Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
ARRANGEMENT WITH AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND A TURBOCHARGER, AND METHOD FOR OPERATING A TURBOCHARGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/146372
Kind Code:
A2
Abstract:
In an arrangement with an internal combustion engine (10) and a turbocharger (18), in order that the compressor (16) of the turbocharger (18) does not reach its surge limit, somewhat more air is guided via the compressor (16) than the internal combustion engine requires. The excess air is discharged via an outlet (26) between the compressor (16) and the internal combustion engine (10), wherein this additional mass flow (mL2) can be adjusted by way of a control device which can comprise a regulating valve (30). The additional mass flow (mL2) can be fed to the compressor (16) again, and can be used, in particular, for operating an expansion machine (34), by way of which electrical energy can be generated.

Inventors:
REUSS THOMAS (DE)
FESSLER MARC (DE)
DAWIDZIAK JOHANNES (DE)
Application Number:
PCT/EP2012/001762
Publication Date:
November 01, 2012
Filing Date:
April 25, 2012
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
AUDI AG (DE)
REUSS THOMAS (DE)
FESSLER MARC (DE)
DAWIDZIAK JOHANNES (DE)
Domestic Patent References:
WO2004029418A12004-04-08
Foreign References:
DE102008060024A12010-06-17
Download PDF:
Claims:
PATENTANSPRÜCHE:

Anordnung mit einer Brennkraftmaschine (10), wobei der Brennkraftmaschine (10) über einen Lufteinlass (12) in die Anordnung eintretende Luft zugeführt wird, die durch einen Verdichter (16) verdichtet wird, welcher von aus der Brennkraftmaschine (10) austretendem Abgas angetrieben wird, wobei zwischen Verdichter (16) und Brennkraftmaschine (10) ein Auslass (26, 26') für verdichtete Luft zum Wegführen selbiger von der Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (30; 46) zum Steuern des Massenstroms der aus dem Auslass geführten Luft.

Anordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Einrichtung zum Steuern ein Regelventil (30) umfasst.

Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Auslass (26; 26') mit einem Einlass (37) stromaufwärts des Verdichters (16) gekoppelt ist.

Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

gekennzeichnet durch

eine Expansionsmaschine (34) hinter dem Auslass (26; 26'), durch die elektrische Energie gewinnbar ist.

Anordnung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Verdichter zusätzlich mittels einer elektrischen Maschine (44) angetrieben wird.

Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

die verdichtete Luft stromaufwärts von der Brennkraftmaschine durch einen Ladeluftkühler (22) gekühlt wird, wobei der Auslass (26) stromaufwärts des Ladeluftkühlers (22) angeordnet ist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die verdichtete Luft stromaufwärts von der Brennkraftmaschine durch einen Ladeluftkühler (22) gekühlt wird, wobei der Auslass (26') stromabwärts des Ladeluftkühlers (22) angeordnet ist.

Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Einrichtung (46) zum Steuern ausgelegt ist, bei Drehzahlen unterhalb eines Grenzwerts Luft aus dem Auslass gelangen zu lassen und bei Drehzahlen oberhalb des Grenzwerts nicht oder mit geringerem Massenstrom, also unterhalb des Grenzwerts.

Kraftfahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

Verfahren zum Betreiben eines Turboladers (18), der Luft für eine Brennkraftmaschine (10) verdichtet,

dadurch gekennzeichnet, dass

in Abhängigkeit von einer der Brennkraftmaschine (10) zugeordneten Drehzahl ein Anteil (mi_2) an der von dem Turbolader verdichteten Luft bestimmt wird, der der Brennkraftmaschine (10) nicht zugeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Anteil (mi_2) bei Drehzahlen unterhalb eines Grenzwerts endlich ist und bei Drehzahlen oberhalb des Grenzwerts Null oder kleiner als unterhalb des Grenzwerts ist.

Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Anteil (mi_2) wieder dem Turbolader zum Verdichtetwerden zugeführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Anteil (mi_2) zum Generieren elektrischer Energie eingesetzt wird.

Description:
Anordnung mit Brennkraftmaschine und Turbolader sowie Verfahren zum Betreiben eines Turboladers

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , wie sie beispielsweise aus der DE 10 2008 060 024 A1 bekannt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Es wird somit von einer Brennkraftmaschine ausgegangen, der mit Hilfe eines Verdichters (Turboladers) im Betrieb verdichtete Luft zugeführt wird. Der Verdichter wird als Turbolader von aus der Brennkraftmaschine austretendem Abgas angetrieben.

Mit Hilfe des Turboladers ist es möglich, den Betrieb einer Brennkraftmaschine effizienter zu gestalten. Daher kann die Leistungsbereitstellung durch die Brennkraftmaschine pro Kubikzentimeter Hubraum erhöht werden, was bedeutet, dass eine bestimmte Leistung durch weniger Hubraum bereitge- stellt werden kann. Es gibt hier Folgendes zu beachten: Wird der Luftmassenstrom über den Verdichter zu gering, kann der Verdichter nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten und man erreicht eine Pumpgrenze. Je höher die gewünschten Ladedrücke sind, zu desto höheren Massenströmen verschiebt sich diese Pumpgrenze. Dadurch muss man bisher den Turbolader in ein ausgewogenes Verhältnis zum Hubraum der Brennkraftmaschine bringen. Der Turbolader muss daher bei einer Vielzahl von Betriebspunkten arbeiten und kann daher nicht auf alle Betriebspunkte optimal ausgelegt sein.

Es wäre wünschenswert, könnte man die Pumpgrenze weiter zu niedrigen Massenströmen verschieben.

Die DE 10 2008 060 024 A1 beschreibt, dass die verdichtete (aufgeladene) Luft, die den Verdichter verlässt, nicht vollständig der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Sie wird vielmehr einem Injektorsystem zugeführt, das sich

BESTÄTIGUNGSKOPIE stromaufwärts vor dem Verdichter befindet. Die verdichtete Luft sorgt hierbei in einer Düse dafür, dass in ausreichendem Maße weiter Luft angesogen wird. Dadurch sollen die Turbomaschinen unter optimalen Verhältnissen betreibbar sein. Hier muss der Injektor bzw. die Düse spezifisch ausgestaltet sein. Es versteht sich von selbst, dass dies nicht für alle Bedingungen gleichermaßen gilt. Zudem kann nicht ein und dasselbe Injektorsystem in variablen Anordnungen eingesetzt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz einer Brenn- kraftmaschine, der ein Verdichter (Turbolader) zugeordnet ist, weiter zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Pa- tentanspruch 9 mit einer solchen Anordnung, sowie schließlich durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10.

Erfindungsgemäß ist somit eine Einrichtung zum Steuern des Massenstroms der aus dem Auslaß geführten Luft vorgesehen.

Dadurch, dass der Massenstrom von außen, z. B. durch ein geeignetes Steuergerät, vorgegeben werden kann, und dass der Massenstrom zudem die Druckverhältnisse hinter dem Verdichter bestimmt, kann wirksam die Pumpgrenze verschoben werden: Insbesondere bei von der Brennkraftma- schine benötigtem niedrigem Massenstrom kann durch Erhöhung des Massenstroms der aus dem Auslass geführten Luft gleichwohl der Verdichter so betrieben werden, dass der gesamte Massenstrom noch auf der Betriebsseite der Pumpgrenze liegt, wohingegen der zur Brennkraftmaschine führende Massenstrom an sich jenseits dieser Pumpgrenze liegen würde. Durch die Einrichtung zum Steuern des Massenstroms kann insbesondere auch ein kurzfristiger Eingriff zu jeder Art von Manipulation erfolgen, so dass die erfindungsgemäße Anordnung nicht davon abhängig ist, dass sich bestimmte Gegebenheiten, wie z. B. Druckverhältnisse, von selbst einstellen, wie es etwa bei der DE 10 2008 060 024 A1 vorausgesetzt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einrichtung zum Steuern ein Regelventil. Bei einem solchen Regelventil ist mit Hilfe von elektrischen Steuersignalen der Massenstrom der Luft besonders leicht einstellbar. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Aus- lass mit einem Einlass stromaufwärts des Verdichters gekoppelt. Mit anderen Worten wird die abgeführte Luft dem Verdichter sogleich wieder zugeführt. Dies kann schon aus Bauraumgründen im Kraftfahrzeug effizient sein, insbesondere ist es aber vorteilhaft dafür, dass sich besonders günstige Druckverhältnisse einstellen.

Die überschüssig verdichtete Luft kann im Übrigen weiter genutzt werden: So kann hinter dem Auslass eine Expansionsmaschine vorgesehen sein, durch die elektrische Energie gewinnbar ist. Eine Expansionsmaschine kehrt das Verdichten um, so dass die durch das Verdichten in die Luft eingetragene Energie wieder zurückgewonnen wird. Dies ist besonders sinnvoll dann, wenn die Luft dem Verdichter wieder zugeführt wird, denn es ist nicht not- wendig, dass einem Verdichter schon vorher verdichtete Luft zugeführt wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die verdichtete Luft stromaufwärts von der Brennkraftmaschine durch einen Ladeluftkühler gekühlt. Der Auslass kann stromaufwärts des Ladeluftkühlers angeordnet sein, so dass man dann ein besonders hohes Enthalpie-Gefälle hat, das für eine Expansion mit einer Expansionsmaschine besonders geeignet ist. Das Vorsehen einer elektrische Energie gewinnenden Expansionsmaschine ist in besonderem Maße sinnvoll, wenn der Verdichter zusätzlich mittels einer elektrischen Maschine angetrieben wird („elektrischer Turbo"), denn dann kann die von der elektrischen Maschine zugeführte Energie sogleich wieder, zumindest teilweise, zurückgewonnen werden.

Genauso kann es aber auch vorteilhaft sein, den Auslass hinter dem Ladeluftkühler vorzusehen, also stromabwärts von diesem. Beispielsweise wenn die aus dem Auslass ausgeführte Luft wieder dem Verdichter zugeführt wird, ist es vorteilhaft, wenn die zugeführte Luft nicht zu sehr erwärmt ist. Durch das Anordnen des Auslasses hinter dem Ladeluftkühler kommt es somit zu einer Absenkung der Verdichtereintrittstemperatur. Bevorzugt ist die Einrichtung zum Steuern ausgelegt, bei Drehzahlen (die auf die Brennkraftmaschine bezogen sind, z. B. eine Kurbelwelle o.ä. betreffend) unterhalb eines Grenzwerts, Luft aus dem Auslass gelangen zu lassen und bei Drehzahlen oberhalb des Grenzwerts nicht (also keine Luft) oder mit geringerem Massenstrom als unterhalb des Grenzwerts. Diese Ausführungs- form beruht auf der Erkenntnis, dass es ja der Effekt des Auslasses sein soll, dass mehr Luft über den Verdichter läuft, als die Brennkraftmaschine anfordert; dies ist aber insbesondere dann relevant, wenn ansonsten die Pumpgrenze für Einschränkungen sorgen würde. Ist die Einrichtung zum Steuern derart ausgelegt, kann die Brennkraftmaschine bei gleicher gewünschter Leistung deutlich kleiner gebaut werden als ohne diese Maßnahme. Außerdem kann der Turbolader für den Betrieb bei einem optimalen Betriebspunkt ausgelegt werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung, so dass die Brennkraftmaschine effizienter betrieben wird und das Kraftfahrzeug Kraftstoff spart.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, der Luft für eine Brennkraftmaschine verdichtet, ist dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer der Brennkraftmaschine zugeordneten Drehzahl ein Anteil an der von dem Turbolader verdichteten Luft bestimmt wird, der der Brennkraftmaschine nicht zugeführt wird, also insbesondere von ihr weg geleitet wird. Auch hier wird wieder die Maßnahme getroffen, dass der Turbola- der Luft verdichtet, die gar nicht der Brennkraftmaschine zugeführt wird, damit der Turbolader effizient arbeiten kann, und das beruht auf einer besonderen Erkenntnis, dass dies in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine besonders sinnvoll variiert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anteil bei Drehzahlen unterhalb eines Grenzwerts endlich und bei Drehzahlen oberhalb des Grenzwerts entweder Null oder zumindest kleiner als oberhalb des Grenzwerts. Wie bereits oben ausgeführt, ist das Wegleiten der Luft von der Brennkraftmaschine insbesondere bei niedrigen Drehzahlen vorteilhaft, bei denen man sich sonst unterhalb der Pumpgrenze befinden würde. Auch hier wird bevorzugt der Anteil an der von dem Turbolader verdichteten Luft, der der Brennkraftmaschine nicht zugeführt wird, wieder dem Turbolader zum Verdichtetwerden zugeführt, und auch hier kann dieser Anteil wieder zum Generieren von elektrischer Energie eingesetzt werden. Diese bevorzugten Ausführungsfor- men wurden bereits oben unter Bezug auf die Anordnung erläutert, so dass die dort genannten Vorteile auch für das Verfahren gelten.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Brennkraftmaschine und Turbolader veranschaulicht; Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Brennkraftmaschine und Turbolader veranschaulicht;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Brennkraftmaschine und Turbolader veranschaulicht;

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Brennkraftmaschine und Turbolader veranschaulicht; eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Brennkraftmaschine und Turbolader veranschaulicht; und eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen An Ordnung mit Brennkraftmaschine und Turbolader veranschau licht.

Es wird zunächst die erste Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben: Eine Brennkraftmaschine 10 verbrennt Kraftstoff mit Luftsauerstoff. Ihr wird Luft zugeführt, die über einen Einlass 12 in einen Leitung 14 gelangt, durch die sie einem Verdichter 16 zugeführt wird, der Teil eines Turboladers 18 ist: Der Verdichter 16 wird durch eine Turbine 20 angetrieben, über die aus der Brennkraftmaschine 10 abgeführtes Abgas geleitet wird. Hinter dem Verdich- ter wird die verdichtete Luft in einem Ladeluftkühler 22 gekühlt, bevor sie der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Vorliegend gibt es die Möglichkeit einer Rückführung eines Teils des Massenstroms an Luft: In einer Leitung 24 zwischen dem Verdichter 16 und dem Ladeluftkühler 22 ist ein Auslass 26 vorgesehen, der über ein Leitungsstück 28 zu einem Regelventil 30 führt. Dem Regelventil 30 nachgeordnet ist eine Leitung 32, die zu eine Expansionsmaschine 34 führt, und dieser nachgeordnet ist dann eine Leitung 36, die über einen Einlass 37 in die Leitung 14 mündet. Ist das Regelventil 30 geöffnet, wird somit ein Massenstrom mi_2 zurückgeführt. Wird über den Einlass 12 ein Massenstrom mu zugeführt, dann bedeutet dies, dass der Verdichter 16 einen Massenstrom m L i + mi_2 empfängt. Zur Brennkraftmaschine gelangt lediglich der Massenstrom mu. Die entspre- chenden Drücke sind in Fig. 1 dargestellt. Das Öffnen des Regelventils 30 ist dann vorteilhaft, wenn ansonsten der Massenstrom mu zu gering wäre, der durch den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 bestimmt wird. Bei zu geringem Massenstrom mu würde nämlich der Turbolader 18 an seine Pumpgrenze geraten, d.h. der Verdichter könnte nicht mehr ausreichend Druck aufbauen, wenn der Massenstrom zu klein ist. Dadurch aber, dass über den Verdichter zusätzlich der Massenstrom mi_2 geführt wird, wird die Pumpgrenze nicht unterschritten bzw. virtuell verschoben.

Es wird etwas mehr Luft verdichtet, als sie von der Brennkraftmaschine be- nötigt wird. Die in dem Verdichten dieser überschüssigen Luft mi_2 steckende Energie wird durch die Expansionsmaschine 34 in Form von elektrischer Energie zumindest teilweise wieder zurückgewonnen.

In Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann auch auf die Expan- sionsmaschine 34 verzichtet werden, so dass die Leitung 32 gemäß Fig. 2 hinter dem Regelventil 30 unmittelbar in die Leitung 14 mündet. Dies kann sogar dahingehend gesteigert werden, dass gemäß Fig. 3 hinter dem Regelventil 30 die Leitung 32 in einem Luftauslass mündet, die Luft also gar nicht zurückgeführt wird.

Unter Variationen der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 kann zudem eine Bypass-Leitung 40 gemäß Fig. 4 vorgesehen sein, damit nicht die gesamte verdichtete Luft über die Expansionsmaschine läuft. Dies kann vorteilhaft sein, damit sich bestimmte Druckverhältnisse einstellen bzw. der Luftmas- sendurchsatz ιτΐ|_2 von der Expansionsmaschine unabhängig festgelegt werden kann.

Im Falle der Fig. 1 ist der Auslass 26 vor dem Ladeluftkühler 22 vorgesehen. Unter Abwandlung dieser Ausführungsform kann ein Auslass 26' jedoch ge- mäß Fig. 5 auch an der Leitung 42 zwischen dem Ladeluftkühler 22 der Brennkraftmaschine 10 vorgesehen sein, bei ansonsten gleichem Aufbau. Die Varianten gemäß Fig. 2, 3 und 4 können auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 verwirklicht sein. Zusätzlich zu den vorliegend genannten Ein- richtungen kann der Turbolader 18 noch mit einem elektrischen Antrieb 44 versehen sein, wie er in Fig. 6 gezeigt ist.

Die Fig. 6 zeigt auch eine Steuereinrichtung 46 für das Regelventil 30, die Brennkraftmaschine 10 sowie den elektrischen Antrieb 44 sowie einen Energiespeicher 48, dem die durch die Expansionsmaschine 34 erzeugte elektrische Energie zugeführt wird. Statt eines Energiespeichers 48 kann auch das Bordnetz die elektrische Energie aufnehmen. Bei allen Ausführungsformen, bei denen die Luft zurückgeführt wird, kann im Bereich des Einlasses 37 auch eine Düse vorgesehen sein (Venturi oder La- val).

Es ist Aufgabe der Steuereinrichtung 46, das Regelventil 30 passend zur Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 so zu öffnen, dass die Pumpgrenze des Verdichters 16 nicht erreicht wird. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine 10 kleiner ausgelegt werden, als in Ausführungsformen, bei denen es das Regelventil 30 nicht gibt, bei denen der Luftmassenstrom mi_2 also nicht einstellbar ist. Somit kann Kraftstoff beim Betrieb der Brennkraftmaschine 10 eingespart werden.