AT515544B1 - Verfahren zum betreiben einer einen abgasstrang aufweisenden brennkraftmaschine - Google Patents

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AT515544B1 ATA50382/2014A AT503822014A AT515544B1 AT 515544 B1 AT515544 B1 AT 515544B1 AT 503822014 A AT503822014 A AT 503822014A AT 515544 B1 AT515544 B1 AT 515544B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Auslasssystem (4) aufweisenden Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Gasmotors, wobei ein erster Abgasteilstrom (7) durch eine erste Abgasturbine (8) eines ersten Abgasturboladers (9) und ein zweiter Abgasteilstrom (7) durch eine zweite Abgasturbine (12) geleitet wird und die erste und zweite Abgasturbine (8, 12) parallel vom Abgas durchströmt werden, wobei der zweite Abgasteilstrom (7) gesteuert wird. Um die gesamte Leistung einer Brennkraftmaschine auf möglichst einfache und effiziente Weise regeln, ist vorgesehen, dass in zumindest einem Motorbetriebbereich der zweite Abgasteilstrom (7) durch die zweite Abgasturbine (12) geregelt wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Auslasssystem aufwei¬senden Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, wobei ein erster Abgasteilstromdurch eine erste Abgasturbine eines ersten Abgasturboladers (9) und ein zweiter Abgasteil¬strom durch eine zweite Abgasturbine geleitet wird und die erste und zweite Abgasturbine paral¬lel vom Abgas durchströmt werden, wobei der zweite Abgasteilstrom gesteuert wird, wobei inzumindest einem Motorbetriebsbereich der zweite Abgasteilstroms durch die zweite Abgastur¬bine geregelt wird.
[0002] Aus der EP 2 087 222 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem ersten Abgasturboladerund einem zweiten Abgasturbolader bekannt, wobei ein erster Abgasteilstrom durch eine ersteAbgasturbine eines ersten Abgasturboladers und ein zweiter Abgasteilstrom durch eine zweiteAbgasturbine eines zweiten Abgasturboladers geleitet wird und die erste und zweite Abgastur¬bine parallel vom Abgas durchströmt werden. Die zweite Abgasturbine ist dabei in einer Abgas¬rückführleitung angeordnet und weist eine variable Turbinengeometrie auf.
[0003] Die Strömung des rückgeführten Abgases wird durch Veränderung der Geometrie derzweiten Abgasturbine geregelt.
[0004] Die EP 2 042 705 A1 beschreibt eine Turbocompound-Brennkraftmaschine mit einemEinlassstrang und einem Auslassstrang, wobei ein erster Turbolader im Einlassstrang angeord¬net ist. Eine erste Turbine ist zum Antrieb des ersten Turboladers in einer Auslassleitung desAuslassstranges angeordnet. Eine zweite Turbine ist in einer zweiten Auslassleitung des Aus¬lassstranges angeordnet, um die Brennkraftmaschine mit mechanischer Energie zu versorgen.Weiters ist ein zweiter Turbolader im Einlassstrang angeordnet um mechanische Energie vonder Brennkraftmaschine oder der zweiten Turbine zu erhalten. In zumindest einem Motorbe¬triebsbereich wird der Abgasstrom durch die zweite Turbine geleitet.
[0005] Die EP 2 639 440 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem ersten und einemzweiten Abgasturbolader, wobei die Turbinen der Abgasturbolader parallel im Auslasssystemangeordnet sind. Die Lader der Abgasturbinen sind entweder hintereinander oder parallel zuei¬nander angeordnet.
[0006] Auch aus der JP 2009-257097 A ist eine Brennkraftmaschine mit zwei parallel im Ab¬gasstrang und im Einlassstrang angeordneten Abgasturboladern bekannt.
[0007] Weiters ist aus der US 6,324,846 A1 eine Brennkraftmaschine mit mehreren Abgastur¬boladern bekannt, wobei zwei Abgasturbinen in Abgasstrang hintereinander angeordnet sind.Die Brennkraftmaschine weist eine Abgasrückführleitung auf, in welchem die Abgasturbineeines weiteren Abgasturboladers angeordnet ist.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, die Verbrennung einer Brennkraftmaschine auf möglichsteinfache Weise zu regeln.
[0009] Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass im Falle einer Lasterhöhung der zweiteAbgasteilstrom zuerst gedrosselt oder unterbrochen wird, bis das erhöhte Lastniveau erreichtwird und danach allmählich wieder erhöht wird, bis die Abtriebsleistung der zweiten Abgasturbi¬ne beim vorliegenden Lastniveau erreicht wird, wobei vorzugsweise der erste Abgasteilstromhinsichtlich des optimalen Wirkungsgrades des ersten Abgasturboladers geregelt wird.
[0010] Die zweite Abgasturbine ist dabei als Nutzturbine ("Power Turbine") ausgebildet, welcheentweder mechanisch mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine verbunden ist oder einePumpe zur Förderung eines Betriebsmediums antreibt oder welche mit einem Generator ver¬bunden ist und zur elektrischen Energieerzeugung dient.
[0011] Vorzugsweise wird in zumindest einem Volllastbetriebsbereich der zweite Abgasteilstromhinsichtlich der angepeilten Zielleistung und der erste Abgasteilstrom hinsichtlich des optimalenWirkungsgrades des ersten Abgasturboladers geregelt, wobei besonders vorzugsweise dasVerhältnis des ersten Abgasteilstroms zum zweiten Abgasteilstrom geregelt wird.
[0012] Weiters kann in zumindest einem Teillastbetriebsbereich der erste Abgasteilstrom hin¬sichtlich der angepeilten Zielleistung geregelt werden.
[0013] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung des ersten bzw. zweiten Abgasteil¬stroms durch Verstellen der Turbinengeometrie der ersten bzw. zweiten Abgasturbine oderdurch Betätigen eines Bypassventils der ersten bzw. zweiten Abgasturbine erfolgt.
[0014] Insbesondere bei nicht variabler Turbinengeometrie der zweiten Abgasturbine kann dieSteuerung der Durchflussmenge des zweiten Abgasteilstroms eines - vorzugsweise stromauf¬wärts der zweiten Abgasturbine angeordneten - Regelventils erfolgen.
[0015] Die Erfindung kommt bevorzugt bei Brennkraftmaschinen mit Hochdruck- Abgasrück¬führsystemen zur Anwendung, wobei stromaufwärts des ersten und/oder zweiten Abgasteil¬stroms vom Abgasstrang abgezweigt und in einen Einlassstrom der Brennkraftmaschine, vor¬zugsweise hochdruckseitig, rückgeführt wird. Bei Abgasrückführung wird der erste Abgasteil¬strom so geregelt, dass der für den gewünschten Betriebspunkt angeforderte Ladedruck durcheinen mit dem ersten Abgasturbolader mechanisch verbundenen ersten Verdichter des erstenAbgasturboladers erzeugt wird und der zweite Abgasteilstrom so geregelt wird, dass ein mit derzweiten Abgasturbine mechanisch verbundener und in der Abgasrückführleitung angeordneterzweiter Verdichter eine Hochdruck- Abgasrückführung ermöglicht. Die Erfindung wird im Fol¬genden an Hand der Fig. näher erläutert.
[0016] Es zeigen schematisch [0017] Fig. 1 und 2 Brennkraftmaschinen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens.
[0018] Die in den Fig. jeweils gezeigte - beispielsweise mit Gas betriebene - Brennkraftmaschi-ne 1 weist mehrere Zylinder 2, ein Einlasssystem 3 für einen Einlassstrom und ein Auslasssys¬tem 4 für einen Abgasstrom auf. Stromabwärts eines Abgassammlers 5 wird der Abgasstrom ineinen ersten Abgasteilstrom 6 und einen zweiten Abgasteilstrom 7 aufgeteilt, wobei im erstenAbgasteilstrom 6 eine erste Abgasturbine 8 eines ersten Abgasturboladers 9 angeordnet ist,dessen erster Verdichter 10 im Einlassstrang 11 des Einlasssystems 3 angeordnet ist. Im zwei¬ten Abgasteilstrom 7 ist eine zweite Abgasturbine 12 (Nutzturbine, Power Turbine)) angeordnet,deren Abtriebswelle 13 mechanisch mit der Brennkraftmaschine 1, mit einem nicht weiter dar¬gestellten weiteren Verdichter, einer Pumpe oder einem Generator zur Leistung von Arbeitverbunden sein kann.
[0019] Die erste Abgasturbine 8 und/oder die zweite Abgasturbine 12 können jeweils einevariable Turbinengeometrie aufweisen oder über ein nicht weiter dargestelltes Bypassventil(Waste Gate) umgehbar sein. Insbesondere im Falle einer nicht variablen Turbinengeometriekann zumindest der zweiten Abgasturbine 12 ein Regelventil vorgeschaltet sein, welches in denFig. mit Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Das Regelventil 18 ist bei nicht variabler Turbinenge¬ometrie notwendig, aber auch bei variabler Turbinengeometrie vorteilhaft.
[0020] Die in Fig. 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch,dass zwischen dem Abgassystem 4 und dem Einlasssystem 3 weiters noch ein (Hochdruck-)Abgasrückführsystem 14 angeordnet ist. Ein mit der Abtriebswelle 13 verbundener zweiterVerdichter 15 eines zweiten Abgasturboladers 16 ist in der Abgasrückführleitung 17 des Abgas¬rückführsystems 14 angeordnet.
[0021] Das aus dem Abgassammler 5 austretende Abgas teilt sich in den ersten und den zwei¬ten Abgasteilstrom 6, 7 auf und durchströmt parallel die erste und die zweite Abgasturbine 1,12, bevor es nicht weiterdargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtungen zugeführt wird.
[0022] Folgende Betriebsstrategien sind möglich: [0023] 1) EGR-Regelung (Fig. 2): [0024] Der Massendurchsatz durch die erste Abgasturbine 8 des Abgasturbolader 9 wird sogeregelt, dass der angeforderte Ladedruck mittels des Layouts des Turboladers 9, entweder durch Betätigen eines Bypassventils (Waste Gate) oder einer variablen Turbinengeometrie derersten Abgasturbine 8 erzeugt werden kann. Der Massenfluss durch die zweite Abgasturbine 12wird so geregelt, dass genug Ladedruck erzeugt werden kann, um Abgas der Brennkraftma¬schine 1 rückzuführen. Die Abtriebswelle 13 der zweite Abgasturbine 12 steht dabei mit einemzweiten Verdichter in Verbindung, welcher sich im Abgasstrang des Abgasrückführsystems 14befindet.
[0025] Energieverluste zu Folge eines Waste Gates können vermindert werden, wobei Hoch-druck-Abgasrückführung ermöglicht wird.
[0026] 2) Teillast/Volllast-Regelung: [0027] Im Volllastbetrieb wird der Massendurchsatz durch die zweite Abgasturbine 12 so gere¬gelt, dass die gewünschte Abtriebsleistung erzielt werden kann, während der Massendurchsatzdurch die erste Abgasturbine 8 des Turboladers 9 so geregelt wird, dass der optimale Turbola¬der-Wirkungsgrad erreicht werden kann.
[0028] Die Regelung kann dadurch erfolgen, dass das Verhältnis der Massendurchsätze oderVolumendurchsätze der beiden Abgasturbinen 8,12 verändert wird.
[0029] Im Teillastbetrieb wird der Massendurchsatz durch die erste und/oder zweite Abgastur¬bine geregelt, wobei die Regelung durch Verändern der jeweiligen Turbinengeometrie oderdurch ein Bypassventil (Waste Gate Ventil) erfolgt.
[0030] Die Energie des Bypassventils kann rückgewonnen und eine erhöhte Abgasenergie¬rückgewinnung erzielt werden ohne dass der Abgasdruck im Abgassammler bei hohen Dreh¬zahlen zunimmt.
[0031] 3) Ansprechverhalten bei plötzlicher Lastanforderung [0032] Kommt es zu einer plötzlichen Lastanforderung wird der zweite Abgasstrom 7 durch diezweite Abgasturbine 12 zuerst gedrosselt oder unterbrochen, bis das erhöhte Lastniveau derBrennkraftmaschine 1 durch zusätzliche Kraftstoffzufuhr und/oder Verbrennungsluft erreicht ist.Danach wird die zweite Abgasteilstrom 7 wieder erhöht, bis die gewünschte Abtriebsleistung derzweiten Abgasturbine 12 beim erhöhten Lastniveau der Brennkraftmaschine 1 erreicht ist. Dererste Abgasteilstrom 6 wird so geregelt, dass sich der optimale Wirkungsgrad des Abgasturbo¬laders 9 einstellt.
[0033] Das geringere Massenträgheitsmoment einer somit kleiner ausführbaren ersten Abgas¬turbine 8 des Abgasturboladers 9 bewirkt in Kombination mit einem erhöhten Massendurchsatzdurch die Abgasturbine 8 des Turboladers 9 einen rascheren Ladedruckanstieg, was zu einemschnelleren Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 1 führt.
[0034] 4) Verbrennungsleistung [0035] Durch Steuerung des Massendurchsatzes des zweiten Abgasteilstroms 7 durch diezweite Abgasturbine 12 kann die Abtriebsleistung der zweiten Abgasturbine 12 geregelt wer¬den. Somit kann die Abtriebsleistung des Verbrennungssystems geregelt werden, ohne dassdie mechanische Leistung an der Antriebswelle der Brennkraftmaschine 1 verändert wird.
[0036] Somit kann die zweite Abgasturbine 12 in einem Betriebsmodus betrieben werden,welcher die durch die Verbrennung freigesetzte Gesamtenergie bei gegebener Last, Drehzahlund anderen Betriebsparametern minimiert. Dadurch kann ein besserer Gesamtwirkungsgradbei allen Betriebsdrehzahlen erreicht werden, als bei bisherigen bekannten Betriebsverfahren,wobei bei Bedarf Hochdruck- Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Dies führt wiederzu niedrigeren Verbrennungsspitzendrücken und eine Verminderung von irregulären Verbren¬nungserscheinungen.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Betreiben einer einen Auslasssystem (4) aufweisenden Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Gasmotors, wobei ein erster Abgasteilstrom (6) durch eine ersteAbgasturbine (8) eines ersten Abgasturboladers (9) und ein zweiter Abgasteilstrom (7)durch eine zweite Abgasturbine (12) geleitet wird und die erste und zweite Abgasturbine (8,12) parallel vom Abgas durchströmt werden, wobei der zweite Abgasteilstrom (7) gesteuertwird, wobei in zumindest einem Motorbetriebsbereich der zweite Abgasteilstroms (7) durchdie zweite Abgasturbine (12) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einerLasterhöhung der zweite Abgasteilstrom (7) zuerst gedrosselt oder unterbrochen wird bisdas erhöhte Lastniveau erreicht wird und danach allmählich wieder erhöht wird, bis die Ab¬triebsleistung der zweiten Abgasturbine (12) beim vorliegenden Lastniveau erreicht wird,wobei vorzugsweise der erste Abgasteilstrom (6) hinsichtlich des optimalen Wirkungsgra¬des des ersten Abgasturboladers (9) geregelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Volllast¬betriebsbereich der zweite Abgasteilstrom (7) hinsichtlich der angepeilten Abtriebsleistungder zweiten Abgasturbine (12) und der erste Abgasteilstrom (6) hinsichtlich des optimalenWirkungsgrades des ersten Abgasturboladers (8) geregelt wird, wobei vorzugsweise dasVerhältnis des ersten Abgasteilstroms (6) zum zweiten Abgasteilstrom (7) geregelt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einemTeillastbetriebsbereich der erste und/oder zweite Abgasteilstrom (6, 7) hinsichtlich der an¬gepeilten Abtriebsleistung geregelt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steue¬rung des ersten Abgasteilstroms (6) durch Verstellen der Turbinengeometrie der erstenAbgasturbine (8) oder durch Betätigen eines Bypassventils der ersten Abgasturbine (8) er¬folgt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steue¬rung des zweiten Abgasteilstroms (7) durch Verstellen der Turbinengeometrie der zweitenAbgasturbine (12) oder durch Betätigen eines Bypassventils der zweiten Abgasturbine (12)erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf¬wärts des ersten und/oder zweiten Abgasteilstroms (6, 7) vom Auslasssystem (4) - vor¬zugsweise im Bereich eines Abgassammlers (5) - abgezweigt und - vorzugsweise hoch¬druckseitig -in ein Einlasssystem (3) der Brennkraftmaschine (1) rückgeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abgasrückführung dererste Abgasteilstrom (6) so geregelt wird, dass ein für den gewünschten Betriebspunkt an¬geforderter Ladedruck durch einen mit der ersten Abgasturbine (8) mechanisch verbunde¬nen ersten Verdichter (10) des ersten Abgasturboladers (9) erzeugt wird und der zweiteAbgasteilstrom (7) so geregelt wird, dass ein mit der zweiten Abgasturbine (12) mecha¬nisch verbundener und in der Abgasrückführleitung (17) angeordneter zweiter Verdichter (15) eine Hochdruck-Abgasrückführung ermöglicht.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass - insbeson¬dere bei nicht variabler Turbinengeometrie der zweiten Abgasturbine (12) - die Steuerungder Durchflussmenge des zweiten Abgasteilstroms (7) mittels eines - vorzugsweise strom¬aufwärts der zweiten Abgasturbine (12) angeordneten - Regelventils (18) erfolgt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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