DE102007028522A1

DE102007028522A1 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007028522A1
Application number: DE102007028522A
Authority: DE
Inventors: Leonhard Bartsch; Rob Stalman; Vanco Dr. Smiljanovski; Andy Wellesbourne Lilley
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2008-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit mindestens zwei Abgasleitungen (4', 4'') zum Abführen eines Abgasmassenstroms und zwei parallel geschalteten Abgasturboladern (6, 7), bei der die erste Turbine (6a) des ersten Abgasturboladers (6) in einer ersten Abgasleitung (4') und die zweite Turbine (7a) des zweiten Abgasturboladers (7) in einer zweiten Abgasleitung (4''), die mit der ersten Abgasleitung (4') verbindbar oder verbunden ist, angeordnet ist und Mittel (12) vorgesehen sind, mit denen die Größe des der zweiten Turbine (7a) zugeführten Abgasmassenstromes beeinflußbar ist, so daß diese zweite Turbine (7a) als zuschaltbare Turbine (7a) verwendent wird, wobei
- in einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine (1) der Abgasmassenstrom im wesentlichen der ersten Turbine (6a) zugeführt wird, und
- die Brennkraftmaschine (1) in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird, indem die zweite Turbine (7a) durch Betätigen der Mittel (12) zugeschaltet wird, so daß der Abgasmassenstrom beiden Turbinen (6a, 7a) zugeführt wird.
Es soll ein Verfahren der oben genannten Art aufgezeigt werden, mit welchem dem aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentabfall bei Aktivierung der zuschaltbaren Turbine (7a) entgegengewirkt wird.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren der oben genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Drehzahl der ersten Turbine (6a) vor dem Zuschalten der zweiten Turbine (7a) erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasleitungen zum Abführen eines Abgasmassenstroms und zwei parallel geschalteten Abgasturboladern, bei der die erste Turbine des ersten Abgasturboladers in einer ersten Abgasleitung und die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers in einer zweiten Abgasleitung, die mit der ersten Abgasleitung verbindbar oder verbunden ist, angeordnet ist und Mittel vorgesehen sind, mit denen die Größe des der zweiten Turbine zugeführten Abgasmassenstromes beeinflußbar ist, so daß diese zweite Turbine als zuschaltbare Turbine verwendet wird, wobei

– in einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine der Abgasmassenstrom im wesentlichen der ersten Turbine zugeführt wird, und
– die Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird, indem die zweite Turbine durch Betätigen der Mittel zugeschaltet wird, so daß der Abgasmassenstrom beiden Turbinen zugeführt wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine sowohl Dieselmotoren als auch Ottomotoren.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
In der Regel wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Häufig wird eine Ladeluftkühlung dingesetzt, um die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in den Brennraum bzw. Zylinder zu kühlen.
Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen primär darin, daß keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck p_me gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Breannkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung der Brennkraftmaschine ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflußt werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab. Die Aufladung eignet sich daher ebenfalls zur Reduzierung der Schadstoffemissionen.
Um die zukünftigen Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber darüber hinaus weitere Maßnahmen erforderlich, wie beispielsweise die Rückführung heißer Abgase oder die Nachbehandlung der Abgase mittels Oxidationskatalysator, Partikelfilter, Speicherkatalysator oder dergleichen.
Im folgenden sollen die grundsätzlichen Probleme bei der Auslegung der Abgasturboaufladung aufgezeigt werden, da diese Problematik zumindest indirekt mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht.
Grundsätzlich wird mittels Aufladung eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht, da der Fahrer im Vergleich mit einem nicht aufgeladenen Motor gleicher Maximalleistung auch im unteren Drehzahlbereich ein entsprechend großes Drehmoment erwartet. Das sogenannte Turboloch bei niedrigen Drehzahlen zählt daher auch zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, daß das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, daß zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Grundsätzlich kann dabei dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden.
In der Praxis wird daher häufig ein möglichst kleiner Abgasturbolader d. h. ein Abgasturbolader mit einem möglichst kleinen Turbinenquerschnitt eingesetzt. Letztendlich wird damit aber dem Drehmomentabfall nur in geringem Maße entgegengewirkt und der Drehmomentabfall zu niedrigeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird daher nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, wobei die Abgasabblasung mittels Ladedruck oder mittels Abgasdruck gesteuert werden kann. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer die Turbine umgehenden Bypaßleitung an der Turbine vorbeigeführt. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, daß das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unbefriedigend ist.
Grundsätzlich ist auch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes zusammen mit einer Ladeluftabblasung möglich, wobei diese Variante aufgrund der energetischen Nachteile der Ladeluftabblasung d. h. der Verschlechterung des effektiven Wirkungsgrades selten zum Einsatz kommt, die vorhandenen Verdichter an ihre Fördergrenze geraten können und somit die gewünschte Leistung nicht mehr dargestellt werden kann.
Bei Dieselmotoren kann eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und die gleichzeitige Begrenzung des Ladedruckes durch Abregelung der Brennstoffmasse bei hohen Drehzahlen zielführend sein. Die Möglichkeiten zur Leistungssteigerung mittels Abgasturboaufladung werden dabei aber nicht voll ausgeschöpft.
Der Abgasturbolader kann aber auch auf hohe Drehzahlen abgestimmt mit einem großen Turbinenquerschnitt ausgelegt werden. Dabei wird das Saugsystem dann in der Weise gestaltet, daß durch Wellenvorgänge bei niedrigen Drehzahlen eine dynamische Aufladung erfolgt. Nachteilig ist dabei der hohe Bauaufwand und das träge Verhalten bei Drehzahländerungen.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine Anpassung der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, so daß eine Regelung der Turbinengeometrie im Hinblick auf niedrige und hohe Drehzahlen bzw. für niedrige und hohe Lasten erfolgen kann.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des weiteren durch eine Registeraufladung verbessert werden. Dabei werden mehrere parallel geschaltete Turbolader mit entsprechend kleinen Turbinenquerschnitten mit steigender Last zugeschaltet.
Bei der Verbesserung der Drehmomentcharakteristik können bereits zwei parallel geschaltete Turbolader zielführend sein. Die Zylinder der Brennkraftmaschine werden dabei in zwei Zylindergruppen aufgeteilt, die jeweils über eine separate Abgasleitung verfügen, wobei jeder der beiden Abgasleitungen bzw. jeder Zylindergruppe ein Abgasturbolader zugeordnet wird. Die Turbine des ersten Abgasturboladers wird dabei in der Abgasleitung der ersten Zylindergruppe angeordnet, während die Turbine des zweiten Abgasturboladers in der Abgasleitung der zweiten Zylindergruppe angeordnet wird.
Die beiden Abgasleitungen sind miteinander verbunden bzw. miteinander verbindbar, wobei eine der beiden Turbinen als zuschaltbare Turbine fungiert, während die andere Turbine permanent mit Abgas beaufschlagt wird. Hierzu sind Mittel vorgesehen, mit denen die Größe des der zuschaltbaren Turbine zugeführten Abgasmassenstromes beeinflußt werden kann, insbesondere der Abgaszustrom zu der zuschaltbaren Turbine unterbunden werden kann, d. h. Mittel, um die zuschaltbare Turbine zu aktivieren bzw. zu deaktivieren.
Auf diese Weise kann der gesamte Abgasmassenstrom d. h. das Abgas sämtlicher Zylinder in einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine – wenn die zuschaltbare Turbine deaktiviert ist – vollständig der ersten, permanent betriebenen Turbine zugeführt werden, während mit steigendem Abgasmassenstrom die Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird, indem die zweite Turbine durch Betätigen der Mittel zugeschaltet d. h. aktiviert wird, so daß der Abgasmassenstrom beiden Turbinen zugeführt wird d. h. beide Turbinen durchströmt.
Die beiden parallel geschalteten Turbinen können dabei von gleicher Größe, aber auch von unterschiedlicher Größe sein. Bei der letztgenannten Auslegung der Abgasturbolader kann die zuschaltbare Turbine die kleinere oder aber auch die größere Turbine sein. Die beiden Turbinen können von gleicher oder aber von unterschiedlicher Bauweise sein.
In jedem Fall gestatten die parallel angeordneten Abgasturbolader bzw. Turbinen es, die Abgasturbolader kleiner zu dimensionieren und die Turbinen auf kleinere Abgasströme auszulegen.
Die Verdichter der Abgasturbolader können dabei parallel in zwei separaten Ansaugleitungen oder aber in Reihe in einer gemeinsamen Ansaugleitung angeordnet werden.
Zwei parallel geschaltete Abgasturbolader bieten neben einem geringen Bauraumbedarf weitere Vorteile. Das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine ist gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit nur einem Abgasturbolader verbessert. Der Grund hierfür ist darin zu finden, daß die beiden kleineren Abgasturbolader weniger träge sind als ein großer Abgasturbolader bzw. das Laufzeug sich schneller beschleunigen und verzögern läßt.
Nichtsdestotrotz ist das Aufladeverhalten bzw. der Drehmomentverlauf einer Brennkraftmaschine auch bei Verwendung von zwei parallel geschalteten Abgasturboladern noch verbesserungsfähig bzw. verbesserungsbedürftig. Denn nach dem Stand der Technik wird beim Zuschalten d. h. Aktivieren der zuschaltbaren Turbine ein Drehmomentabfall beobachtet. Bei Aktivierung der zuschaltbaren Turbine – die im folgenden auch als zweite Turbine bezeichnet wird – muß ein Teil der Abgasenergie dazu verwendet werden, das Laufzeug der zugeschalteten Turbine zu beschleunigen d. h. die Drehzahl dieser Turbine zu erhöhen bzw. auf Betriebsdrehzahl zu bringen. Die hierfür aufgewendete Abgasenergie steht somit nicht mehr an der ersten, permanent betriebenen Turbine zur Generierung des Ladedrucks zur Verfügung, weshalb neben der Drehzahl dieser ersten Turbine der Ladedruck am Verdichter dieser Turbine abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art aufzuzeigen, mit dem das Aufladeverhalten bzw. der Drehmomentverlauf einer aufgeladenen Brennkraftmaschine verbessert wird, welche mit zwei parallel geschalteten Turbinen ausgestattet ist, von denen eine Turbine als zuschaltbare Turbine verwendet wird, wobei insbesondere dem aus dem Stand der Technik bekannten nachteiligen Drehmomentabfall bei Zuschalten d. h. Aktivieren der zuschaltbaren Turbine entgegengewirkt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasleitungen zum Abführen eines Abgasmassenstroms und zwei parallel geschalteten Abgasturboladern, bei der die erste Turbine des ersten Abgasturboladers in einer ersten Abgasleitung und die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers in einer zweiten Abgasleitung, die mit der ersten Abgasleitung verbindbar oder verbunden ist, angeordnet ist und Mittel vorgesehen sind, mit denen die Größe des der zweiten Turbine zugeführten Abgasmassenstromes beeinflußbar ist, so daß diese zweite Turbine als zuschaltbare Turbine verwendet wird, wobei

– in einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine der Abgasmassenstrom im wesentlichen der ersten Turbine zugeführt wird, und
– die Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird, indem die zweite Turbine durch Betätigen der Mittel zugeschaltet wird, so daß der Abgasmassenstrom beiden Turbinen zugeführt wird,

und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Drehzahl der ersten Turbine vor dem Zuschalten der zweiten Turbine erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt dem Drehmomentabfall, der nach dem Stand der Technik beim Aktivieren der zuschaltbaren Turbine beobachtet wird, dadurch entgegen, daß die Drehzahl der ersten, permanent durchströmten Turbine – vor dem Zuschalten der zweiten Turbine – gezielt erhöht wird.
Die Anhebung der Turbinendrehzahl bedingt, daß die im umlaufenden Turbinenrad gespeicherte kinetische Energie zunimmt, wobei erfindungsgemäß ein Teil dieser kinetischen Energie beim Zuschalten der zweiten Turbine dazu verwendet wird, den Verlust an bereitstehender Abgasenergie zu kompensieren, der dadurch verursacht wird, daß ein Teil der Abgasenergie – bei Überführen der Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus – benötigt wird, um das Laufzeug der zugeschalteten Turbine zu beschleunigen und anzutreiben.
Zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks am Verdichter des ersten Abgasturboladers während eines Wechsels des Betriebsmodus der Brennkraftmaschine wird somit neben der Abgasenergie auch ein Teil der kinetischen Energie der ersten Turbine genutzt.
Es sind Mittel vorgesehen, die eine Steuerung des Abgasmassenstromes durch die zuschaltbare Turbine ermöglichen. Damit wird eine der beiden Turbinen kontinuierlich von Abgasen durchströmt, wohingegen auf den Abgasstrom der anderen zuschaltbaren Turbine Einfluß genommen wird.
Bei niedrigen Lasten bzw. kleinen Abgasmassenströmen wird der Abgasmassenstrom durch die zuschaltbare Turbine reduziert bzw. vollständig unterbunden, so daß der überwiegende Anteil des Abgases bzw. das gesamte Abgas durch die erste Turbine geleitet wird. Die erste kontinuierlich betriebene Turbine stellt dabei die Leistung zum Aufbau des gewünschten Ladedrucks zur Verfügung. Dies ermöglicht im Teillastbereich, insbesondere im unteren und mittleren Teillastbereich, die Bereitstellung eines für die Aufladung der Brennkraftmaschine genügend hohen Ladedrucks.
Steigt die Last bzw. die Abgasmenge wird die zuschaltbare Turbine bei Erreichen einer vorgebbaren Last bzw. eines vorgebbaren Abgasmassenstromes zugeschaltet, so daß auch im oberen Teillastbereich und nahe der Volllast hohe Ladedrücke realisiert werden. Für das Umschalten kann beispielsweise eine Last von 70, 80 bzw. 90% der Volllast vorgegeben werden.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren aufzuzeigen, mit welchem dem aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentabfall bei Aktivierung der zuschaltbaren Turbine entgegengewirkt wird.
Die Verwendung des relativen Begriffs "im wesentlichen" in Zusammenhang mit dem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine trägt dem Umstand Rechnung, daß gegebenenfalls der Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine nicht vollständig unterbunden werden kann bzw. unterbunden wird; beispielsweise, weil aufgrund der verwendeten Mittel zur Beeinflussung des der zweiten Turbine zugeführten Abgasmassenstromes ein geringer Abgasmassenstrom durch diese zweite Turbine nicht ganz verhindert werden kann.
So kann bei Verwendung einer Drosselklappe als Mittel zur Beeinflussung des der zweiten Turbine zugeführten Abgasmassenstromes ein Leckagestrom über die Drosselklappe hinweg prinzipbedingt nicht vollständig unterbunden werden, weshalb auch im ersten Betriebsmodus, wenn die zuschaltbare Turbine eigentlich deaktiviert ist, eine geringe Abgasmenge der zweiten Turbine zugeführt wird.
Jedoch sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen im ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine mehr als 90% der Abgase, insbesondere mehr als 95% der Abgase, der ersten Turbine zugeführt werden. Idealerweise werden im ersten Betriebsmodus sämtliche Abgase der Brennkraftmaschine der ersten Turbine zugeführt d. h. die Zufuhr von Abgasen zur zweiten Turbine vollständig unterbunden, was durch die Verwendung eines Ventils als Mittel erzielt werden kann.
Weitere vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als erste Turbine eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie verwendet wird. Dabei wird die Drehzahl dieser ersten Turbine vorzugsweise durch Verstellen der Turbinengeometrie in Richtung Querschnittsverkleinerung erhöht.
Eine variable Turbinengeometrie ermöglicht durch Verstellen der Laufradschaufeln eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den momentanen Abgasmassenstrom. Dadurch wird grundsätzlich die Qualität und Flexibilität der Aufladung erhöht.
Das Verstellen der Turbinengeometrie in Richtung Querschnittsverkleinerung bzw. Schließstellung führt zu einem kleineren Strömungsquerschnitt und folglich – bei unverändertem Abgasmassenstrom – zu einem höheren Turbinendruckverhältnis und damit zu einer höheren Turbinendrehzahl.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Querschnittsverkleinerung der ersten Turbine durch Verstellen der Turbinengeometrie rückgängig gemacht wird, nachdem die zweite zuschaltbare Turbine eine vorgebbare Drehzahl erreicht hat.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Querschnittsverkleinerung der ersten Turbine durch Verstellen der Turbinengeometrie nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne Δt rückgängig gemacht wird.
Die Drehzahlerhöhung d. h. vorliegend die Querschnittsverkleinerung sollte vorteilhafterweise wieder rückgängig gemacht werden, nachdem die Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebsmodus überführt wurde, damit die erste Turbine wieder ihre Solldrehzahl annehmen kann und nicht weiter mit überhöhter Drehzahl betrieben wird. Zu beachten ist dabei, daß die Drehzahl lediglich zu dem Zweck erhöht wurde, den üblicherweise beim Zuschalten der zweiten Turbine auftretenden Drehmomentabfall zu kompensieren.
Hierzu kann eine Mindestdrehzahl für die zweite zuschaltbare Turbine vorgegeben werden, bei deren Erreichen der Querschnitt der ersten Turbine wieder vergrößert wird. Die Drehzahl könnte dabei beispielsweise mittels Sensor meßtechnisch erfaßt werden, wobei derartige Sensoren sehr kostenintensiv sind. Andererseits kann auch eine Zeitspanne Δt vorgegeben werden, nach deren Verstreichen die Querschnittverkleinerung der ersten Turbine wieder rückgängig gemacht wird, ohne daß die zu dieser Zeit erreichte momentane Drehzahl der zweiten Turbine berücksichtigt wird.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als erste Turbine eine Waste-Gate-Turbine verwendet wird, die eine die Turbine umgehende Bypaßleitung zum Abblasen von Abgas aufweist. Dabei wird die Drehzahl dieser ersten Turbine vorzugsweise durch Verringerung der abgeblasenen Abgasmenge erhöht.
Sogenannte Waste-Gate-Turbinen verfügen zum Zwecke einer Abgasabblasung über eine die Turbine überbrückende Bypaßleitung. Die Turbine an sich kann sowohl über eine feste, unveränderbare Geometrie als auch über eine variable Turbinengeometrie (VTG) verfügen. Mit zunehmendem Abgasstrom wird ein größerer Anteil des Abgases über die Bypaßleitung an der Turbine vorbei geführt. Zur Steuerung der Abgasabblasung ist ein Absperrelement in der Bypaßleitung vorgesehen. Eine Waste-Gate-Turbine mit fester Turbinengeometrie ist kostengünstiger. Die Steuerung ist einfacher und kostengünstiger als bei einer variablen Turbinengeometrie.
Eine Verringerung der abgeblasenen Abgasmenge führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der nutzbaren Abgasmenge, welche durch die erste Turbine hindurchgeführt wird. Eine höhere nutzbare Abgasmenge an der ersten Turbine bedingt – einen gleichgroßen Turbinenquerschnitt vorausgesetzt – ein höheres Turbinendruckverhältnis und hat damit eine erhöhte Turbinendrehzahl zur Folge.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Verringerung der abgeblasenen Abgasmenge rückgängig gemacht wird, nachdem die zweite zuschaltbare Turbine eine vorgebbare Drehzahl erreicht hat.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Verringerung der abgeblasenen Abgasmenge nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne Δt rückgängig gemacht wird.
Bezüglich der beiden zuletzt genannten Verfahrensvarianten wird auf die bereits weiter oben gemachten Ausführungsformen – betreffend die vorgebbare Drehzahl bzw. die vorgebbare Zeitspanne Δt – Bezug genommen.
Zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der eine Leitung zur Abgasrückführung vorgesehen ist, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Drehzahl der ersten Turbine durch Verringerung der rückgeführten Abgasmenge erhöht wird.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind neben der Aufladung – wie bereits oben erwähnt – weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuß, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse bzw. – verfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen aus der Abgasleitung in die Ansaugleitung zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate X_AGR bestimmt sich dabei wie folgt: XAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft)wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte – gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte – Frischluft bzw. Verbrennungsluft bezeichnet.
Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Analog zur der oben beschriebenen Verfahrensvariante, bei der eine Drehzahländerung durch Variation der abgeblasenen Abgasmenge erzielt wird, führt vorliegend – bei der in Rede stehende Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens – die Verringerung der rückgeführten Abgasmenge zu einer Erhöhung der nutzbaren Abgasmenge, welche durch die erste Turbine hindurchgeführt wird. Die zusätzliche Abgasmenge, welche durch eine Verminderung der rückgeführten Abgasmenge nunmehr an der ersten Turbine zur Verfügung steht, bedingt – einen gleichgroßen Turbinenquerschnitt vorausgesetzt – ein höheres Turbinendruckverhältnis und damit eine erhöhte Turbinendrehzahl.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Verringerung der rückgeführten Abgasmenge rückgängig gemacht wird, nachdem die zweite zuschaltbare Turbine eine vorgebbare Drehzahl erreicht hat.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Verringerung der rückgeführten Abgasmenge nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne Δt rückgängig gemacht wird.
Bezüglich der beiden zuletzt genannten Verfahrensvarianten wird auf die bereits weiter oben gemachten Ausführungsformen – betreffend die vorgebbare Drehzahl bzw. die vorgebbare Zeitspanne Δt – Bezug genommen.
Die aufgezeigten Maßnahmen zur Erhöhung der Drehzahl der ersten Turbine können auch miteinander kombiniert werden.
Vorteilhaft sind Varianten des Verfahrens, bei denen als Mittel zur Beeinflussung des Abgasmassenstroms durch die zweite Turbine ein Absperrelement verwendet wird, das stromaufwärts dieser zweiten zuschaltbaren Turbine angeordnet wird.
Das Absperrelement beeinflußt den Abgasstrom durch die zuschaltbare zweite Turbine und damit indirekt auch den Abgasmassenstrom durch die erste Turbine. Ein Verstellen des Absperrelementes in Richtung Schließstellung reduziert den Abgasmassenstrom durch die zuschaltbare Turbine und erhöht gleichzeitig den Abgasmassenstrom durch die andere Turbine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement zweistufig schaltbar ist, vorzugsweise in der Art, daß es entweder vollständig geschlossen oder völlig geöffnet ist. Erfindungsgemäß ist es weniger von Interesse, den Abgasstrom in seiner Größe stufenlos regulieren zu können, als vielmehr die zweite Turbine zu- bzw. abzuschalten, wozu ein zweistufig schaltbares Absperrelement ausreicht.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Absperrelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Absperrelement ein Ventil verwendet wird. Ein Ventil gestattet das vollständige Verschließen der Abgasleitung und damit das hermetische Abschalten der zuschaltbaren Turbine im ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine. Wie bereits erwähnt, wird gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens der Abgasstrom durch die zweite Turbine im ersten Betriebsmodus idealerweise vollständig unterbunden.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Absperrelement eine Drosselklappe verwendet wird. Eine Drosselklappe leidet zwar prinzipbedingt an einem mehr oder weniger großen Leckagestrom, ist aber vergleichsweise kostengünstig und einfach zu betätigen bzw. zu steuern.
Vorteilhaft sind Varianten des Verfahrens, bei denen als zweite Turbine eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie verwendet wird und die zweite Turbine selbst als Mittel zur Beeinflussung des Abgasmassenstroms durch diese zweite Turbine verwendet wird, wobei durch Verstellen der Turbinengeometrie in Richtung Querschnittsverkleinerung der durch diese Turbine geführte Abgasmassenstrom verringert wird.
Zusätzliche Bauteile, insbesondere ein separates Absperrelement, werden damit entbehrlich, wenn die ohnehin bereits vorhandene Turbine des zweiten Abgasturboladers zur Beeinflussung des Abgasmassenstroms und des Abgasgegendrucks genutzt wird. Mit dem separaten Absperrelement entfallen auch eine separate Steuerung dieses Elementes und die dazu erforderliche Steuereinheit.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die erste Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist. Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie muß nahezu kein Kompromiß bei der Auslegung der Turbine eingegangen werden, um in sämtlichen Drehzahlbereichen eine mehr oder weniger zufriedenstellende Aufladung zu realisieren. Insbesondere kann auf die energetisch nachteilige Ladeluftabblasung, aber auch auf eine Abgasabblasung, wie sie bei Waste-Gate-Turbinen vorgenommen wird, verzichtet werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite zuschaltbare Turbine. Auf diese Weise kann im unteren und mittleren Teillastbereich – d. h. in einem sehr weiten Lastbereich der Brennkraftmaschine – ein ausreichend hoher Ladedruck unter alleinigem Einsatz des ersten Abgasturboladers generiert werden. Die zweite und kleiner ausgelegte Turbine wird dann lediglich bei höheren Lasten, insbesondere im oberen Teillastbereich und nahe der Volllast, zugeschaltet.
Vorteile bietet dies auch deshalb, weil Brennkraftmaschinen überwiegend im unteren und mittleren Teillastbereich betrieben werden, so zum Beispiel im Stadtverkehr oder während des Testzyklus zur Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Schadstoffemissionen. Ein Überführen der Brennkraftmaschine vom ersten in den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt wird auf diese Weise weniger häufig erforderlich.
Die vergleichsweise kleine Dimensionierung der zuschaltbaren Turbine hat weitere Vorteile. Kleiner dimensionierte Turbinen sind aufgrund ihrer geringeren Masse weniger träge und lassen sich mit weniger Aufwand an Energie beschleunigen. Ein Aspekt, der gerade in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als vorteilhaft anzusehen ist. Je kleiner die zweite Turbine ausgelegt ist, desto geringer fällt der zu kompensierende Drehmomentabfall beim Überführen der Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebsmodus aus.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine Ausführungsform einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, und
2 schematisch in einem Diagramm die Drehzahlen n_Turbine der beiden Turbinen über der Zeit t beim Überführen der Brennkraftmaschine vom ersten in den zweiten Betriebsmodus sowie die hierzu vorgenommen Verstellungen der ersten Turbine bzw. der Mittel gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt einen Sechs-Zylinder-V-Motor als Beispiel für eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1. Die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 sind in zwei Zylindergruppen 3', 3'' aufgeteilt, die jeweils über separate Abgasleitungen 4', 4'' verfügen, welche miteinander in Verbindung 4 stehen und zum Abführen der heißen Abgase der Brennkraftmaschine 1 genutzt werden.
Es sind zwei parallel geschaltete Abgasturbolader 6, 7 vorgesehen, wobei die erste Turbine 6a des ersten Abgasturboladers 6 in der ersten Abgasleitung 4' der ersten Zylindergruppe 3' und die zweite Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 in der zweiten Abgasleitung 4'' der zweiten Zylindergruppe 3'' angeordnet ist.
Die diesen Turbinen 6a, 7a zugeordneten Verdichter 6b, 7b sind ebenfalls in separaten Ansaugleitungen 2', 2'' angeordnet, die stromabwärts der Verdichter 6b, 7b zu einer Gesamtansaugleitung 2 zusammenlaufen und zur Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Frischluft bzw. Frischgemisch dienen. Stromabwärts des zweiten Verdichters 7b ist ein Absperrelement 13 vorgesehen, um im ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 – bei deaktivierter zweiter Turbine 7a – eine Förderung von Frischluft bzw. Frischgemisch vom ersten Verdichter 6b in den zweiten Verdichter 7b zu verhindern.
Optional kann eine Rezirkulationsleitung 16 vorgesehen werden, in der ein weiteres Absperrelement 15 angeordnet ist (gestrichelte Linie). Diese Rezirkulationsleitung 16 wird beim Hochfahren des zweiten Verdichters 7b geöffnet, wenn der zweite Verdichter 7b anfängt zu fördern, aber noch keinen ausreichend großen Massenstrom fördert, wobei die Rezirkulationsleitung 16 als Bypaßleitung dient. Dabei fördert der zweite Verdichter 7b – bei Umgehung des Absperrelementes 13 – in den ersten Verdichter 6b hinein. Überschreitet der vom zweiten Verdichter 7b geförderte Massenstrom hingegen einen vorgebbaren Luftmassenstrom, wird das Absperrelement 15 geschlossen und das Absperrelement 13 geöffnet. Der zweite Verdichter 7b ist dann direkt an der Verdichtung und Förderung der Ladeluft beteiligt.
Stromabwärts der Verdichter 6b, 7b ist ein Ladeluftkühler 5 in der Gesamtansaugleitung 2 angeordnet. Der Ladeluftkühler 5 senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, wodurch der Kühler 5 zu einer besseren Füllung der Zylinder 3 mit Luft beiträgt.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verfügt die Turbine 6a des ersten Abgasturboladers 6 über eine variable Turbinengeometrie (VTG – kenntlich gemacht durch den Pfeil), die durch Verstellen der Laufradschaufeln eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den momentanen Abgasmassenstrom ermöglicht. Dadurch wird insbesondere die Qualität und Flexibilität der Aufladung erhöht.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird diese variable Geometrie aber auch dazu verwendet, die Drehzahl der ersten Turbine 6a vor dem Zuschalten der zweiten Turbine 7a zu erhöhen, indem die Turbinengeometrie in Richtung Querschnittsverkleinerung verändert wird. Die Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 ist mit einer festen d. h. unveränderlichen Turbinengeometrie ausgeführt, was Kostenvorteile hat.
Die Verdichter 6b, 7b weisen eine feste Geometrie auf, können aber alternativ mit einer variablen Geometrie (VVG) ausgeführt sein. Eine variable Geometrie ist vorteilhaft, wenn die entsprechende Turbine 6a, 7a über eine variable Turbinengeometrie (VTG) verfügt und die Verdichtergeometrie auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abgestimmt wird.
Insbesondere bei einem kleinen Abgasmassenstrom durch die erste Turbine 6a und dem damit verbundenen kleinen Verdichtermassenstrom erweist sich eine variable Verdichtergeometrie (VVG) als vorteilhaft, da durch Verstellen der Schaufeln die Pumpgrenze des Verdichters 6b im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters 6b jenseits der Pumpgrenze vermieden wird.
Grundsätzlich können die Verdichter 6b, 7b auch mit einer Leitung zur Ladeluftabblasung ausgestattet sein (nicht dargestellt), die stromabwärts des jeweiligen Verdichters 6b, 7b aus der diesem Verdichter 6b, 7b zugeordneten Ansaugleitung 2', 2'' abzweigen würde. In dieser Abblaseleitung wäre zur Steuerung der abgeblasenen Frischluftmenge ein Absperrelement anzuordnen, mit dem auch der Ladedruck eingestellt werden könnte.
Hilfreich ist eine derartige, den Verdichter 7b des zuschaltbaren Abgasturboladers 7 überbrückende Bypaßleitung insbesondere beim Hochfahren des zuschaltbaren Abgasturboladers 7, um ein Pumpen des Verdichters 7b zu vermeiden.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 ist mit einer Abgasrückführung 8 ausgestattet. Hierzu ist eine Leitung 9 zur Abgasrückführung 8 vorgesehen, die stromaufwärts der ersten Turbine 6a aus der dieser ersten Turbine 6a zugeordneten ersten Abgasleitung 4' abzweigt und in die Gesamtansaugleitung 2 mündet. Dabei mündet die Leitung 9 zur Abgasrückführung 8 stromabwärts des Ladeluftkühlers 5 in die Gesamtansaugleitung 2. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler 5 geführt und kann diesen Kühler 5 nicht verschmutzen.
In der Leitung 9 ist ein zusätzlicher Kühler 10 vorgesehen, der die Temperatur des heißen Abgasstromes senkt. Ebenfalls in dieser Leitung 9 ist zur Steuerung der Abgasrückführrate ein Absperrelement 11 angeordnet.
Erfindungsgemäß wird die zweite Turbine 7a als zuschaltbare Turbine 7a ausgeführt, wobei Mittel 12 vorgesehen werden, mit denen die Größe des Abgasmassenstromes, der dieser zuschaltbaren Turbine 7a zugeführt wird, beeinflußbar ist, insbesondere vollständig unterbunden werden kann.
Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 dient ein Absperrelement 14 als Mittel zur Steuerung des Abgasmassenstromes durch die zweite Turbine 7a. Mit dem Absperrelement 14 wird der Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasleitung 4'' im Rahmen einer zweistufigen Schaltung geöffnet bzw. verschlossen.
Alternativ könnte die zweite Turbine 7a mit einer variablen Geometrie ausgestattet werden und selbst als Mittel 12 zur Steuerung des Abgasmassenstromes dienen. Durch Verstellen der. Turbine 7a in der Art, daß der Turbinenquerschnitt verkleinert wird, würde der durch die Turbine 7a geführte Abgasmassenstrom reduziert.
Infolge der Verminderung des durch die zuschaltbare Turbine 7a geleiteten Abgasmassenstromes nimmt die von dieser Turbine 7a zur Verfügung gestellte Leistung ab. Wird der Abgasmassenstrom durch die zuschaltbare Turbine 7a deutlich reduziert bzw. vollständig unterbunden, besteht die Gefahr, daß der erste Verdichter 6b in den zweiten Verdichter 7b hineinfördert und es zu Rückströmungen in der zweiten Ansaugleitung 2'' kommt, was sich nachteilig auf den Ladedruck auswirkt. Um dies zu verhindern, ist stromabwärts des der zuschaltbaren Turbine 7a zugeordneten Verdichters 7b ein Absperrelement 13 in der diesem Verdichter 7b zugeordneten Ansaugleitung 2" angeordnet, mit dem der Verdichter 7b vom übrigen Ansaugsystem getrennt werden kann.
2 zeigt schematisch in der unteren Hälfte des Diagramms die Drehzahlen n_{Turbine_1}, n_{Turbine_2} der beiden Turbinen 6a, 7a über der Zeit t beim Überführen der Brennkraftmaschine 1 vom ersten in den zweiten Betriebsmodus.
In der oberen Diagrammhälfte von 2 ist zum einen die Verstellung der variablen Turbinengeometrie (VTG₁) der ersten Turbine 6a (Linie x – linke Ordinate) und zum anderen die Schließ- bzw. Offenstellung des Absperrelementes 14 (Linie y – rechte Ordinate) aufgetragen, das als Mittel 12 zur Beeinflussung der Größe des der zweiten Turbine 7a zugeführten Abgasmassenstromes verwendet wird.
Im ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine wird der Abgasmassenstrom ausschließlich durch die erste Turbine geführt. Das Absperrelement ist geschlossen (obere Diagrammhälfte – Linie y – rechte Ordinate – zu).
Zum Überführen der Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebsmodus wird die Drehzahl n_{Turbine_1} der ersten Turbine vor dem Zuschalten der zweiten Turbine durch Verstellen der Turbinengeometrie in Richtung Querschnittsverkleinerung erhöht (obere Diagrammhälfte – Linie x – linke Ordinate). Je größer der Wert auf der Ordinate (VTG₁) desto kleiner ist der Querschnitt der ersten Turbine. Folglich nimmt die Drehzahl n_{Turbine_1} der ersten Turbine zu (untere Diagrammhälfte – Linie z – linke Ordinate).
Anschließend wird die zweite Turbine durch Öffnen des Absperrelementes zugeschaltet (obere Diagrammhälfte – Linie y – rechte Ordinate – auf), so daß der Abgasmassenstrom nunmehr beiden Turbinen zugeführt wird.
Ein Teil der kinetischen Energie der ersten Turbine wird nach dem Zuschalten der zweiten Turbine dazu verwendet, das Laufrad der zweiten Turbine zu beschleunigen d. h. die Drehzahl n_{Turbine_2} der zweiten Turbine zu erhöhen. Gleichzeitig verringert sich die Drehzahl n_{Turbine_1} der ersten Turbine infolge der Energieabgabe (untere Diagrammhälfte).
Nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne Δt wird die Querschnittsverkleinerung der ersten Turbine durch Verstellen der Turbinengeometrie (VTG₁) rückgängig gemacht (obere Diagrammhälfte).

1: aufgeladene Brennkraftmaschine
2: Gesamtansaugleitung
2': erste Ansaugleitung
2'': zweite Ansaugleitung
3: Zylinder
3': erste Zylindergruppe
3'': zweite Zylindergruppe
4: Verbindungsleitung
4': erste Abgasleitung
4'': zweite Abgasleitung
5: Ladeluftkühler
6: erster Abgasturbolader
6a: erste Turbine
6b: erster Verdichter
7: zweiter Abgasturbolader
7a: zweite Turbine, zuschaltbare Turbine
7b: zweiter Verdichter
8: Abgasrückführung
9: erste Leitung
10: Kühler
11: Absperrelement
12: Mittel zur Aufteilung des Gesamtabgasmassenstroms auf die beiden Turbinen
13: Absperrelement
14: Absperrelement
15: Absperrelement
16: Rezirkulationsleitung
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft
n_{Turbine_1}: Drehzahl der ersten Turbine
n_{Turbine_2}: Drehzahl der zweiten Turbine
Δt: vorgebbare Zeitspanne
VTG: variable Turbinengeometrie
VVG: variable Verdichtergeometrie
X_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit mindestens zwei Abgasleitungen (4', 4'') zum Abführen eines Abgasmassenstroms und zwei parallel geschalteten Abgasturboladern (6, 7), bei der die erste Turbine (6a) des ersten Abgasturboladers (6) in einer ersten Abgasleitung (4') und die zweite Turbine (7a) des zweiten Abgasturboladers (7) in einer zweiten Abgasleitung (4''), die mit der ersten Abgasleitung (4') verbindbar oder verbunden ist, angeordnet ist und Mittel (12) vorgesehen sind, mit denen die Größe des der zweiten Turbine (7a) zugeführten Abgasmassenstromes beeinflußbar ist, so daß diese zweite Turbine (7a) als zuschaltbare Turbine (7a) verwendet wird, wobei – in einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine (1) der Abgasmassenstrom im wesentlichen der ersten Turbine (6a) zugeführt wird, und – die Brennkraftmaschine (1) in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird, indem die zweite Turbine (7a) durch Betätigen der Mittel (12) zugeschaltet wird, so daß der Abgasmassenstrom beiden Turbinen (6a, 7a) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß – die Drehzahl der ersten Turbine (6a) vor dem Zuschalten der zweiten Turbine (7a) erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Turbine (6a) eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie verwendet wird, wobei die Drehzahl dieser ersten Turbine (6a) durch Verstellen der Turbinengeometrie in Richtung Querschnittsverkleinerung erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverkleinerung der ersten Turbine (6a) durch Verstellen der Turbinengeometrie rückgängig gemacht wird, nachdem die zweite zuschaltbare Turbine (7a) eine vorgebbare Drehzahl erreicht hat.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverkleinerung der ersten Turbine (6a) durch Verstellen der Turbinengeometrie nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne Δt rückgängig gemacht wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Turbine (6a) eine Waste-Gate-Turbine verwendet wird, die eine die Turbine (6a) umgehende Bypaßleitung zum Abblasen von Abgas aufweist, wobei die Drehzahl dieser ersten Turbine (6a) durch Verringerung der abgeblasenen Abgasmenge erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der abgeblasenen Abgasmenge rückgängig gemacht wird, nachdem die zweite zuschaltbare Turbine (7a) eine vorgebbare Drehzahl erreicht hat.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der abgeblasenen Abgasmenge nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne Δt rückgängig gemacht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), bei der eine Leitung (9) zur Abgasrückführung (8) vorgesehen ist, die stromaufwärts der ersten Turbine (6a) aus der dieser Turbine (6a) zugeordneten ersten Abgasleitung (4') abzweigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl dieser ersten Turbine (6a) durch Verringerung der rückgeführten Abgasmenge erhöht wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der rückgeführten Abgasmenge rückgängig gemacht wird, nachdem die zweite zuschaltbare Turbine (7a) eine vorgebbare Drehzahl erreicht hat.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der rückgeführten Abgasmenge nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne Δt rückgängig gemacht wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (12) zur Beeinflussung des Abgasmassenstroms durch die zweite Turbine (7a) ein Absperrelement (14) verwendet wird, das stromaufwärts dieser zweiten zuschaltbaren Turbine (7a) angeordnet wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Absperrelement (14) ein Ventil verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Absperrelement (14) eine Drosselklappe verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Turbine (7a) eine Turbine (7a) mit variabler Turbinengeometrie verwendet wird und die zweite Turbine (7a) selbst als Mittel (12) zur Beeinflussung des Abgasmassenstroms durch diese zweite Turbine (7a) verwendet wird, wobei durch Verstellen der Turbinengeometrie in Richtung Querschnittsverkleinerung der durch diese Turbine (7a) geführte Abgasmassenstrom verringert wird.