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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Ansaugdrucks einer Verbrennungsmaschine, insbesondere Dieselmotor, mit einem Abgasturbolader.
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Verbrennungsmaschinen, wie zum Beispiel Dieselmotoren, werden häufig mit Abgasturboladern ausgerüstet. Diese weisen eine von dem Abgas angetriebene Turbine auf, die mit einem Verdichter gekoppelt ist. Der Verdichter verdichtet die Ansaugluft zur Erhöhung eines Ansaugdrucks in einer Ansaugleitung für die Verbrennungsmaschine, wodurch zum Beispiel ein Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs mit der Verbrennungsmaschine und eine Reduzierung des Energieverbrauchs erreicht werden.
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Der Abgasturbolader kann jedoch nicht in jedem Betriebszustand der Verbrennungsmaschine ausreichend Luft fördern und somit einen genügenden Ansaugdruck erzeugen. Zur Lösung dieses Problems sind Abgasturbolader mit variabler Geometrie vorgeschlagen worden, bei welchen zum Beispiel Leitschaufeln für Turbine/Verdichter in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand bzw. -daten/parametern der Verbrennungsmaschine verstellbar sind. Nachteilig dabei ist jedoch, dass ein Abgasturbolader mit variabler Geometrie kosten- und teileaufwändig ist. Weiterhin kann er sehr wartungsintensiv sein, was die Betriebskosten eines Fahrzeugs erhöht. Zudem kann ein Abgasturbolader mit variabler Geometrie auch nicht immer die von der Verbrennungsmaschine benötigte Luftmenge liefern. Insbesondere in einem so genannten instationären Bereich, wie zum Beispiel Beschleunigen, treten Probleme auf. Ist der Abgasturbolader für einen solchen instationären Bereich optimiert, so weist er im stationären Betrieb, zum Beispiel bei Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit bzw. Motordrehzahl, einen schlechten Wirkungsgrad und damit verbundenen hohen Kraftstoffverbrauch auf.
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Weiterhin weisen Kolbenmaschinen wie Dieselmotoren mit Abgasturbolader zum Beispiel einen Betriebszustand beim Beschleunigen auf, der als „Turboloch” bezeichnet wird. Hierbei reagiert die Verbrennungsmaschine beim Gasgeben mit einer Drehzahlerhöhung erst nach einer bestimmten Verzögerungszeit, in welcher keine Abgasenergie, d. h. auch kein genügender Abgasdruck, zum Antrieb des Abgasturboladers und somit keine komprimierte Ansaugluft mit entsprechendem Ansaugdruck zur Verfügung steht. Zur Überbrückung dieses „Turbolochs” sind Lösungsvorschläge gemacht worden, welche die Offenlegungsschriften
DE 10 2006 008 783 A1 und
DE 10 2006 785 A1 beschreiben. Hierbei wird Druckluft, zum Beispiel aus einem Druckluftspeicher, gesteuert in die Ansaugleitung der Verbrennungsmaschine eingeleitet, um bei erhöhtem Ansaugluftbedarf der Verbrennungsmaschine diesen zu decken. Dieses erfolgt mittels eines Bauteils, welches in der Ansaugleitung zwischen dem Verdichter des Turboladers bzw. einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Zwischenkühler und dem Ansaugkrümmer angeordnet ist, und welches einen Druckluftanschluss mit einer Mengenregeleinrichtung und eine gesteuerte Klappe aufweist. Bei Zuführung von Druckluft durch die Mengenregeleinrichtung wird die gesteuerte Klappe geschlossen, so dass die Druckluft nicht in den Verdichter des Abgasturboladers entgegen der Ansaugrichtung, sondern gerichtet in die Ansaugleitung strömt. Bei Beenden der Druckluftzufuhr wird diese Klappe wieder geöffnet. Eine Regelung des Ansaugdrucks einer Verbrennungsmaschine, insbesondere bei einem zu hohen Verdichterdruck des Abgasturboladers, wird nicht beschrieben.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Regeln eines Ansaugdrucks einer Verbrennungsmaschine bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile behoben beziehungsweise bedeutend verringert und weitere Vorteile geschaffen sind.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass in der Ansaugleitung zwischen dem Verdichter des Abgasturboladers bzw. einem nachgeschaltetem Zwischenkühler und dem Ansaugkrümmer der Verbrennungsmaschine ein Stellelement in einem Stellabschnitt zur Beeinflussung des Querschnitts der Ansaugleitung in Abhängigkeit vom Ansaugdruck der Verbrennungsmaschine vorgesehen ist.
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Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass dieses Stellelement den Querschnitt des Stellabschnitts der Ansaugleitung verkleinert, wenn der Verdichter des Abgasturboladers eine für den aktuellen Betriebszustand zu großen Luftmenge mit einem zu hohen Druck liefert. Somit kann der Ansaugdruck in Strömungsrichtung hinter dem Stellelement durch dessen Stellung beeinflusst werden, insbesondere in Abhängigkeit vom Ansaugdruck, der mit einer geeigneten Messeinrichtung gemessen wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sowohl ein Abgasturbolader mit fester Geometrie als auch mit veränderlicher Geometrie verwendbar ist, wodurch sich der Einsatzbereich der Erfindung erweitert.
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Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In bevorzugter Ausführung wird das Ermitteln des Ansaugdrucks mittels mindestens eines Drucksensors in Strömungsrichtung hinter dem Stellelement vorgenommen. Es ist dabei weiterhin bevorzugt, dass mittels eines in Strömungsrichtung vor dem Stellelement angeordneten weiteren Drucksensors ein Verdichterdruck gemessen wird.
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Diese Drucksensoren können vorteilhaft ein einem Bauelement, nämlich der Stellabschnitt, angeordnet sein, welches das Stellelement aufnimmt. Somit ist nur ein geringer Bauraum notwendig.
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Die von den Drucksensoren erfassten Messwerte werden von der Steuereinheit empfangen, können an ein bestimmtes Format zur Weiterverarbeitung angepasst werden. Sie werden mit Sollwerten verglichen, die mit aktuellen Betriebsparametern bzw. -daten der Verbrennungsmaschine korrespondieren. Die aktuellen Betriebsdaten werden durch Kommunizieren mit einem Motorsteuergerät der Verbrennungsmaschine erhalten. Die Steuereinheit kann dazu auch direkt mit korrespondierenden Messmitteln kommunizieren. Aus den aktuellen Betriebsdaten werden zum Beispiel anhand gespeicherter Tabellenwerte und/oder Rechenalgorithmen die zu dem aktuellen Betriebszustand der Verbrennungsmaschine korrespondierenden Sollwerte für den jeweiligen zu regelnden Ansaugdruck ermittelt und mit den aktuellen Messwerten verglichen. Aus dem Vergleich ergibt sich eine Differenz, die zur Erzeugung von Stellsignalen verwendet wird. Ist die Differenz gleich Null, so werden keine Stellsignale erzeugt. Die Stellsignale werden zur Steuerung einer Verstelleinheit für das Stellelement benutzt. Es können zum Beispiel sein: Strom, Spannung, Impulsfolge usw.
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In einer weiteren Ausführung ist die Steuereinheit mit Messeinrichtungen an der Verbrennungsmaschine verbunden, welche Daten, zum Beispiel Druck, Massenstrom, Temperatur usw., liefern, die nicht nur für die Steuereinheit sondern auch für das Motorsteuergerät von Bedeutung sind. Die Steuereinheit kann diese Daten an das Motorsteuergerät, mit dem sie verbunden ist, zum Beispiel über einen Datenbus, weiterleiten. Dadurch wird Verkabelungsaufwand gespart, wobei auch eine Datenübermittlung zuverlässiger ausgebildet werden kann.
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Durch Vergleich der zu den aktuellen Betriebsdaten korrespondierenden Sollwerte mit den aktuellen Ansaugdruckwerten verstellt die Steuereinheit bei einem zu hohen aktuellen Ansaugdruck das Stellelement für eine Verkleinerung des Querschnitts des Stellabschnitts. Bei einem zu niedrigen aktuellen Ansaugdruck wird das Stellelement für eine Vergrößerung des Querschnitts des Stellabschnitts verstellt. Damit ist eine einfache Regelung des Ansaugdrucks der Verbrennungsmaschine möglich. Ein zu hoher Verdichterdruck mit einem zu großen Massenstrom wird durch Verkleinerung des Querschnitts durch eine entsprechende verkleinernde Position des Stellelementes, das zu Beipiel eine Klappe sein kann, in einfacher Weise reduziert.
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In einer alternativen Ausführung kann bei einem zu niedrigen aktuellen Ansaugdruck und einem zu niedrigen Verdichterdruck zusätzliche Druckluft in die Ansaugleitung eingeblasen werden, wobei das Stellelement zum Verhindern einer Rückströmung in den Verdichter für eine Verkleinerung des Querschnitts des Stellabschnitts von der Steuereinheit gesteuert verstellt wird. Beim Beenden des Zuführens von Druckluft wird das Stellelement für eine Vergrößerung des Querschnitts des Stellabschnitts verstellt. Dazu weist der Stellabschnitt in Strömungsrichtung hinter dem Stellelement einen Zusatzkanal zum geregelten zeitweiligen Zuführen von Druckluft in Abhängigkeit von Betriebsdaten der Verbrennungsmaschine auf. wobei wird. Das Zuführen von Druckluft kann auch abhängig von anderen Betriebsdaten ausgeführt werden, zum Beispiel zum Beheben des oben erwähnten „Turbolochs”.
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Eine Vorrichtung zur Regelung eines Ansaugdrucks einer Verbrennungsmaschine, insbesondere Dieselmotor, mit einem Abgasturbolader, weist Folgendes auf:
einen Stellabschnitt zur Verbindung der Ansaugleitung der Verbrennungsmaschine mit einem Verdichter des Abgasturboladers;
ein in dem Stellabschnitt angeordnetes Stellelement mit einem Verstellantrieb zur Veränderung eines Querschnitts des Stellabschnitts;
einen ersten Drucksensor zur Messung eines aktuellen Verdichterdrucks eines Verdichters des Abgasturboladers,
einen zweiten Drucksensor zur Messung des aktuellen Ansaugdrucks in der Ansaugleitung der Verbrennungsmaschine; und
eine Steuereinheit zum Vergleich von Messdaten der Drucksensoren mit Sollwerten, die zu aktuellen Betriebsdaten der Verbrennungsmaschine korrespondieren, und zur Erzeugung von Stellsignalen zur Verstellung des Stellelementes mit dem Verstellantrieb zur Regelung des Ansaugdrucks in Abhängigkeit von den Messdaten der Drucksensoren und aktuellen Betriebsdaten der Verbrennungsmaschine. Für eine besonders vorteilhafte Regelung ist es zweckdienlich, wenn das Stellelement durch einen Verstellantrieb stufenlos mit Positionsrückmeldung verstellbar ist. Aber selbstverständlich können die Einstellpositionen des Stellelementes auch abgestuft ausgeführt sein.
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In einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass der Stellabschnitt einen Zusatzkanal zum Einlass von Druckluft aufweist. Dadurch wird eine kombinierte, vorteilhafte Vorrichtung zur Regelung des Ansaugdrucks zur Anpassung an die Betriebszustände der Verbrennungsmaschine und der Stellabschnitt als ein Frischluftleitungsabschnitt einer Einrichtung zur Frischluftversorgung zum gesteuerten Einblasen von Druckluft geschaffen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungsmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Vorrichtung zur Regelung eines Ansaugdrucks der Verbrennungsmaschine; und
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Stellabschnitts der Vorrichtung.
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Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungsmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 9 und einer Vorrichtung zur Regelung eines Ansaugdrucks P3 in einer Ansaugleitung 3 der Verbrennungsmaschine 1. Die Verbrennungsmaschine 1 ist in diesem Beispiel ein Dieselmotor mit sechs Zylindern 2, der Ansaugleitung 3 und einer Abgasleitung 4. Die Ansaugleitung 3 ist über einen Stellabschnitt 10 mit einem Verdichter 12 des Abgasturboladers 9 verbunden, welcher über einen Luftfilter 7 am Lufteinlass 5 für Frischluft FL mit einem Einlassdruck P1 angeschlossen ist. Der Verdichter 12 des Abgasturboladers 9 ist mit einer Abgasturbine 13 gekoppelt, welche in der Abgasleitung 4 vor einem Abgasauslass 6 für Abgas AG der Verbrennungsmaschine 1 angeordnet ist und von dem Abgas AG angetrieben wird. Der Verdichter 12 erzeugt bei Betrieb der Verbrennungsmaschine 1 in Abhängigkeit von deren Abgasmenge und -druck einen Verdichterdruck P2.
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In diesem Beispiel ist der Stellabschnitt 10 weiterhin mit einer Druckluftleitung 11 zur Zuführung von Druckluft DL verbunden. Die Druckluft DL ist zum Beispiel in einem Druckluftbehälter gespeichert und/oder wird von einer Druckluftanlage (nicht gezeigt) erzeugt. Zum Beispiel kann dieses eine in einem Nutzfahrzeug vorhandene Drucklufterzeugungsanlage oder eine zusätzliche Anlage sein.
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Ein Motorsteuergerät 8 ist mit Einspritzanlagen der Zylinder 2 verbunden. Hierzu ist nur eine Steuerleitung 14 symbolisch angedeutet. Eine weitere Verbindung 15 ist an einer Steuereinheit 16 des Stellabschnitts 10 angeschlossen. Das Motorsteuergerät 8 steuert die Verbrennungsmaschine 1 in bekannter Weise und wird nicht weiter erläutert. Über die Verbindung 15 erhält es weitere Messdaten von der Steuereinheit 16, was weiter unten noch im Detail erläutert wird.
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Der Stellabschnitt
10 ist in diesem Beispiel ein Frischgas- bzw. Frischluftleitungsabschnitt, wie er in der
DE 10 2006 008 783 A1 und
DE 10 2006 008 785 A1 im Zusammenhang mit einer zugehörigen Drucklufterzeugung beschrieben wird. Auf eine ausführliche Erläuterung wird daher hier verzichtet.
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Der Stellabschnitt 10 ist zusammen mit zugehörigen Funktionseinheiten in 2 in einer Längsschnittansicht in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.
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Der Stellabschnitt 10 besteht aus einem rohrförmigen Körper, welcher mit seiner rechten Seite mit einem Einströmabschnitt 28 für eine Frischlufteinströmung 17 mit dem Verdichter 12 des Abgasturboladers 9 (siehe 1) verbunden ist. In Strömungsrichtung (in der 2 von rechts nach links) ist weiterhin ein Stellelement 20 in Form einer Klappe um eine Drehachse 21 schwenkbar angeordnet. Das Stellelement 20 ist mit einer Verstelleinheit 22 und einem Positionsgeber 23 gekoppelt. Mit dem Stellelement 20 ist der Durchgangsquerschnitt des rohrförmigen Körpers des Stellabschnitts 10 und somit die Einströmung 17 veränderlich ausgebildet. In diesem Beispiel ist die Verstelleinheit 22 für eine stufenlose Verstellung des Stellelementes 20 ausgebildet.
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Im linken Bereich des Stellabschnitts 10 ist ein Ausströmabschnitt 29 angeordnet, welcher mit der Ansaugleitung 3 für eine Ausströmung 18 verbunden ist (siehe 1) und in welchem der Ansaugdruck P3 herrscht. In dem Ausströmabschnitt 29 ist in diesem Beispiel an der Unterseite ein Zusatzkanal 27 angeordnet, wobei der Zusatzkanal 27 mit einem Ende mit dem Ausströmabschnitt 29 kommuniziert. Das andere Ende des Zuführabschnitts 27 ist mit einem Ventil 30 verbunden, welches hier als Elektromagnetventil ausgebildet ist und mit seiner Anschlussseite für eine Drucklufteinströmung 19 der Druckluftleitung 11 (siehe 1) ausgebildet ist.
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Der Stellabschnitt 10 weist außerdem in Strömungsrichtung vor dem Stellelement 20 im Einströmabschnitt 28 und in Strömungsrichtung hinter dem Stellelement 20 im Ausströmabschnitt 29 jeweils einen Messkanal 26 auf. An jedem Messkanal 26 ist eine Messeinrichtung 24, 25 angeschlossen, welche in diesem Beispiel jeweils ein Drucksensor ist.
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Die Steuereinheit 16 des Stellabschnitts 10 ist mit der Verstelleinheit 22 und dem Positionsgeber 23 des Steuerelementes 20, den Messeinrichtungen 24, 25 und mit den Ventilen 30 und 37 verbunden. Weiterhin ist sie mit dem Motorsteuergerät 8 verbunden und besitzt einen Anschluss 31 für weitere Anbindungen, wie zum Beispiel Drucksensoren, Temperatursensoren usw. der Abgasleitung und/oder des Abgasturboladers oder an anderer Stelle.
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Die Funktion dieser Vorrichtung wird nun beschrieben.
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Wenn der Ansaugdruck P3 auf Grund einer bestimmten Betriebsbedingung der Verbrennungsmaschine 1 abnimmt, wird diese Betriebsbedingung von Sensoren der Verbrennungsmaschine 1, wie zum Beispiel Sensoren für Drehzahl, Druck, Temperatur festgestellt. Diese Messwerte sind im Motorsteuergerät 8 und – bei Vorhandensein eines Bussystems im Fahrzeug – auf diesem Bus verfügbar und von der Steuereinheit 16 abrufbar, zum Beispiel über die Verbindung 15 mit dem Motorsteuergerät 8 und/oder über den Anschluss 31. Die Steuereinheit 16 ermittelt nun anhand dieser aktuellen Betriebsdaten eine zu diesem aktuellen Betriebszustand korrespondierenden Sollwert für den Ansaugdruck P3 der Verbrennungsmaschine 1.
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Der aktuelle Wert des Ansaugdrucks P3 wird von dem zweiten Drucksensor 25 ermittelt und der Steuereinheit 16 übergeben. Der zugehörige aktuelle Wert des Verdichterdrucks P2 wird von dem ersten Drucksensor 25 ermittelt und ebenfalls der Steuereinheit 16 übergeben. Die Steuereinheit 16 vergleicht nun den aktuellen Wert des Ansaugdrucks P3 mit dem anhand der Betriebsdaten ermittelten Sollwert. Dieser kann auch in Tabellenform in einer Speichervorrichtung abgelegt sein. Auch ein Berechnen mittels eines geeigneten Algorithmus ist möglich.
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Wird der aktuelle Wert des Ansaugdrucks P3 nach diesem Vergleich von der Steuereinheit 16 als zu hoch erachtet, dass heißt, eine Differenz zwischen aktuellem Ansaugdruck P3 und Sollwert ist zum Beispiel größter als Null, so erzeugt sie ein Stellsignal und gibt dieses an die Verstelleinheit 22 zur Verstellung des Stellelementes 20, welches den Querschnitt des Einströmabschnitts 28 in Abhängigkeit von dem aktuellen zu hohen Ansaugdruck P3 verkleinert. Dadurch erhöht sich zwar der Verdichterdruck P2 vor dem Stellelement 20, aber die durchgelassene Luftmenge nimmt ab, so dass der Ansaugdruck P3 abnimmt, bis die Differenz zwischen aktuellem Ansaugdruck P3 und Sollwert zu Null wird. Durch die Steuereinheit 16 kann so ein für den jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungsmaschine 1 optimaler Ansaugdruck P3 geregelt werden. Dazu dient auch der Positionsgeber 23, welcher eine aktuelle Position des Stellelementes 20 an die Steuereinheit 16 übergibt, woraus sich, zum Beispiel wieder über gespeicherte Tabellenwerte, eine durchgelassenen Luftmenge vom Einströmabschnitt 29 berechnen bzw. ermitteln lässt. Dadurch wird Kraftstoffverbrauch reduziert und das Leistungsvermögen der Verbrennungsmaschine 1 verbessert.
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Ist der Ansaugdruck P3 zu niedrig, so steuert die Steuereinheit 16 das Stellelement 20 so, dass sich der Querschnitt des Einströmabschnitts 29 vergrößert und der Ansaugdruck P3 zunimmt, bis die Differenz wieder zu Null wird.
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In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Anschluss der Druckluftleitung 11 ergibt sich für den Fall, dass der Verdichterdruck P2 – gemessen durch den ersten Drucksensor 24 – zu niedrig ist, dass das Ventil 30 geöffnet und Druckluft DL als Drucklufteinströmung 19 durch den Zusatzkanal 27 in der Stellabschnitt 10 und somit in die Ansaugleitung 3 zur Erhöhung des Ansaugdrucks P3 eingeblasen wird. Dabei wird von der Steuereinheit 16 gleichzeitig das Stellelement 20 so angesteuert, dass es durch Verkleinerung bzw. Schließung des Querschnitts des Einströmabschnitts 29 eine Rückströmung der Drucklufteinströmung 19 in den Einströmabschnitt 29 verhindert.
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Durch eine gezielte Einstellung des Stellelementes 20 und auch des Ventils 30 ist es möglich, den Ansaugdruck P3 mittels gemessener Druckwerte in der Ansaugleitung 3 so zu regeln, dass für den jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungsmaschine 1 der zugehörige Ansaugdruck P3 geregelt wird. Auch zum Beheben eines so genannten „Turbolochs” zum Beispiel beim Beschleunigen kann die Druckluftzufuhr unabhängig von der Regelung des Ansaugdrucks P3 verwendet werden, wie oben angegeben ist.
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Das Ventil 30 kann auch pneumatisch oder elektro-pneumatisch steuerbar sein.
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Die Steuereinheit 16 kann auch ein Bestandteil des Motorsteuergeräts 8 sein.
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Weiterhin kann die Steuereinheit 16 mit Messeinrichtungen der Verbrennungsmaschine 1 verbunden sein, welche Messwerte über Druck, Temperatur, Massenstrom usw. liefern. Diese Werte müssen für die Steuereinheit 16 nicht relevant sein. Sie kann diese aber zum Beispiel bearbeiten, anpassen und/oder an das Motorsteuergerät 8 weiterleiten. Dabei entfallen zum Beispiel die zugehörigen Installationsarbeiten von Kabeln, wodurch Kosten gespart werden.
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Das Stellelement 20 kann zum Beispiel als Klappe oder anders ausgebildet sein. Beispielsweise könnte ein Stellventil verwendet werden, wobei aber dessen Stellzeit zu beachten ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Ansaugleitung
- 4
- Abgasleitung
- 5
- Lufteinlass
- 6
- Abgasauslass
- 7
- Luftfilter
- 8
- Motorsteuergerät
- 9
- Abgasturbolader
- 10
- Stellabschnitt
- 11
- Druckluftleitung
- 12
- Verdichter
- 13
- Abgasturbine
- 14
- Steuerleitung
- 15
- Verbindung
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Frischlufteinströmung
- 18
- Ausströmung
- 19
- Drucklufteinströmung
- 20
- Stellelement
- 21
- Drehachse
- 22
- Verstelleinheit
- 23
- Positionsgeber
- 24
- Erster Drucksensor
- 25
- Zweiter Drucksensor
- 26
- Messkanal
- 27
- Zusatzkanal
- 28
- Einströmabschnitt
- 29
- Ausströmabschnitt
- 30
- Ventil
- 31
- Anschluss
- AG
- Abgas
- DL
- Druckluft
- FL
- Frischluft
- P1
- Einlassdruck
- P2
- Verdichterdruck
- P3
- Ansaugdruck
