DE10116264A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mechanischer Aufladung und variabler Verdichtung - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem im Ansaugtrakt angeordneten mechanischen Kompressor, der über eine Koppeleinrichtung über die Kurbelwelle antreibbar ist, wird Verbrennungsluft in einen Motor-Einlass gefördert. Weiterhin ist eine Einrichtung zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses im Brennraum vorgesehen, über die im Teillastbereich der Brennkraftmaschine ein höheres Verdichtungsverhältnis und im Volllastbereich ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis einstellbar ist. DOLLAR A Der vom Kompressor zu fördernde Luftmassenstrom ist variabel einstellbar, wobei im Teillastbereich unterhalb eines Referenzlastwertes der Kompressor zur Einstellung eines Unterdrucks im Lufteinlass im Drossel- bzw. Expanderbetrieb betrieben wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mechanischer Aufladung und variabler Verdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Erzielung einer optimalen Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine und damit einhergehendem geringen Kraft­ stoffverbrauch und geringen Schadstoffemissionen ist es wün­ schenswert, über alle Last- und Drehzahlverhältnisse im Brenn­ raum ein hohes Verdichtungsverhältnis des eingeführten Kraft­ stoff-Luft-Gemisches unter Einhaltung stöchiometrischer Ver­ hältnisse einzustellen. Zugleich muss darauf geachtet werden, dass zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung das Verdich­ tungsverhältnis einen oberen Grenzwert nicht übersteigt.

Auf der Website "www.4car.co.uk" wird unter dem Stichwort "SVC" eine Brennkraftmaschine beschrieben, die sowohl mit variabler Einstellung des Verdichtungsverhältnisses im Brennraum als auch mit einem mechanisch angetriebenen Kompressor zur Erzeugung ei­ nes erhöhten Ladedrucks der zuzuführenden Verbrennungsluft aus­ gestattet ist. Das Verdichtungsverhältnis kann durch eine Win­ keländerung des Zylinderkopfes gegenüber dem Motorblock varia­ bel eingestellt werden, indem in Abhängigkeit der anstehenden Last durch Neigen des Zylinderkopfes das Volumen des Brennrau­ mes verändert wird. Im Teillastbereich wird zur Wirkungsgrader­ höhung ein höheres Verdichtungsverhältnis eingestellt, wohinge­ gen im Volllastbereich zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung das Verdichtungsverhältnis zurückgenommen wird. Eine zu­ sätzliche Einstellmöglichkeit besteht darin, dass der mecha­ nisch über die Kurbelwelle des Motors angetriebene Kompressor nur bei größeren Öffnungswinkeln der Drosselklappe - bei zu­ sätzlichem Leistungsbedarf - zugeschaltet wird. Bei einem ge­ ringeren Leistungsbedarf wird dagegen der Kompressor außer Be­ trieb gesetzt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das Problem zugrunde, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine mit mechanischer Aufladung und variabler Verdichtung weiter zu steigern.

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

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der vom Kompressor zu fördernde Luftmassenstrom im Ansaugtrakt der Brennkraftma­ schine variabel eingestellt werden, wodurch eine flexible An­ passung der Kompressorleistung an den aktuellen Zustand und Be­ darf der Brennkraftmaschine möglich ist. Im Teillastbereich der Brennkraftmaschine - unterhalb eines Referenzlastwerts - wird der Kompressor zur Einstellung eines Unterdrucks im Lufteinlass im Drosselbetrieb bzw. im Expanderbetrieb betrieben, wodurch Ladungswechselarbeit der Brennkraftmaschine über den Kompressor an die Kurbelwelle zurückgegeben wird und der Kraftstoffver­ brauch des Motors zusätzlich um etwa 5% bis 10% reduziert wer­ den kann. Bei der Betriebsweise des Kompressors als Drossel bzw. Expander kann im Lufteinlass der Brennkraftmaschine allein durch eine entsprechende Einstellung des Kompressors ein Unter­ druck erzeugt werden, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, die dem Motor zuzuführende Verbrennungsluft über einen weiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine sowohl im Unterdruck- als auch im Überdruckbereich durch eine entsprechende Einstellung des Kompressors zu regeln. Im Unterdruckbereich wirkt der Kompressor als Drossel im Ansaugtrakt, wobei die Druckdifferenz über dem Kompressor - Umgebungsdruck stromauf, reduzierter Druck stromab des Kompressors - für den Expanderbetrieb des Kompressors genutzt werden kann, dessen Bewegung in diesem Be­ triebsbereich an die Kurbelwelle abgegeben wird.

Es kann zweckmäßig sein, in einem unteren Teillastbereich und bei niedrigen Motordrehzahlen den Druck im Lufteinlass der Brennkraftmaschine über eine Drosselklappe einzustellen, welche zusätzlich zum Kompressor im Ansaugtrakt vorgesehen ist. In diesen Betriebspunkten mit einem sehr niedrigen Ansaugdruck kann die Regelung über die Drosselklappe auf Grund der geringe­ ren Trägheit der Drosselklappe und präziseren Einstellmöglich­ keit Vorteile gegenüber einer ausschließlichen Kompressorrege­ lung bringen.

Oberhalb von Referenzlastwerten bzw. Referenzdrehzahlwerten er­ folgt die Einstellung des Ladedrucks zweckmäßig ausschließlich über eine Regelung des Kompressors. In diesem Bereich wird die Drosselklappe zweckmäßig in ihre Offenstellung überführt, um eine unbeabsichtigte zusätzliche Drosselung im Ansaugtrakt zu vermeiden.

Gemäß einer alternativen Ausführung kann es aber auch vorteil­ haft sein, auf die Drosselklappe im Ansaugtrakt zu verzichten und den Ladedruck im Lufteinlass des Motors über alle Last- und Drehzahlbereiche ausschließlich über den Kompressor einzustel­ len.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Förderleistung des Kompressors variabel einstellbar ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Kom­ pressor über eine als einstellbares Koppelgetriebe ausgebildete Koppeleinrichtung mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei die Koppeleinrichtung entweder stufenlos oder in diskreten Stufen eine Vielzahl von einstellbaren Betriebspunkten erlaubt. Das Koppelgetriebe ist beispielsweise als Mehrstufengetriebe oder als CVT-Getriebe ausgebildet.

Alternativ oder zusätzlich zur variabel einstellbaren Förder­ leistung des Kompressors kann es auch zweckmäßig sein, die Ver­ dichtergeometrie des Kompressors variabel einstellbar auszubil­ den. Die variable Verdichtergeometrie kann hierbei zwischen ei­ ner Staustellung, in welcher der Verdichterkanalquerschnitt ein Minimum einnimmt und der Kompressor im Drossel- bzw. Expander­ betrieb gefahren wird, und einer Offenstellung, in der der Ver­ dichterkanalquerschnitt ein Maximum einnimmt, veränderlich ein­ stellbar sein. Die veränderliche Einstellung kann beispielswei­ se durch eine variable Verdichtergeometrie realisiert werden, die beispielsweise als im Verdichterkanal stromauf des Verdich­ terrades angeordnetes Verdichterleitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln ausgeführt sein kann. Die variable Verdichtergeo­ metrie kann aber auch durch ein zusätzliches Luftförderrad stromauf des Verdichterrades des Kompressors ausgeführt sein, wobei der zusätzliche Luftförderer insbesondere über einen un­ abhängig einstellbaren Elektromotor beaufschlagt werden kann.

Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, sowohl die Förderlei­ stung des Kompressors durch eine entsprechende Einstellung der Koppeleinrichtung zur Kurbelwelle veränderlich auszubilden als auch eine variable Verdichtergeometrie im Kompressor vorzuse­ hen.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent­ nehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi­ ne mit variabler Verdichtung und mechanischer Aufla­ dung,

Fig. 2 den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine mit Drossel­ klappe und stromab der Drosselklappe angeordnetem Kompressor,

Fig. 3 ein Schaubild mit dem Verlauf des Motormoments in Ab­ hängigkeit der Motordrehzahl, in welchem ein Voll­ lastbereich, in dem die Lastregelung und die Aufla­ dung durch den Kompressor, ein Teillastbereich, in welchem die Lastregelung durch den Kompressor, und ein Bereich mit niedriger Last und niedriger Drehzahl eingetragen ist, in welchem die Lastregelung über die Drosselklappe erfolgt,

Fig. 4 ein Schaubild mit dem Verlauf des Verdichterverhält­ nisses in Abhängigkeit vom effektiven Mitteldruck im Brennraum.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1, die mit einem mechanisch angetriebe­ nen Kompressor 3 im Ansaugtrakt 2 und einer Einrichtung 12 zur variablen Verdichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brenn­ raum 11 des Motors ausgestattet ist. Über den Kompressor 3 im Ansaugtrakt 2 wird unter Umgebungsdruck angesaugte Verbren­ nungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft in den Lufteinlass 4 des Motors und in den Brennraum 11 eingeleitet wird. Das bei der Verbrennung entste­ hende Abgas wird über den Abgasstrang 13 aus dem Brennraum 11 abgeleitet.

Der Kompressor 3 wird mechanisch von der Kurbelwelle 6 der Brennkraftmaschine angetrieben. Der Kompressor ist hierzu über eine Koppeleinrichtung 5 mit der Kurbelwelle 6 verbunden, wobei die Koppeleinrichtung 5 als einstellbares Koppelgetriebe ausge­ führt sein kann, beispielsweise als Mehrstufengetriebe oder CVT-Getriebe. Über eine entsprechende Einstellung des Koppelge­ triebes 5 kann die Laderdrehzahl des Kompressors 3 und damit auch der zu erzeugende Ladedruck im Ansaugtrakt 2 stromab des Kompressors 3 beeinflusst werden.

Der Kompressor 3 ist zusätzlich mit einer variablen Verdichter­ geometrie ausgestattet, welche insbesondere im Verdichterkanal stromauf des Verdichterrades angeordnet ist und über eine Stelleinrichtung zwischen unterschiedlichen Positionen ver­ stellt werden kann. Es ist hierbei insbesondere möglich, die variable Verdichtergeometrie zwischen einer den freien Verdich­ terkanalquerschnitt reduzierenden Staustellung und einer den Verdichterkanalquerschnitt maximal freigebenden Öffnungsstel­ lung zu verstellen. Über die variable Einstellung der Verdich­ tergeometrie 7 kann der vom Kompressor zu fördernde Luftmassen­ strom beeinflusst werden.

Über die Einrichtung 12 zur variablen Verdichtung des in den Brennraum 11 eingeströmten Kraftstoff-Luft-Gemisches kann der obere Totpunkt des Kolbens 9 in Pfeilrichtung 10 entlang der Kolbenlängsachse nach oben bzw. unten verschoben werden, wo­ durch das Brennraumvolumen und das Verdichtungsverhältnis be­ einflusst wird. In Fig. 1 ist die Einrichtung 12 zur variablen Verdichtung schematisch in der Weise dargestellt, dass die Kur­ belwelle 6, die über das Pleuel 8 mit dem Kolben 9 verbunden ist, in Pfeilrichtung 10 zwischen der mit durchgezogenem Strich dargestellten Position und der mit strichliertem Strich darge­ stellten Position verschoben werden kann, wodurch sich der obe­ re Totpunkt des Kolbens 9 im Brennraum 11 entsprechend nach oben oder unten verschiebt. Bei einer Verschiebung der Einrichtung 12 nach oben wird das Brennraumvolumen verringert und das Verdichtungsverhältnis erhöht; bei einer Verschiebung der Ein­ richtung 12 nach unten wird das Brennraumvolumen vergrößert und das Verdichtungsverhältnis verringert.

Der Brennkraftmaschine 1 ist weiterhin eine Regel- und Steuer­ einrichtung 14 zugeordnet, welche in Abhängigkeit von Motorzu­ stands- und Betriebsgrößen Steilsignale erzeugt, die zur verän­ derlichen Einstellung während des Betriebs der Brennkraftma­ schine der Koppeleinrichtung 5, der variablen Verdichtergeome­ trie 7 und der Einrichtung 12 zur variablen Verdichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches zugeführt werden.

Wie Fig. 2 zu entnehmen, ist im Ansaugtrakt 2 zweckmäßig zu­ sätzlich zum Kompressor 3 auch eine Drosselklappe 15 vorgese­ hen, deren Position ebenfalls über die Regel- und Steuerein­ richtung 14 aus Fig. 1 einzustellen ist. Die Drosselklappe 15 ist vorteilhaft stromauf des Kompressors 3 im Ansaugtrakt 2 an­ geordnet. Über die Drosselklappe 15 wird insbesondere im unte­ ren Teillastbereich und bei niedrigen Motordrehzahlen der Brennkraftmaschine ein Unterdruckwert der dem Brennraum 11 zu­ zuführenden Verbrennungsluft eingestellt.

In Fig. 3 ist ein Schaubild mit verschiedenen Bereichen für das Motormoment M_M in Abhängigkeit der Motordrehzahl n dargestellt. Eingetragen ist mit dicker strichlierter Linie ein Mittelwert für das Verdichtungsverhältnis ε, wobei mit zunehmendem Motor­ moment M_M das Verdichtungsverhältnis ε kleiner und mit abneh­ mendem Motormoment M_M das Verdichtungsverhältnis ε größer wird. Durch diesen Zusammenhang soll verdeutlicht werden, dass einer­ seits im Teillastbereich der Brennkraftmaschine ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis ε einzustellen ist, um den Wir­ kungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Andererseits soll bei höheren Lasten und/oder Drehzahlen das Verdichtungsverhält­ nis s herabgesetzt werden, um die Klopfgrenze einzuhalten.

In dem Diagramm nach Fig. 3 können drei verschiedene Bereiche unterschieden werden: ein oberer Volllastbereich VL, ein darun­ ter liegender Teillastbereich TL sowie ein Bereich DK für nied­ rige Lasten und Motordrehzahlen. Im Volllastbereich VL erfolgt die Einstellung des Massenstromes der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluft ausschließlich über den Kompres­ sor im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine; zugleich ist die Drosselklappe in ihre maximale Offenstellung verstellt, um jeg­ liche Drosselwirkung zu vermeiden. Der Ladedruck im Ansaugtrakt stromab des Kompressors befindet sich auf einem Überdruckwert.

Auch im Teillastbereich TL erfolgt die Einstellung der Verbren­ nungsluftmenge zweckmäßig ausschließlich durch eine Regelung des Kompressors. Um im Teillastbereich TL auch Unterdruckwerte realisieren zu können, kann der Kompressor in einem Drossel- bzw. Expanderbetrieb gefahren werden, was insbesondere durch eine entsprechende Einstellung des Koppelgetriebes zwischen Kompressor und Kurbelwelle und/oder einer variablen Verdichter­ geometrie im Kompressor bewerkstelligt wird. Durch den Drossel- bzw. Expanderbetrieb des Kompressors wird zum einen ein Unter­ druck im Ansaugtrakt eingestellt, zum anderen wird Ladungswech­ selarbeit über den Kompressor und das Koppelgetriebe an die Kurbelwelle zurückgegeben, wodurch sich ein Einsparungspotenzi­ al an Kraftstoff von etwa 5% bis 10% ergibt.

In einem unteren Teillastbereich DK unterhalb eines Referenz­ lastwertes M_Ref sowie bei niedrigen Motordrehzahlen n unterhalb eines Referenzdrehzahlwertes n_Ref wird der Ansaugdruck vorteil­ haft ausschließlich über die Drosselklappe eingestellt. In die­ sem Betriebsbereich DK ist der Kompressor in eine Neutralstel­ lung versetzt, in der der Einfluss auf die Druckverhältnisse im Ansaugtrakt so gering wie möglich ist.

Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, auf eine Drosselklappe vollständig zu verzichten, sofern der Ansaugdruck über alle Be­ triebsbereiche vollständig über eine entsprechende Einstellung des Kompressors regelbar ist.

Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Verlauf des variablen Ver­ dichtungsverhältnisses ε in Abhängigkeit vom Effektivdruck P_eff, welcher den über eine Kurbelwellenumdrehung gemittelten Druck im Brennraum bezeichnet. Bei einem geringen effektiven Mittel­ druck P_eff nimmt das variable Verdichtungsverhältnis ε einen Ma­ ximalwert ein. Mit zunehmendem Mitteldruck P_eff sinkt das Ver­ dichtungsverhältnis ε ab. Da der Mitteldruck mit zunehmender Motordrehzahl ansteigt, kann durch die Verringerung des Ver­ dichtungsverhältnisses ε die Klopfgrenze jederzeit eingehalten werden. Andererseits wird der Wirkungsgrad bei geringem Mittel­ druck bzw. niedrigen Motordrehzahlen durch die Anhebung des Verdichtungsverhältnisses ε erhöht.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem im Ansaugtrakt angeordneten mechanischen Kompressor, über den Verbrennungsluft in einen Motor-Lufteinlass (4) förderbar und der über eine Koppeleinrichtung (5) über die Kurbelwelle (6) antreibbar ist, und mit einer Einrichtung (12) zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses (ε) im Brennraum, über die im Teillastbereich der Brennkraftmaschine (1) ein hö­ heres Verdichtungsverhältnis (ε) und im Volllastbereich ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis (ε) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kompressor (3) zu fördernde Luftmassenstrom varia­ bel einstellbar ist, wobei im Teillastbereich der Brennkraftma­ schine (1) unterhalb eines Referenzlastwerts der Kompressor (3) zur Einstellung eines Unterdrucks im Lufteinlass (4) im Dros­ sel- bzw. Expanderbetrieb betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Teillastbereich unterhalb eines Referenz­ lastwerts (M_Ref) und bei niedrigen Motordrehzahlen (n) der Brennkraftmaschine (1) unterhalb eines Referenzdrehzahlwerts (n_Ref) der Druck im Lufteinlass (4) über eine im Ansaugtrakt (2) angeordnete Drosselklappe (15) regelbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Referenzlastwerts (M_Ref) und/oder des Refe­ renzdrehzahlwerts (n_Ref) die Drosselklappe (15) in ihre Offen­ stellung überführt wird und die Einstellung des zuzuführenden Verbrennungsluftstromes ausschließlich über den Kompressor (3) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung des Kompressors (3) variabel einstell­ bar ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtergeometrie (7) des Kompressors (3) variabel einstellbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtergeometrie (7) des Kompressors (3) zwischen einer die freie Querschnittsgeometrie im Verdichterkanal redu­ zierenden Staustellung und einer die freie Querschnittsgeome­ trie maximierenden Öffnungsstellung verstellbar ist, wobei die Staustellung dem Teillastbereich und die Öffnungsstellung dem Volllastbereich zugeordnet ist.