DE102005043736B4

DE102005043736B4 - Verbrennungskraftmaschine mit einem mechanischen Lader und einem zur Ladedruckregelung dienenden verstellbaren Bypassventil sowie Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102005043736B4
Application number: DE102005043736A
Authority: DE
Inventors: Rainer Wolf; Uwe Feldmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: DE102005043736A1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem mechanischen Lader (8), mit einem zur Ladedruckregelung dienenden verstellbaren Bypassventil (15) in einer Bypassleitung (14) des Laders (8) und mit einem mit einer Steuerung (18) verbundenen Stellorgan (16) zum Betätigen des Bypassventils (15), wobei die Steuerung (18) das Bypassventil (15) beim Start der Verbrennungskraftmaschine (1) schließt und das Bypassventil (15) beim Kaltstart und mindestens während eines Teils des Warmlaufs der Verbrennungskraftmaschine (1) geschlossen ist, um die in die Verbrennungskraftmaschine (1) zugeführte Verbrennungsluft durch Verdichtungsarbeit des Laders (8) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Steuerung (18) das Bypassventil (15) öffnet, wenn eine Temperatur, nämlich eine Kühlmitteltemperatur der Verbrennungskraftmaschine (1) oder die Temperatur einer Abgasreinigungseinrichtung in einem Abgastrakt (4) der Verbrennungskraftmaschine (1), einen vorgegebenen Wert erreicht, – dass in einem Ansaugtrakt (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) zwischen dem Lader (8) und der Verbrennungskraftmaschine (1) mindestens ein an einen Kühlmittelkreislauf (19, 20, 21, 22, 23, 24) angeschlossener...

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem mechanischen Lader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Während bei einigen Konzepten von Verbrennungskraftmaschinen zur Aufladung Abgasturbolader eingesetzt werden, werden bei anderen Konzepten mechanische Lader verwendet, die von der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, wodurch das sogenannte Turboloch von Abgasturboladern vermieden werden kann. Da die Drehzahl der mechanischen Lader in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Kurbelwelle steht und sich damit ihr Verdichtungsverhältnis nicht durch Veränderung der Drehzahl steuern lässt, wird der Ladedruck von mechanischen Ladern gewöhnlich mit Hilfe eines verstellbaren Bypassventils geregelt, das in einer Bypassleitung des Laders zwischen dessen Saugseite und Druckseite angeordnet ist. Zum Verstellen des Bypassventils dient ein Stellorgan, das zum Beispiel vom Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine angesteuert wird. Da mechanische Lader gewöhnlich für Volllast ausgelegt werden, kann es im Teillastbetrieb zu einem Luftüberschuss kommen, der durch Öffnen des Bypassventils über die Bypassleitung zur Saugseite des mechanischen Laders zurückgeführt werden kann. Auch kann zwischen dem mechanischen Lader und der Kurbelwelle eine Kupplung vorgesehen werden, mit der sich der Lader in Betriebspunkten ohne Aufladung von der Verbrennungskraftmaschine entkoppeln lässt, die dann bei geöffnetem Bypassventil durch die Bypassleitung Frischluft ansaugt. Beim Start der Verbrennungskraftmaschine ist das Bypassventil immer geöffnet und der Lader bei Vorhandensein einer Kupplung ausgekuppelt, um das Anschleppdrehmoment der Verbrennungskraftmaschine zu verringern.
Zur Erfüllung der neuesten Abgasvorschriften ist es erforderlich, die Rohemissionen von Verbrennungskraftmaschinen beim Start und im Warmlauf soweit wie möglich zu verringern. Dazu ist insbesondere bei kalter Verbrennungskraftmaschine eine gute Gemischaufbereitung notwendig, die sich mit kalter Verbrennungsluft nicht ohne weiteres erreichen lässt. Daher ist es zur Verringerung der Schadstoffemissionen zum Beispiel bereits bekannt, die Verbrennungsluft beim Kaltstart und während des Warmlaufs von Verbrennungskraftmaschinen zu erwärmen, indem durch eine Abgasrückführleitung ein Teil der Abgase in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt wird. Dies verursacht jedoch einen nicht unbeträchtlichen Aufwand.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die DE 37 10 195 C2 bekannt. Diese betrifft einen Dieselmotor mit einem vom Abgas des Motors angetriebenen Turbolader und einen vom Motor mechanisch angetriebenen, in einer Ansaugleitung angeordneten Lader. Der Motor soll eine den Startvorgang des Motors erfassende Fühlereinrichtung aufweisen, wobei eine Steuereinrichtung in Ansprache auf Ausgangssignale der Fühlereinrichtung bei einem Start des Motors eine Kopplung des mechanisch angetriebenen Laders mit dem Motor herstellt sowie einen Umgehungsluftstrom absperrt. Weiter zeigt die DE 102 03 025 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, wobei ein Lader zur Erhöhung des Drucks einer dem Motor zugeführten Luft vorgesehen ist. Zusätzlich soll ein Katalysator zur Aufbereitung von Abgasen des Motors vorgesehen sein. In Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators wird der Lader aktiviert und der Zeitpunkt der Verbrennung in Richtung „spät” verschoben. Aus der DE 102 15 779 A1 geht eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung, einem Abgastrakt, einem Motormanagementsystem und einem Kühlsystem hervor. Die Aufladevorrichtung umfasst ein Luftmodul, das eine elektrische Drosselklappe, einen elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter, einen Ladeluftkühler, eine elektrische Kühlmittelpumpe und ein Saugrohrmodul in einem gemeinsamen Luftmodulgehäuse kompakt zusammenfasst. Schließlich sind aus dem Stand der Technik noch die JP 7-26970 A und die US 5,477,839 A bekannt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine mit einfachen Mitteln eine Verringerung der Schadstoffemissionen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beim Kaltstart und mindestens während eines Teils des Warmlaufs der Verbrennungskraftmaschine das Bypassventil im Betrieb des Laders gezielt geschlossen wird, um die Verdichtungsarbeit des Laders zur Erwärmung der in die Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft auszunutzen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich Luft bei ihrer Verdichtung erwärmt, so dass auch die Verdichtung der Verbrennungsluft durch den Lader zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und damit zur Verringerung der Schadstoffemissionen beim Kaltstart und im anschließenden Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine ausgenutzt werden kann.
Es ist vorgesehen, dass das Bypassventil nach dem Kaltstart erst dann geöffnet wird, wenn eine Kühlmitteltemperatur der Verbrennungskraftmaschine einen vorgegebenen Wert erreicht oder übersteigt, bei dem sich die Verbrennungskraftmaschine ausreichend stark aufgeheizt hat, um auch ohne eine Luftvorwärmung eine zufriedenstellende Gemischaufbereitung zu erzielen. Grundsätzlich könnten jedoch an Stelle der Kühlwassertemperatur auch andere Parameter zur Bestimmung des Zeitpunkt des Öffnens des Bypassventils herangezogen werden, zum Beispiel die Temperatur eines der Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten Abgaskatalysators, wobei in diesem Fall das Bypassventil ebenfalls solange geschlossen bleibt, bis die Temperatur des Abgaskatalysators einen vorbestimmten Schwellenwert, zum Beispiel seine Light-Off-Temperatur, übersteigt.
Dort, wo auf der Druckseite des mechanischen Laders zwischen diesem und der Verbrennungskraftmaschine mindestens ein von Kühlmittel durchströmter Ladeluftkühler vorgesehen ist, der im Normalbetrieb des Laders dazu dient, die verdichtete Luft vor ihrem Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine abzukühlen, ist es vorgesehen, den Kühlmittelkreislauf durch den Ladeluftkühler beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine zu unterbrechen, um eine unerwünschte Abkühlung der erwärmten verdichteten Ladeluft zu vermeiden. Zur Unterbrechung des Kühlmittelkreislaufs bleibt zweckmäßig eine zur Umwälzung des Kühlmittels dienende Kühlmittelpumpe beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet und wird erst dann in Betrieb genommen, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Ladeluftkühler einen vorgegebenen Wert übersteigt oder wenn das Bypassventil geöffnet wird.
Im folgendes wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer mit einem mechanischen Lader ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Die in der Zeichnung dargestellte 6-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine 1 in V-Bauweise umfasst zwei Reihen von Zylindern 2, denen die benötigte Verbrennungsluft durch einen gemeinsamen Ansaugtrakt 3 zugeführt wird, während ihre Abgase durch jeweilige Abgaskrümmer 4 in einen gemeinsamen Abgastrakt mit einem Abgaskatalysator (nicht dargestellt) abgeführt werden. Der Ansaugtrakt 3 umfasst in bekannter Weise einen Luftfilter 5, eine in einem Saugrohr 6 hinter dem Luftfilter 5 angeordnete Drosselklappe 7 und einen mechanischen Lader 8 zur Verdichtung der durch das Saugrohr 6 angesaugten Verbrennungsluft, der durch einen Riementrieb 9 von der Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Verbrennungskraftmaschine 1 angetrieben wird. Der Ansaugtrakt 3 umfasst außerdem zwei beiderseits des Laders 8 und oberhalb der Zylinder 2 angeordnete Ladeluftkühler 10, die im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Abkühlung der vom Lader 8 verdichteten Verbrennungsluft dienen. Die letztere wird nach ihrem Austritt aus dem Lader 8 durch eine auf dessen Oberseite angeordnete Luftaustrittsöffnung 11 in einem an die Öffnung 11 angrenzenden Verteilerraum 12 in zwei etwa gleich große Teilströme aufgeteilt, die jeweils durch einen Luftkanal 13 in einen der beiden Ladeluftkühler 10 und von dort in die Zylinder 2 der benachbarten Zylinderreihe zugeführt werden. Der Ansaugtrakt 3 umfasst weiter eine zwischen der Saugseite und der Druckseite des Laders angeordneten Bypassleitung 14, die eine verstellbare Bypassklappe 15 enthält und zwischen der Drosselklappe 7 und dem Lader 8 in das Saugrohr 6 bzw. zwischen dem Lader 8 und den Ladeluftkühlern 10 in den Verteilerraum 12 mündet. Die Bypassklappe 15 ist mittels eines elektrischen Stellorgans 16 verstellbar, das durch eine Signalleitung 17 mit einem Motorsteuergerät 18 der Verbrennungskraftmaschine 1 verbunden ist. Das Motorsteuergerät 18 regelt den Ladedruck des Laders 8, indem es die Bypassklappe 15 in bekannter Weise schließt oder öffnet, so dass in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 zum Beispiel die gesamte Ansaugluft vom Lader 8 verdichtet und in die Zylinder 2 zugeführt wird bzw. ein Teil der Luft nach ihrem Austritt durch die Luftaustrittsöffnung 11 durch die Bypassleitung 14 zur Saugseite des Laders 8 zurückgeführt wird.
Da im Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 die bei der Verdichtung der Verbrennungsluft entstehende Verdichtungswärme zu einer unerwünschten Erwärmung der Verbrennungsluft führt, wird die letztere in den Ladeluftkühlern 10 abgekühlt, indem man diese mit Kühlwasser beaufschlagt. Die Ladeluftkühler 10 sind dazu jeweils durch eine Kühlwasserleitung 19, 20 mit einer Umwälz- oder Kühlwasserpumpe 21 des Kraftfahrzeugs verbunden, die kaltes Kühlwasser aus dem Kühler 22 des Kraftfahrzeugs in die Ladeluftkühler 10 pumpt, von wo es durch Rückführleitungen 23, 24 in den Kühler 22 zurück strömt.
Um die Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine 1 beim Kaltstart bzw. im Warmlauf zu senken, wird die Bypassklappe 15 beim Start vom Motorsteuergerät 18 durch ein entsprechendes Signal zum Stellorgan 16 geschlossen, so dass die unmittelbar nach dem Start und während der Warmlaufphase durch das Saugrohr 6 angesaugte Verbrennungsluft durch den von der Kurbelwelle angetriebenen Lader 8 strömt und verdichtet wird und nach ihrem Austritt aus dem Lader 8 vollständig durch die Ladeluftkühler 10 in die Zylinder 2 zugeführt wird. Durch die bei der Verdichtung erzeugte Verdichtungswärme erhöht sich die Temperatur der in die Zylinder 2 zugeführten Verbrennungsluft, wodurch wiederum die Gemischaufbereitung verbessert und damit sowohl der Schadstoffausstoß als auch der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine verringert werden kann.
Um zu verhindern, dass die Temperatur der aus dem Lader 8 austretenden erwärmten Verbrennungsluft bei ihrem anschließenden Hindurchtritt durch die Ladeluftkühler 10 absinkt, bleibt die Umwälz- oder Kühlwasserpumpe 21 nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine 1 abgeschaltet. Um eine Überhitzung des Kühlwassers in den Ladeluftkühlern 10 zu verhindern, ist an einem der beiden Ladeluftkühler 10 ein Temperatursensor 25 angebracht, der die Kühlwassertemperatur in diesem Ladeluftkühler 10 misst und über eine Signalleitung 26 an das Motorsteuergerät 18 übermittelt, so dass dieses die Umwälz- oder Kühlwasserpumpe 21 einschalten kann, wenn die Kühlwassertemperatur im Ladeluftkühler 10 einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt.
Die von diesem Temperatursensor 25 oder von einem anderen Temperatursensor (nicht dargestellt) im Kühlwasserkreislauf gemessene Temperatur kann auch zur Steuerung der Bypassklappe 15 verwendet werden. In diesem Fall bleibt die Bypassklappe 15 so lange geschlossen, bis die Kühlwassertemperatur im Ladeluftkühler 10 oder an der anderen Stelle des Kühlwasserkreislaufs einen Schwellenwert erreicht, wo eine weitere Erwärmung der in die Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführten Verbrennungsluft nicht mehr notwendig ist. Die Bypassklappe 15 wird dann durch ein entsprechendes Signal vom Motorsteuergerät 18 zum Stellorgan 16 geöffnet, wodurch bis zum Erreichen des Vollastbetriebs ein Teil der durch die Luftaustrittsöffnung 11 aus dem Lader 8 austretenden Luft durch die Bypassleitung 14 in das Saugrohr 6 zurückgeführt wird.
Alternativ kann die Bypassklappe 15 geöffnet werden, wenn die Temperatur des Abgaskatalysators im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine 1 einen vorgegebenen Wert erreicht.
Falls der Antrieb des Laders 8 durch Öffnen einer Kupplung zwischen der Kurbelwelle und einer Antriebswelle des Laders 8 abschaltbar ist, kann auch vorgesehen werden, den Lader 8 nach Erreichen des Schwellenwerts der Kühlwassertemperatur im Ladeluftkühler 10 oder an anderer Stelle des Kühlwasserkreislaufs abzuschalten, so dass dann die Verbrennungsluft durch die Bypassleitung 14 und die geöffnete Bypassklappe 15 angesaugt wird, bis die Verbrennungskraftmaschine den Betriebsbereich erreicht, in dem eine Aufladung vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Zylinder
3: Ansaugtrakt
4: Abgaskrümmer
5: Luftfilter
6: Saugrohr
7: Drosselklappe
8: mechanischer Lader
9: Riementrieb
10: Ladeluftkühler
11: Luftaustrittsöffnung Lader
12: Luftverteiler
13: Luftkanäle
14: Bypassleitung
15: Bypassklappe
16: Stellorgan
17: Signalleitung
18: Motorsteuergerät
19: Kühlwasserleitung
20: Kühlwasserleitung
21: Umwälzpumpe
22: Kühler
23: Kühlwasserleitung
24: Kühlwasserleitung
25: Temperatursensor
26: Signalleitung

Claims

Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem mechanischen Lader (8), mit einem zur Ladedruckregelung dienenden verstellbaren Bypassventil (15) in einer Bypassleitung (14) des Laders (8) und mit einem mit einer Steuerung (18) verbundenen Stellorgan (16) zum Betätigen des Bypassventils (15), wobei die Steuerung (18) das Bypassventil (15) beim Start der Verbrennungskraftmaschine (1) schließt und das Bypassventil (15) beim Kaltstart und mindestens während eines Teils des Warmlaufs der Verbrennungskraftmaschine (1) geschlossen ist, um die in die Verbrennungskraftmaschine (1) zugeführte Verbrennungsluft durch Verdichtungsarbeit des Laders (8) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Steuerung (18) das Bypassventil (15) öffnet, wenn eine Temperatur, nämlich eine Kühlmitteltemperatur der Verbrennungskraftmaschine (1) oder die Temperatur einer Abgasreinigungseinrichtung in einem Abgastrakt (4) der Verbrennungskraftmaschine (1), einen vorgegebenen Wert erreicht, – dass in einem Ansaugtrakt (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) zwischen dem Lader (8) und der Verbrennungskraftmaschine (1) mindestens ein an einen Kühlmittelkreislauf (19, 20, 21, 22, 23, 24) angeschlossener Ladeluftkühler (10) angeordnet ist und die Steuerung (18) den Kühlmittelkreislauf (19, 20, 21, 22, 23, 24) beim Start der Verbrennungskraftmaschine (1) durch Abschalten einer Umwälzpumpe (21) unterbricht und – dass die Umwälzpumpe (21) abgeschaltet bleibt, solange das Bypassventil (15) geschlossen ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) die Umwälzpumpe (21) einschaltet, wenn die Temperatur den vorbestimmten Wert erreicht.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) einen mechanischen Lader (8) und ein zur Ladedruckregelung dienendes verstellbares Bypassventil (15) in einer Bypassleitung (14) des Laders (8) aufweist, wobei das Bypassventil (15) beim Start der Verbrennungskraftmaschine (1) geschlossen wird und beim Kaltstart und mindestens während eines Teils des Warmlaufs der Verbrennungskraftmaschine (1) geschlossen bleibt, um die in die Verbrennungskraftmaschine (1) zugeführte Verbrennungsluft durch Verdichtungsarbeit des Laders (8) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, – dass das Bypassventil (15) geöffnet wird, wenn eine Temperatur, nämlich eine Kühlmitteltemperatur der Verbrennungskraftmaschine (1) oder die Temperatur einer Abgasreinigungseinrichtung in einem Abgastrakt (4) der Verbrennungskraftmaschine (1), einen vorgegebenen Wert erreicht, – dass ein Kühlmittelkreislauf (19, 20, 21, 22, 23, 24) durch mindestens einen im Ansaugtrakt (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) zwischen dem Lader (8) und der Verbrennungskraftmaschine (1) angeordneten Ladeluftkühler (10) beim Kaltstart und mindestens während eines Teils des Warmlaufs der Verbrennungskraftmaschine (1) durch Abschalten einer Umwälzpumpe (21) unterbrochen wird, und – dass die Umwälzpumpe (21) abgeschaltet bleibt, solange das Bypassventil (15) geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (21) eingeschaltet wird, wenn die Temperatur einen vorbestimmten Wert erreicht.