DE102006004739B4

DE102006004739B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006004739B4
Application number: DE102006004739.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Pott Ekkehard; Marc-Jochen Schweizer; Dr. Ing. Hagelstein Dirk
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: DE102006004739A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei eine Ansaugluft vor dem Eintritt in einen Brennraum verdichtet und wahlweise über einen Ladeluftkühler geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lastanforderung eine Differenz zwischen einem für die Lastanforderung notwenigen Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck bestimmt wird, die Differenz mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird und wahlweise entweder die verdichtete Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei geleitet wird, wenn die Differenz größer als der Schwellwert ist, so dass bei großen Lastsprüngen oder Lastsprung-Anforderungen eine schnelle Reaktion der Brennkraftmaschine auf die Lastanforderung mit schnellem Aufbau des gewünschten Antriebsmomentes durch ein kleineres Volumen des Frischluftpfades erzielt werden kann; oder durch den Ladeluftkühler geleitet wird, wenn die Differenz kleiner oder gleich dem Schwellwert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine Ansaugluft vor dem Eintritt in einen Brennraum verdichtet und wahlweise über einen Ladeluftkühler geleitet wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei aufgeladenen Motoren ist es sinnvoll, die nach der Verdichtung erhitzte Luft vor Zuführung in den Brennraum zu kühlen, um z.B. Füllungs- und Klopfprobleme zu vermeiden. Dazu werden üblicherweise luft- oder wassergekühlte Ladeluftkühler (LLK) verwendet. Die Saugrohrvolumina vom Verdichterausgang bis zum Brennraumeintritt sind wegen der höheren Anzahl der zwischengeschalteten Komponenten üblicherweise deutlich größer als das Volumen zwischen Drosselklappe und Brennraumeintritt bei Saugmotoren. Lastsprung-Anforderungen, die üblicherweise eine Erhöhung der Brennraumfüllung bedeuten, können somit bei aufgeladenen Motoren mit LLK nur mit einer gewissen Verzögerung umgesetzt werden, da erst die großen Luftführungsvolumina befüllt werden müssen.
Aus der EP 1 336 736 A2 ist ein Ladeluftkühler mit integriertem Bypasspfad bekannt, wobei temperaturgesteuert mittels einer Klappensteuerung die Ladeluft wahlweise durch den Ladeluftkühler oder über den Bypasspfad geleitet wird.
Aus der DE 29 50 667 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler und Bypassleitung bekannt, wobei der Ein- und Ausgang des Ladeluftkühlers sowie die Bypassleitung mit jeweils einem Sperrventil wahlweise geöffnet oder geschlossen wird.
Aus der DE 198 09 412 A1 ist eine Sauganlage zur Verbrennungsluftversorgung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der zum Zu- bzw. Abschalten eines Ladeluftkühlers ein Mehrwegventil verwendet wird.
Aus der JP S61-58 918 A ist eine Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler und Bypassleitung bekannt, wobei der hohe Strömungswiderstand des Ladeluftkühlers durch die Bypassleitung umgangen werden kann und entsprechend eine bessere Beschleunigung der Brennkraftmaschine erzielbar ist.
Aus der JP 2002-147 244 A ist eine Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler und Bypassleitung bekannt, wobei der Bypass nur geöffnet wird, wenn ein Ladedruck einen bestimmten Wert überschreitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o.g. Art hinsichtlich des Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine bei Lastanforderung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einer Lastanforderung eine Differenz zwischen einem für die Lastanforderung notwenigen Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck bestimmt wird, die Differenz mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird und wahlweise entweder die verdichtete Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei geleitet wird, wenn die Differenz größer als der Schwellwert ist, oder durch den Ladeluftkühler geleitet wird, wenn die Differenz kleiner oder gleich dem Schwellwert ist.
Dies hat den Vorteil, dass bei großen Lastsprüngen bzw. Lastsprung-Anforderungen eine schnelle Reaktion der Brennkraftmaschine auf die Lastanforderung mit schnellem Aufbau des gewünschten Antriebsmomentes durch ein kleineres Volumen des Frischluftpfades erzielt werden kann.
Zweckmäßigerweise wird der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Sollmoment für die Lastanforderung, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, einem eingelegten Gang, einer Ladelufttemperatur, einem Ladedruck und/oder einem Umgebungsdruck vorbestimmt.
Beispielsweise wird aus der Lastanforderung zunächst ein Soll-Moment bestimmt und aus diesem Soll-Moment der Soll-Ladedruck bestimmt bzw. wird aus dem Soll-Moment eine Soll-Füllung der Brennkraftmaschine und aus dieser Soll-Füllung der Soll-Ladedruck bestimmt.
Zweckmäßigerweise wird die Umschaltung vom Leiten der verdichteten Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei zurück zum Leiten der verdichteten Ansaugluft durch den Ladeluftkühler hindurch in Abhängigkeit von einer Brennraumeintrittstemperatur der verdichteten Ansaugluft, dem Ist-Ladedruck und/oder zeitgesteuert durchgeführt.
Um ein unerwünschtes Klopfen der Brennkraftmaschine während die verdichtete Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei geleitet wird zu vermeiden, wird eine Brennraumeintrittstemperatur der verdichteten Ansaugluft bestimmt und bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes für die Brennraumeintrittstemperatur die verdichtete Ansaugluft wieder ganz oder teilweise über den Ladeluftkühler geleitet.
Beispielsweise wird die Ist-Brennraumeintrittstemperatur gemessen oder aus einem Modell ermittelt.
Für einen optimierten Übergang wird die Umschaltung vom Leiten der verdichteten Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei zum Leiten der verdichteten Ansaugluft durch den Ladeluftkühler hindurch stufenweise, insbesondere einstufig oder zweistufig, oder stufenlos durchgeführt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine, welche beispielsweise als Antriebsaggregat in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock 10 mit Arbeitszylindern 12 sowie einen Abgasturbolader 14 mit einem Verdichter 16 und einer Turbine 18. Den Arbeitszylindern 12 wird über eine Verbrennungsluftversorgung Frischluft bzw. Verbrennungsluft zugeführt. Die Verbrennungsluftversorgung umfasst ein Saugrohr 20, welches mit dem Saugeingang des Verdichters 16 verbunden ist, einen Ladeluftkühler 22, der über eine erste Ladeluftleitung 24 mit einem Druckausgang des Verdichters 16 und mit einer zweiten Ladeluftleitung 26 mit einer Drosselklappe 28 verbunden ist, eine Bypassleitung 30, die mit dem Ausgang des Verdichters 16 und der Drosselklappe 28 derart verbunden ist, dass diese den Ladeluftkühler 22 überbrückt, und eine dritte Ladeluftleitung 32, welche mit der Drosselklappe verbunden ist und die Ladeluft in die einzelnen Arbeitszylinder leitet. Der Ausdruck "Ladeluft" bezeichnet vorliegend Ansaugluft, die von dem Verdichter 16 verdichtet wurde. In der ersten Ladeluftleitung 24 ist ein erstes Sperrventil 34, in der zweiten Ladeluftleitung 26 ist ein zweites Sperrventil 36 und in der Bypassleitung 30 ist ein drittes Sperrventil 38 angeordnet.
Das aus den Arbeitszylindern 12 abzuführende Abgas wird über einen Abgaskrümmer 40 in die Turbine 18 des Abgasturboladers 14 geleitet und verlässt den Abgastrakt über einen Katalysator 42.
Die in 2 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine umfasst folgende Schritte:
In Schritt 100 wird eine Momentenanforderung an die Brennkraftmaschine registriert, d.h. ein Benutzer, beispielsweise ein Fahrer eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat eingebaut ist, fordert durch Betätigung eines Fahrpedals ein höheres Antriebsmoment an, als derzeit von der Brennkraftmaschine abgegeben wird. In Schritt 120 wird daraufhin ein der Momentenanforderung entsprechender Soll-Ladedruck bestimmt. Dieser wird in Schritt 140 mit einem Ist-Ladedruck 160 verglichen und eine Differenz gebildet. In Abhängigkeit von der so bestimmten Differenz zwischen Soll-Ladedruck aus Schritt 120 und Ist-Ladedruck 160 wird in Schritt 180 eines oder mehrere Ventile 34, 36, 38 im Frischluftpfad der Brennkraftmaschine derart eingestellt, dass die von einem Kompressor oder dem Abgasturbolader 14 verdichtete Ansaugluft (Ladeluft) wahlweise entweder über den Ladeluftkühler 22 oder den Bypasspfad 30, der den Ladeluftkühler 22 überbrückt, geleitet wird. Hierzu wird die in Schritt 140 bestimmte Differenz mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. In dem Fall, dass die Differenz den Schwellwert überschreitet, wird die Ladeluft über den Bypasspfad 30 geleitet, andernfalls über den Ladeluftkühler 22.
Die Stellung des bzw. der Ventile 34, 36, 38 wird ausgehend von Schritt 200 zusätzlich in Abhängigkeit von einer Ladelufttemperatur und/oder weiteren Parametern beeinflusst. So wird beispielsweise nach der Lastanforderung und der Umleitung der Ladeluft in den Bypasspfad 30 die Ladeluft wieder über den Ladeluftkühler 22 geleitet, wenn die Ladelufttemperatur oder eine Brennraumeintrittstemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht bzw. überschreitet, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne abgelaufen ist und/oder wenn ein gewünschter Soll-Ladedruck erreicht ist.
3 zeigt eine alternative, zweite beispielhafte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine, welche beispielsweise als Antriebsaggregat in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 sind keine Sperrventile in den Leitungen 24, 26 und 30 angeordnet, sondern je ein 2-3-Wegeventil 44 und 46 an den Anschlussstellen zwischen der Bypassleitung 30 mit der ersten und zweiten Ladeluftleitung 24 und 26.
Aufgrund der Umgehung des Ladeluftkühlers 22 über den Bypasspfad 30 wird durch das daraus resultierende geringere Volumen zwischen dem Ausgang des Verdichters 16 und dem Brennraumeintritt am stromabseitigen Ende der dritten Ladeluftleitung 32 ein spontanes Ansprechen der Aufladung erreicht. Die Ladeluft gelangt über den Bypasspfad 30 auf kürzestem Wege, ggf. unter Beachtung projektspezifischer konstruktiver Restriktionen, zum Brennraum der Arbeitszylinder 12. Das Volumen des Verbrennungsluftpfades zwischen dem Ausgang des Verdichters 16 und dem Brennraumeintritt am stromabseitigen Ende der dritten Ladeluftleitung 32 beträgt über den Bypasspfad 30 < 50%, vorzugsweise < 30%, ideal < 20%, optimal < 10% des Volumens des Verbrennungsluftpfades zwischen dem Ausgang des Verdichters 16 und dem Brennraumeintritt am stromabseitigen Ende der dritten Ladeluftleitung 32 über den Ladeluftkühler 22.
Optional wird der Bypasspfad 30 über ein zweistufig, mehrstufig oder vorzugsweise stufenlos schaltbares Sperrventil 38 wahlweise geöffnet oder geschlossen. Die Bypass-Schaltung wird zur transienten Optimierung des Momentenaufbaus genutzt. Dazu wird bei einer Lastanforderung ein Soll-Moment; somit eine Soll-Füllung der Brennkraftmaschine und ein Soll-Ladedruck definiert und die Differenz zum Ist-Ladedruck ermittelt. Überschreitet diese Differenz einen vorgebbaren Schwellwert (ggfs. abhängig von Sollmoment und Drehzahl, Gang, Ladelufttemperatur, Lade- und Umgebungsdruck etc.), wird die Ladeluft über den Bypasspfad 30 am Ladeluftkühler 22 vorbei geführt. Die Ladeluft strömt nahezu ungekühlt in die dritte Ladeluftleitung 32. Aufgrund der Bauteiletemperaturen und der thermischen Trägheit der Luftführung wird der Brennraumlufttemperaturanstieg leicht verzögert. Bei Überschreiten einer vorgebbaren gemessenen oder modellierten Brennraumeintrittstemperatur wird der Bypasspfad 30 ganz oder teilweise beispielsweise mittels der Sperrventile 34, 36, 38 oder mittels der Mehrwegventile 44, 46 verschlossen und der Ladeluftkühler-Zweig 24, 22, 26 geöffnet, so dass ein zunehmender Luftanteil über den Ladeluftkühler 22 geführt wird.
Der Ladeluftkühler-Pfad 24, 22, 26 wird gemäß der Ausführungsform von 1 über Sperrventile 34, 36 vor (stromauf) und nach (stromab) des Ladeluftkühlers 22 zu- oder abgeschaltet. Ebenso wird der Bypasspfad 30 über ein Sperrventil 38 wahlweise geöffnet oder verschlossen. Alternativ zu den Sperrventilen 34, 36, 38 sind an den Verzweigungspunkten vor (stromauf) und nach (stromab) des Ladeluftkühlers 22 2-3-Wegeventile 44, 46 eingesetzt. Die Stellung der Sperrventile 34, 36, 38 bzw. 2-3-Wegeventile 44, 46 wird beispielsweise in Abhängigkeit von der Brennraumeintrittstemperatur und/oder vom Ist-Ladedruck und/oder zeitgesteuert geregelt, wobei ein kurzzeitiges Überschreiten einer vorgebbaren maximalen Brennraumeintrittstemperatur ggf. zugelassen wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei eine Ansaugluft vor dem Eintritt in einen Brennraum verdichtet und wahlweise über einen Ladeluftkühler geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lastanforderung eine Differenz zwischen einem für die Lastanforderung notwenigen Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck bestimmt wird, die Differenz mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird und wahlweise entweder die verdichtete Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei geleitet wird, wenn die Differenz größer als der Schwellwert ist, so dass bei großen Lastsprüngen oder Lastsprung-Anforderungen eine schnelle Reaktion der Brennkraftmaschine auf die Lastanforderung mit schnellem Aufbau des gewünschten Antriebsmomentes durch ein kleineres Volumen des Frischluftpfades erzielt werden kann; oder durch den Ladeluftkühler geleitet wird, wenn die Differenz kleiner oder gleich dem Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Sollmoment für die Lastanforderung, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, einem eingelegten Gang, einer Ladelufttemperatur, einem Ladedruck und/oder einem Umgebungsdruck vorbestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Lastanforderung zunächst ein Soll-Moment bestimmt und aus diesem Soll-Moment der Soll-Ladedruck bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Soll-Ladedruckes aus dem Soll-Moment aus dem Soll-Moment zuerst eine Soll-Füllung der Brennkraftmaschine und aus dieser Soll-Füllung der Soll-Ladedruck bestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung vom Leiten der verdichteten Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei zurück zum Leiten der verdichteten Ansaugluft durch den Ladeluftkühler hindurch in Abhängigkeit von einer Brennraumeintrittstemperatur der verdichteten Ansaugluft, dem Ist-Ladedruck und/oder zeitgesteuert durchgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während die verdichtete Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei geleitet wird eine Brennraumeintrittstemperatur der verdichteten Ansaugluft bestimmt und bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes für die Brennraumeintrittstemperatur die verdichtete Ansaugluft wieder ganz oder teilweise über den Ladeluftkühler geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Brennraumeintrittstemperatur gemessen oder aus einem Modell ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung vom Leiten der verdichteten Ansaugluft an dem Ladeluftkühler vorbei zurück zum Leiten der verdichteten Ansaugluft durch den Ladeluftkühler hindurch stufenweise, insbesondere einstufig oder zweistufig, oder stufenlos durchgeführt wird.