind durch die Linie 30 getrennt, welche ein neutrales Druckverhältnis mit p₂ = p₁ charakterisiert. Das Ver­ dichterkennfeld ist nach oben in Richtung eines zunehmenden Druckverhältnisses p₂/p₁ durch die Pumpgrenze 25 begrenzt. Das tatsächliche, maximal erreichbare Leistungsvermögen des Ver­ dichters wird durch die knapp unterhalb der Pumpgrenze 25 ver­ laufende Vollastlinie 26 dargestellt. Darüberhinaus sind in dem Verdichterkennfeld eine Mehrzahl von Drehzahllinien 28 mit kon­ stanter Turbolader-Drehzahl n_ATL eingetragen, wobei Drehzahlli­ nien 28, die unterhalb des neutralen Druckverhältnisses 30 mit p₂/p₁ = 1 liegen, einer Drosseldrehzahl n_Drossel zugeordnet sind, welche aufgrund der Drehrichtungsumkehr des Rotors des Laders mit einem entgegengesetzten Vorzeichen zur Drehzahl n_ATL des Turboladers versehen ist. Weiterhin sind Höhenlinien 29 einge­ tragen, die Bereiche mit konstantem Wirkungsgrad markieren.

Die strichpunktierten Linien 27 stellen Motorschlucklinien dar, welche das Motorbetriebsverhalten bei konstanter Motordrehzahl n_Mot zwischen dem Drosselbereich und dem Kompressionsbereich charakterisieren. Im Drosselbereich nähert sich die Motor­ schlucklinie mit zunehmendem Druckverhältnis p₂/p₁ der das neu­ trale Druckverhältnis repräsentierenden Linie 30 an; diese An­ näherung geht einher mit einem sich erweiternden Turbinenein­ trittsquerschnitt aufgrund des Verstellens der variablen Turbi­ nengeometrie aus der dem unteren Lastbereich zugeordneten Stel­ lung in Richtung ihrer maximalen, neutralen Öffnungsstellung. Im gesamten Drosselbereich erzeugt der Verdichter aufgrund der Drehzahlumkehr im Ansaugtrakt einen Unterdruck.

Auf der Linie 30 beträgt die Rotordrehzahl n_ATL des Abgasturbo­ laders Null. Bei einem Überschreiten der Linie 30 vom Drossel­ bereich in den Kompressionsbereich kehrt sich die Drehrichtung des Rotors um, der Verdichter erzeugt nun einen Überdruck. Zu­ gleich wird die variable Turbinengeometrie mit ansteigendem Druckverhältnis p₂/p₁ und zunehmender Entfernung von der Linie 30 in Richtung ihrer einen Überdruck erzeugenden Teil- Schließstellung verstellt. Bei Erreichen der Vollastlinle 26 befindet sich die variable Turbinengeometrie in der Vollastpo­ sition.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung werden bevorzugt bei Ottomotoren, insbesondere bei Ottomotoren mit Benzin-Direkteinspritzung, eingesetzt. Darüberhinaus ist aber auch ein Einsatz bei Diesel-Brennkraftmaschinen möglich.

Claims (3)

1. Abgasturbolader zur Einstellung der Verbrennungsluftmenge für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Abgasstrang (6) ange­ ordneten Abgasturbine (3) mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts und mit einem Verdichter (4) im Ansaugtrakt (7), wobei die va­ riable Turbinengeometrie ein zwischen einer Öffnungsstellung mit maximalem Turbineneintrittsquerschnitt und einer Staustel­ lung mit minimalem Turbineneintrittsquerschnitt verstellbares Leitgitter (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitgitter (5) in Abhängigkeit von Zustands- und Be­ triebsgrößen der Brennkraftmaschine (1) in eine die Drehrich­ tung des Rotors (19) des Abgasturboladers (2) umkehrende Posi­ tion verstellbar ist, wobei die Drehrichtung des Rotors (19) zwischen einer im Lufteinlaß der Brennkraftmaschine Überdruck erzeugenden Kompressionsrichtung und einer im Lufteinlaß Unter­ druck erzeugenden Drosselrichtung einstellbar ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitgitter (5) verstellbare Leitschaufeln (18) auf­ weist, die zwischen zwei Anschlagstellungen verstellbar sind, welche gegensätzliche Drehrichtungen bewirken.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln um bis zu 180° verstellbar sind.