DE102006049144B4 - Turbolader bei einem Motor mit veränderlichem Hubvolumen - Google Patents

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Abstract

Verbrennungsmotor (10) mit veränderlichem Hubvolumen, der gezielt deaktivierte Zylinder (14) aufweist, wobei der Motor (10) umfasst:zwei Turbolader (20, 22) mit jeweils einer Turbine und einem Verdichtereine die Turbinen beider Turbolader (20, 22) mit allen Motorzylindern (12, 14) verbindende Abgasanlage (16, 32, 34, 36, 38) undeine Drosselklappe (18) in der Abgasanlage (16, 32, 34, 36, 38) zum gezielten Lenken von Abgasen durch die Turbolader-Abgasturbinen, wobeidie zwei Turbolader (20, 22) jeweils mit einem von zwei parallel geführten Zweigen (34, 36) mit einem Abgaskrümmer (16) verbunden sind, der allen Motorzylindern (12, 14) gemeinsam eigen ist, undein erster (36) der zwei parallel geführten Zweige (34, 36) die Drosselklappe (18) enthält, die zum Drosseln von Strömung entlang des ersten Zweigs (36) dient, dadurch gekennzeichnet, dassein Querrohr (38) vorgesehen ist, das den ersten Zweig (36) stromabwärts der Drosselklappe (18) und stromaufwärts des mit dem ersten Zweig (36) verbundenen ersten Turboladers (22) mit einer Abgasausgabe des zweiten Turboladers (20) verbindet, der mit dem zweiten Zweig (34) verbunden ist, unddie Drosselklappe (18) abhängig von der Anzahl an deaktivierten Zylindern (14) gesteuert wird.

Description

  • Diese Erfindung betrifft Motoren mit veränderlichem Hubvolumen und insbesondere Anwendungen, die das Turboladen zum Verbessern von Leistung einschließen.
  • Jüngste Fortschritte bei der Motorentwicklung haben zur Herstellung von Motoren mit veränderlichem Hubvolumen bzw. VDEs (vom englischen Variable Displacement Engines) geführt. VDEs sind Verbrennungsmotoren mit der Fähigkeit, Zylinder gezielt zu deaktivieren, wenn die Leistungsabgabe nicht die Nutzung des vollen Motors fordert. Dies erzeugt eine kleinere Kapazität des arbeitenden Motors, daher der Begriff Motor mit veränderlichem Hubvolumen.
  • Das VDE-Konzept kann sowohl bei fremdgezündeten Motoren als auch bei Selbstzündungsmotoren eingesetzt werden und führt zu verbesserter Kraftstoffwirtschaftlichkeit vorrangig, wenn das Fahrzeug Reisegeschwindigkeit hat, beispielsweise auf Autobahnen. Abhängig von der Drehmomentforderung und der verfügbaren Hardware, können verschiedene Konfigurationen von Zylindern arbeiten. Zum Beispiel Motoren mit vier, sechs, acht, zehn und zwölf Zylindern, wobei so viele Zylinder deaktiviert werden, wie möglich ist.
  • Viele Motoren, insbesondere Dieselmotoren, verwenden einen Turbolader zum Erhöhen der Leistungsabgabe. Dies bringt das Problem mit sich, dass die Größe des Turboladers bezüglich des Volumens von Abgasen, die die Turbine antreiben, des Volumens an Luft, die sein Verdichter pumpen kann und der Druckverhältnisse, bei denen er am leistungsstärksten ist, durch die Motorgröße bestimmt wird. Wenn eine Anzahl an Zylindern deaktiviert wird, ist der gewählte Turbolader nicht länger ideal für die verbleibende Nutzleistung des Motors und beeinträchtigt daher die Leistungsresultate.
  • Eine in US 6 715 289 A1 vorgeschlagene Lösung sieht zwei Turbolader vor, die jeweils mittels ihres eigenen Abgaskrümmers mit der Hälfte der verfügbaren Zylinder eines fremdgezündeten Motors mit veränderlichem Hubvolumen verbunden sind. Bei diesem Motor kann eine Gruppe aus der Hälfte der gesamten Zylinder deaktiviert werden, und dadurch wird ein Turbolader gezielt deaktiviert und seiner Verdichterauslass vom Auslass des arbeitenden Turboladerverdichters isoliert. Bei dieser Auslegung wird die kombinierte Leistung beider Turbolader so gewählt, dass sie für die Höchstlast des Motors geeignet ist, aber in einem teilweise deaktivierten Modus wird ein Turbolader korrekt für die Hälfte der vollen Motorleistung gewählt.
  • Eine andere Lehre des Stands der Technik sieht einen Dieselmotor mit veränderlichem Hubvolumen mit einem Twin-Scroll-Turbolader vor. Ein Twin-Scroll-Turbolader hat zwei Spiralen in einem Turbinenrad mit zueinander verschiedenen Geometrien. In diesem Fall treiben die Abgase der ständig aktivierten Zylinder eine Spirale der Turbine an, und diejenigen Zylinder, die gezielt deaktiviert werden, treiben die andere Spirale an. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei Arbeiten des Motors mit einer verringerten Anzahl an Zylindern, die mit der entsprechenden Turbinenspirale verbunden sind, der Turbolader immer noch bei dem reduzierten Gasstrom durch die Turbine effizient arbeiten kann. Wenn alle Zylinder aktiviert sind, treibt ein größeres Abgasvolumen den Turbolader durch beide Turbinenspiralen an, was bedeutet, dass der Turbolader zum Zuführen von Luft zu allen Zylindern geeignet bemessen bleibt.
  • Der Nachteil dieser beiden Lehren ist, dass die Möglichkeit des veränderlichen Hubvolumens jedes Mal auf die gleiche Zylindergruppe beschränkt ist, was zu ungleichmäßigem Verschleiß der Zylinder führt.
  • Aus der DE 37 04 967 C1 ist darüber hinaus ein Motor bekannt, der sämtliche Merkmale aus dem Oberbegriff der Anspruchs 1 aufweist.
  • Die DE 100 15 291 A1 und die JP H01 - 190 921 A zeigen beide Motoren mit unveränderlichem Hubvolumen, die über eine Biturboaufladung mit einer spezifisch ausgebildeten Abgasanlage verfügen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor mit veränderlichem Hubvolumen an die Hand gegeben, der sämtliche im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale umfasst.
  • Bevorzugt unterscheiden sich die beiden Turbolader in der Strömungsleistung voneinander.
  • Vorteilhafterweise weist mindestens einer der Turbolader eine zweiflutige Turbine auf.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Drosselklappe ferner abhängig von einer oder mehreren von geforderter Pedalstellung, Krümmerdruck, Rate der Änderung der Drosselstellung, Fahrzeuggeschwindigkeit, Kraftstoffverbrauch und Motordrehzahl gesteuert werden.
  • Nun wird die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen weiter beschrieben. Hierbei zeigen:
    • 1, 2 und 3 schematische Darstellungen der Motoreinlass-, Motorauslass- und Turboladerkonfiguration während verschiedenen Betriebsarten mit veränderlichem Hubvolumen.
  • 1 zeigt einen Motor 10 mit veränderlichem Hubvolumen, der in einer Betriebsart mit reduziertem Hubvolumen arbeitet. In dieser Betriebsart bleiben zwei der vier Zylinder aktiv 12, während zwei andere, mit 14 bezeichnet, deaktiviert sind. Bei Deaktivieren bleiben die Ein- und Auslassventile zu dem Zylinder geschlossen und leisten keinen Beitrag zu den Abgasen.
  • Bei Betreiben von nur zwei Zylindern ist der Motor leistungsstärker, und somit ist es bevorzugt, dass er wann immer möglich in dieser Betriebsart läuft.
  • Bei herkömmlichen Turbodieselmotoren treiben Abgase den Turbolader an, der die in die Zylinder eindringende Luft verdichtet. Je mehr Luft und Kraftstoff in dem Zylinder verbrannt werden können, desto mehr Leistung kann der Motor erzeugen. Wenn aber die Technologie des veränderlichen Hubvolumens eingesetzt wird, sind die Abgase von (in diesem Beispiel) nur zwei Zylindern ungenügend, um den Turbolader in seinem Bereich nutzbarer Leistungsfähigkeit zu betreiben, da seine Größe normalerweise zur Verwendung mit allen verfügbaren Zylindern des Motors gewählt ist.
  • 1 zeigt eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Turbolader 20 und 22 verschiedener Größen mittels jeweiliger paralleler Zweige 34 und 36 mit einem Abgaskrümmer 16 verbunden sind, der allen Motorzylindern gemeinsam eigen ist. Der Zweig 36 enthält eine Drosselklappe 18, die zum Drosseln von Strömung entlang des Zweigs 36 zunehmend zwischen einer ungedrosselten und einer vollständig gedrosselten Stellung dient.
  • Die Abgasausgabe des Turboladers 20 ist mittels eines Querrohrs 38 mit dem Zweig 36 stromabwärts der Drosselklappe 18 und stromaufwärts des Turboladers 22 angeschlossen.
  • 1 zeigt die Drosselklappe 18 in ihrer vollständig geschlossenen Stellung, die ein Strömen von Abgas direkt zur Turbine des Turboladers 22 verhindert. In dieser Stellung strömen alle Abgase von den aktiven Zylindern durch die Turbine des kleineren Turboladers 20. Aufgrund seiner kleineren Größe kann der Turbolader 20 allein mit den von ihnen gelieferten verringerten Abgasen ausreichend verdichtete Luft für die aktiven Zylinder erzeugen.
  • Das Abgas vom Turbolader 20 strömt dann entlang des Querrohrs 38 durch die Turbine des Turboladers 22. Dort ist nicht ausreichend Gas vorhanden, damit der Turbolader 22 viel Luft verdichten kann, das Gas dort dient allein dazu, die Welle des Turboladers als Vorbereitung zu dessen Verwendung zum Erzeugen nutzbarer Verstärkung am Drehen zu halten. Es ist möglich, ein mit dem Turbolader 22 verbundenes (nicht dargestelltes) Ladedruckregelventil zu aktivieren, um den Gegendruck im Abgas zu senken.
  • Luft dringt in das Einlasssystem des Motors am Einlass zum Verdichter des Turboladers 22 ein. Wenn der Turbolader 22 wie vorstehend beschrieben stillsteht, tritt die Einlassluft lediglich bei gleichem Druck aus dem Verdichter aus, bei dem sie eindrang. Um die Strömungsdrosselung zu reduzieren, kann ein (nicht dargestelltes) Ventil zum Umgehen des Verdichters verwendet werden, wenn der Turbolader 22 keine Verdichtung liefert.
  • Luft von dem Verdichter des Turboladers 22 dringt dann in einen Ladeluftkühler 24 ein, wenngleich sie nicht wesentlich erwärmt sein wird, da in dieser Phase keine Verdichtung erfolgt ist. Die Luft strömt dann durch den Verdichter des Turboladers 20 und durch den Luftluftkühler 28, bevor sie in den Ansaugkrümmer 30 eindringt. Durch ein geschlossenes Rückschlagventil 26 wird die Luft daran gehindert, den Verdichter des Turboladers 20 zu umgehen. Das Ventil 26 ist geschlossen, da die Luft stromabwärts des Absperrventils einen höheren Druck als die vom Verdichter des Turboladers 22 kommende Luft stromaufwärts hat.
  • In 2 ist nur ein Zylinder 14 deaktiviert und drei Zylinder 12 liefern Abgase zum Abgaskrümmer 16. In diesem Fall ist die Drosselklappe 18 teilweise offen, um einen Teil von Abgasen an der Turbine des Turboladers 20 vorbei und direkt zur Turbine des Turboladers 22 strömen zu lassen. Da drei Zylinder 12 jetzt Abgase erzeugen, ist genügend Energie in den Abgasen vorhanden, um den Ladedruck beider Turbolader zu erzeugen.
  • An der Einlassseite wird in den Verdichter des Turboladers 22 eindringende Luft auf einen Druck über dem Atmosphärendruck verdichtet und dann im Ladeluftkühler 24 gekühlt. Wie zuvor beschrieben wird sie durch den Turbolader 20 weiter verdichtet, wobei sie wiederum durch das Rückschlagventil 26, das aufgrund der Druckdifferenz über diesem geschlossen bleibt, am Vorbeiströmen gehindert wird.
  • In 3 sind alle Zylinder aktiviert und die Drosselklappe 18 ist vollständig offen. In dieser Betriebsart strömt das meiste Abgas durch die Turbine des größeren Turboladers 22, da er eine kleinere Drosselung der Strömstrecke bietet.
  • An der Einlassseite erfolgt ein Großteil der Verdichtung durch den Turbolader 22. Wie in den beiden anderen Betriebsarten wird die Luft dann im Ladeluftkühler 24 gekühlt, der ein Luft-/Luft- oder Luft-/Wasser-Wärmetauscher sein kann. Da die Gasströmrate durch die Turbine des Turboladers 20 stark reduziert ist, weist sie nicht länger ausreichend Energie zum Verdichten von Luft über den Druck auf, auf den sie bereits durch den Turbolader 22 verdichtet wurde. Dadurch hat die Luft stromabwärts des Rückschlagventils 26 nicht länger einen höheren Druck als die aus dem Turbolader 22 austretende Luft. Dadurch öffnet das Rückschlagventil 26, um Luft am Verdichter des Turboladers 20 vorbeiströmen zu lassen. Luft strömt dann direkt durch den Ladeluftkühler 28 und in den Ansaugkrümmer 30, um alle vier aktivierten Zylinder zu versorgen.
  • In der obigen Ausführung haben die Turbolader verschiedene Größen. Wenngleich dies vorteilhaft ist, ist es nicht wesentlich, da die Erfindung in gleicher Weise funktionieren würde, wenn Turbolader gleicher Größe verwendet werden. Der einzige Unterschied ist, dass der Öffnungsgrad der Drosselklappe 18 geändert ist, um den geeigneten Betrag an Turboladung über beiden Turboladern vorzusehen. Bei der offenen Stellung der Drosselklappe 18 tragen beide Turbolader gleichermaßen zur Verdichtung der Luft bei, wenn der Druckabfall über ihren Turbinen im Wesentlichen gleich ist. Die Erfindung dient daher der Steuerung des Grads der Deaktivierung eines Turboladers als Reaktion auf die Anzahl aktiver Zylinder in einem Motor veränderlichen Hubvolumens.
  • Bei Betreiben mit zwei identischen Turboladern kann es weiterhin vorteilhaft sein, ein Rückschlagventil vorzusehen, damit Luft die von dem Verdichter des Turboladers 22 erzeugte Strömungsdrosselung vermeiden kann, auch wenn bei Stillstand dies keine zu große Drosselung wäre. Denn eine Strömungsdrosselung ändert das Druckverhältnis über dem Verdichterrad des Turboladers 20, und die folgende Verdichtung verstärkt die Wirkung der Drosselung.
  • Während die Erfindung das Steuern der Drosselklappe 18 als Reaktion auf die Anzahl aktiver Zylinder, die im Motor arbeiten, erfordert, schließt dies nicht aus, dass es zusätzlich in Abhängigkeit von anderen Betriebsparametern gesteuert wird. Die Steuerung der Klappe kann daher auch von der Drosselstellung, dem Krümmerdruck der Rate der Änderung der Drosselstellung, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Kraftstoffverbrauch und der Motordrehzahl abhängen. Auf diese Weise kann der geeignete Turbolader abhängig von der gewünschten Motorleistung verwendet werden. Die Steuerung wird in dem (nicht dargestellten) Motorsteuergerät gehandhabt, das typischerweise auch für das Klappendeaktivieren während des Betriebs mit veränderlichem Hubvolumen verantwortlich ist.
  • Wenn zum Beispiel die Drosselstellung anzeigt, dass 40% der gesamten Motorleistung erforderlich sind, während das Fahrzeug sich bei Reisegeschwindigkeit auf einer Autobahn bewegt, wobei es zwei der vier Motorzylinder nutzt, ist es effizienter, zum Vorsehen der Leistung weiter zwei Zylinder zu verwenden, statt alle Zylinder des Motors zu reaktivieren.
  • In einer solchen Situation kann der Motor in einer beliebigen Anzahl von Betriebsarten laufen, zum Beispiel zwei, drei oder vier Zylinder und mit jedem Grad an Turboladung. Ausgerüstet mit Informationen wie den vorstehend erwähnten Faktoren kann das Motorsteuergerät das beste Verfahren ermitteln, mit dem der Motor 40% Leistung liefern kann, indem es die wahrscheinliche Absicht des Fahrzeugfahrers voraussagt. Dies kann möglich sein, da die Änderungsgeschwindigkeit der Drosselstellung anzeigt, dass das Ziel von 40% wahrscheinlich vorübergehend vor einem höheren Ziel liegt, in welchem Fall es vorteilhaft wäre, alle Motorzylinder wieder einzusetzen. Wenn alternativ die Fahrzeuggeschwindigkeit bereits hoch ist, die Motordrehzahl niedrig ist (in einem hohen Gang), die Historie der Drosseleingabe ein Fahren auf der Autobahn nahe legt und die Drosselstellung geringfügig vergrößert wurde, um ein langsameres Fahrzeug zu überholen, würde das Motorsteuergerät wahrscheinlich ermitteln, dass der Motor in der Zweizylinder-Betriebsart bleiben könnte, und eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit wahren.

Claims (4)

  1. Verbrennungsmotor (10) mit veränderlichem Hubvolumen, der gezielt deaktivierte Zylinder (14) aufweist, wobei der Motor (10) umfasst: zwei Turbolader (20, 22) mit jeweils einer Turbine und einem Verdichter eine die Turbinen beider Turbolader (20, 22) mit allen Motorzylindern (12, 14) verbindende Abgasanlage (16, 32, 34, 36, 38) und eine Drosselklappe (18) in der Abgasanlage (16, 32, 34, 36, 38) zum gezielten Lenken von Abgasen durch die Turbolader-Abgasturbinen, wobei die zwei Turbolader (20, 22) jeweils mit einem von zwei parallel geführten Zweigen (34, 36) mit einem Abgaskrümmer (16) verbunden sind, der allen Motorzylindern (12, 14) gemeinsam eigen ist, und ein erster (36) der zwei parallel geführten Zweige (34, 36) die Drosselklappe (18) enthält, die zum Drosseln von Strömung entlang des ersten Zweigs (36) dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querrohr (38) vorgesehen ist, das den ersten Zweig (36) stromabwärts der Drosselklappe (18) und stromaufwärts des mit dem ersten Zweig (36) verbundenen ersten Turboladers (22) mit einer Abgasausgabe des zweiten Turboladers (20) verbindet, der mit dem zweiten Zweig (34) verbunden ist, und die Drosselklappe (18) abhängig von der Anzahl an deaktivierten Zylindern (14) gesteuert wird.
  2. Verbrennungsmotor (10) mit veränderlichem Hubvolumen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbolader (20, 22) sich in der Strömungsleistung voneinander unterscheiden.
  3. Verbrennungsmotor (10) mit veränderlichem Hubvolumen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Turbolader (20, 22) eine zweiflutige Turbine aufweist.
  4. Verbrennungsmotor (10) mit veränderlichem Hubvolumen nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (18) auch abhängig von einer geforderten Pedalstellung, einem Krümmerdruck, einer Rate der Änderung der Drosselstellung, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einem Kraftstoffverbrauch und/oder einer Motordrehzahl gesteuert wird.
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