DE102008008723B4

DE102008008723B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Druckluft und zum Einblasen derselben bei einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008008723B4
Application number: DE102008008723A
Authority: DE
Inventors: Mathias Mayr
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2028-02-13
Also published as: US8479514B2; CA2715088A1; WO2009100883A1; US20110041496A1; DE102008008723A1; MX2010008770A

Abstract

Verfahren zum Erzeugen von Druckluft und Einblasen derselben bei einer Verbrennungskraftmaschine (2), insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Abgasturbolader (3), welches folgende Verfahrensschritte aufweist: (i) Ermitteln von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine (2) zum Bestimmen von Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine (2); (ii) Erzeugen von Druckluft durch die Verbrennungskraftmaschine (2) anhand der ermittelten Betriebsparameter in einem verbrennungslosen Betriebszustand und Speichern der erzeugten Druckluft; und (iii) Einblasen der gespeicherten Druckluft in die Verbrennungskraftmaschine (2) anhand der ermittelten Betriebsparameter in einem Verbrennungsbetriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (2) zur Druckerhöhung in einem Ansaugtakt, wobei das Erzeugen von Druckluft mittels zumindest eines ersten Zylinders (I...VII) der Verbrennungskraftmaschine (2) erfolgt, welcher sowohl im Verbrennungsbetrieb betrieben werden kann als auch im verbrennungslosen Betrieb zur Drucklufterzeugung betrieben werden kann, sowie mittels zumindest eines zusätzlichen Zylinders (VIII) der Verbrennungskraftmaschine (2), welcher sowohl im Verbrennungsbetrieb des zumindest einen ersten Zylinders (I...VII) als auch im verbrennungslosen Betrieb des zumindest einen ersten Zylinders (I...VII) nur zur Druckerzeugung vorgesehen ist, erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Druckluft und Einblasen derselben bei einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Abgasturbolader.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen, zum Beispiel Kolbenmaschinen wie Dieselmotoren, mit Abgasturbolader weisen zum Beispiel einen Betriebszustand beim Beschleunigen auf, der als „Turboloch” bezeichnet wird. Hierbei reagiert die Verbrennungskraftmaschine 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 kein komprimiertes Frischgas 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 Verbrennungskraftmaschine eingeleitet, um bei erhöhtem Frischgasbedarf der Verbrennungskraftmaschine diesen zu decken. Dieses erfolgt mittels eines Bauteils, welches in der Ansaugleitung zwischen dem Verdichter des Turboladers und dem Ansaugkrümmer angeordnet ist, und welches einen Druckluftanschluss und eine gesteuerte Klappe aufweist. Bei Zuführung von Druckluft wird die gesteuerte Klappe geschlossen, so dass die Druckluft nicht in den Verdichter des Abgasturboladers, sondern gerichtet in die Ansaugleitung strömt.
Bei Motoren mit Abgasrückführung ist es zudem wünschenswert, neben dem Abgas immer noch ausreichend Frischluft dem Motor zuzuführen, um die Dynamik des Motors nicht zu gefährden. Auch hier vermag der Abgasturbolader nur dann ausreichend Frischluft zuführen, wenn er von einer hinreichenden Abgasströmung betrieben wird.
Die aktive Lufteinblasung vermag auch hier zur Verbesserung der Motordynamik signifikant beitragen.
Die zur Lufteinblasung erforderliche Druckluft kann bei Fahrzeugen mit einer Druckluftbremsanlage von dieser bereitgestellt werden, zum Beispiel in einem separaten Druckluftbehälter, der von der Bremsanlage getrennt ist.
Problematisch wird die Lufteinblasung im Falle von Fahrzeugen, die keine Druckluft mit sich führen.
Der Motor selbst kann als Drucklufterzeuger gestaltet werden, was heute Stand der Technik ist. Bekannt sind Systeme, die gezielt bestimmte Zylinder temporär nicht mit Kraftstoff versorgen und die so vom Kolben verdichtete Luft in einen Vorratsbehälter abführen.
DE 198 49 914 C1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem separat betätigbaren Zusatzventil im Zylinderkopf.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen von Druckluft und Einblasen derselben bei einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, wobei die obigen Nachteile behoben beziehungsweise bedeutend verringert sind und weitere Vorteile geschaffen sind.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in einer systemtechnischen Kombination, dass in einem verbrennungslosen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit dieser Druckluft erzeugt wird, die dann gespeichert und in einem darauf folgenden Verbrennungsbetrieb für eine raschere Druckerhöhung ein einem Ansaugtakt wieder verwandt wird.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass ein Schubbetrieb eines Kraftfahrzeugs ausgenutzt wird, um dadurch Druckluft zu erzeugen. Dies ist besonders vorteilhaft beim Nichtvorhandensein einer Druckluftbremsanlage mit all ihren Komponenten.
Im Schubbetrieb, der durch die Betriebsparameter von im Fahrzeug häufig schon vorhandenen Sensoren bzw. einer vorhandenen Motorsteuerung eindeutig zu bestimmen ist, wird das Erzeugen von Druckluft mittels zumindest eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt, welchem im verbrennungslosen Betriebszustand kein Kraftstoff zugeführt wird. Dies kann nur ein einziger Zylinder sein, der zum Beispiel besonders zur Druckerzeugung vorgesehen ist und der nur bei hoher Belastung der Verbrennungskraftmaschine als zusätzlicher Zylinder hinzugeschaltet werden kann. Es ist aber auch möglich, dass alle Zylinder gemeinsam ohne Kraftstoff nur Ansaugluft komprimieren, die dann mittels eines gesteuerten Ventils einer gemeinsamen Abgasleitung entnehmbar ist. Die Abgasleitung kann in diesem Fall durch geeignete Mittel, wie zum Beispiel eine Drosselklappe, zum Beispiel Motorbremse, im Querschnitt verengt werden, um eine größere Luftmengenausbeute zu erreichen.
Das Ventil wird von einer Steuereinheit gesteuert, die mit der Motorsteuerung bzw. Sensoren zusammenwirkt, um zum richtigen Zeitpunkt dieses Entnahmeventil zu öffnen, welches dann im geöffneten Zustand eine Verbindung mit einem Druckluftbehälter herstellt, in dem die entnommene erzeugte Druckluft gespeichert wird. Das Ventil kann auch nur bei einem Zylinder angeschlossen sein und/oder bei allen, um eine große Variationsmöglichkeit von Drucklufterzeugungs- und -speicherungsmengen zu erhalten.
Die gespeicherte Luft steht zur gesteuerten Einblasung im nächsten Beschleunigungsvorgang der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung. Solange alle Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zur Drucklufterzeugung benutzt werden, können schon kurzzeitige Schubbetriebsphasen des Fahrzeugs, in welchem die Verbrennungskraftmaschine eingebaut ist, hinreichend sein, um ausreichende Mengen an Druckluft für die Einblasung zu erzeugen.
In einem repetierenden Betrieb, das heißt Schubphasen werden von Beschleunigungsphasen abgelöst und umgekehrt, ist die Speicherung der Druckluft nur kurzzeitig notwendig. Es besteht hier nicht der Anspruch an die Druckluflerzeugung, immer ausreichend Druckluft zur Verfügung stellen zu müssen, wie das zum Beispiel bei einer Druckluftbremsanlage der Fall ist. Die Speicherung der Druckluft für die Lufteinblasung muss speziell bei nur kurzzeitiger Speicherzeit nicht so aufwändig gestaltet sein wie die Druckluftspeicherung bei einer Druckluftbremsanlage. Insbesondere eine Lufttrocknung ist verzichtbar, solange das anfallende Kondenswasser aus dem Vorratsbehälter beispielsweise durch einen Wasserabscheider abgeführt wird. Die Verbrennungskraftmaschine kann vorteilhafterweise grundsätzlich mit nicht getrockneter Luft versorgt werden.
In einer weiteren Ausführung ist die Gaszuführeinrichtung ein Frischgasleitungsabschnitt einer Einrichtung zur Frischluftversorgung zum gesteuerten Einblasen von Druckluft. Hierbei ergibt sich eine Kombination der Vorteile der Drucklufteinblasung hinsichtlich des so genannten „Turbolochs” als auch der verbesserten Abgasrückführung.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 2 mit einem Abgasturbolader 3 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Druckluft und Einblasung derselben ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 2 ist in dem dargestellten Beispiel ein Dieselmotor mit acht Zylindern I bis VIII, einer Ansaugleitung 9 und einer Abgasleitung 10. Ein Lufteinlass 7 ist über einen Luftfilter 11 mit einer Ansaugluftvorwärmung 12 verbunden, der an einem Verdichter 5 des Abgasturboladers 3 angeschlossen ist. Daran schließt sich eine Gaszuführeinrichtung 13 an, welche in die Ansaugleitung 9 mündet. Der Verdichter 5 des Abgasturboladers 3 ist mit einer Abgasturbine 4 des Abgasturboladers 3 über eine Kopplung 6, zum Beispiel eine Welle, gekoppelt. Die Abgasturbine 4 ist in der Abgasleitung 10 vor einem Abgasauslass 8 für Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 angeordnet und wird von einer Abgasströmung angetrieben.
Die Gaszuführeinrichtung 13 weist hier einen Anschluss mit einem Einblasventil 27 zur Zuführung von gespeicherter Druckluft aus einem Druckluftbehälter 14 über eine Einblasleitung 14 auf. Der Druckluftbehälter 14 ist an die Einblasleitung 24 über einen Wasserabscheider 19 zur Abscheidung von Kondenswasser aus der Druckluft angeschlossen.
Gespeist wird der Druckluftbehälter 14 über eine Sammeldruckleitung 23, welche hier mit einem Ausgang eines Druckleitungsventils 25 und einem Ausgang eines Abzweigleitungsventils 26 kommuniziert. Das Druckleitungsventil 25 ist über eine Druckleitung 21 mit einem Auslass des Zylinders VIII der Verbrennungskraftmaschine 2 verbunden, wohingegen das Abzweigleitungsventil 26 über eine Abzweigdruckleitung 22 mit der Abgasleitung der Zylinder I bis VII kommuniziert. Der Zylinder VIII ist hier als zusätzlicher Zylinder ausgebildet, der über eine Saugleitung 20 mit der Ansaugleitung 9 in Verbindung steht und nur zur Drucklufterzeugung vorgesehen sein kann. Er kann aber auch zusätzlich zu den anderen Zylinder I bis VII bei besonderer Belastung der Verbrennungskraftaschine 2 als Arbeitszylinder hinzugeschaltet und mit Kraftstoff versorgt werden. In diesem Fall ist sein Auslass auch mit der Abgasleitung 10 (hier nicht gezeigt) verbunden, wie leicht vorstellbar ist.
Ein nicht gezeigtes Motorsteuergerät ist mit Einspritzanlagen der Zylinder I bis VIII verbunden. Das Motorsteuergerät steuert die Verbrennungskraftmaschine in bekannter Weise und wird nicht weiter erläutert.
Die Gaszuführeinrichtung 13 ist in diesem Beispiel ein Frischgasleitungsabschnitt, 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.
Die Funktion dieser Vorrichtung 1 wird nun beschrieben.
Aus Datenwerten des Motorsteuergeräts oder von einer Buseinrichtung beispielsweise ermittelt eine Steuereinheit 28 im Vergleich mit vorher festgelegten Schwellwerten die Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine 2. Liegt ein Schubbetrieb vor, wird kein Kraftstoff in die Zylinder I bis VIII gefördert, welche nun nur Luft aus der Ansaugleitung 9 ansaugen und komprimieren. Im Ausstoßtakt wird das Abzweigleitungsventil 26 und auch das Druckleitungsventil 25 von der Steuereinheit 28 aufgesteuert, und die erzeugte Druckluft wird über die Sammeldruckleitung 23 in den Druckluftbehälter 14 geleitet. In den anderen Takten der Verbrennungskraftmaschine 2 bleiben die Ventile 25 und 26 geschlossen. Der Druckluftbehälter 14 kann in nicht dargestellter, üblicher Weise mit einem Rückschlagventil versehen, welches verhindert, dass die in ihm gespeicherte Druckluft entweichen kann.
Bei Beginn eines Beschleunigungszustands der Verbrennungskraftmaschine 2, der über die oben erläuterte Verbindung der Steuereinheit 28 ermittelt wird, steuert diese das Einblasventil 27 zu einem geeigneten Zeitpunkt im Ansaugtakt der Zylinder I bis VIII auf, um so eine Druckerhöhung durch die gespeicherte Druckluft aus dem Druckluftbehälter 14 zu bewirken.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
So ist es beispielsweise denkbar, dass der Druckluftbehälter 14 von einer zweiten Drucklufterzeugungsquelle gespeist wird, die hier in Form eines Kompressors 15 mit einem Antrieb 16, der zum Beispiel ein Elektromotor sein kann, ausgerüstet ist. Der Kompressor 15 ist mit einer Kompressorsaugleitung 17 mit der Atmosphäre verbunden. Seine Druckseite ist an den Druckluftbehälter 14 über eine Kompressordruckleitung 18 und ein nicht gezeigtes Rückschlagventil angeschlossen. Mit diesem Kompressor 15 kann es zum Beispiel vor einem Start der Verbrennungskraftmaschine 2 möglich sein, den Druckluftbehälter 18 mit Druckluft soweit aufzufüllen, dass die gespeicherte Druckluft beim Start der Verbrennungskraftmaschine 2 unterstützend wirkt.
Zum Beispiel kann dieser Kompressor 15 auch stellvertretend für eine in einem Nutzfahrzeug vorhandene Drucklufterzeugungsanlage oder eine zusätzliche Anlage sein.
Die Ventile können auch pneumatisch oder elektro-pneumatisch steuerbar sein.
Die Gaszuführeinrichtung 13 kann ein Frischgasleitungsabschnitt der in der DE 10 2006 008 783 A1 und DE 10 2006 008 785 A1 beschriebenen Drucklufteinrichtung sein und mit dieser gekoppelt sein.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abgasturbolader
4: Abgasturbine
5: Verdichter
6: Kopplung
7: Lufteinlass
8: Abgasauslass
9: Ansaugleitung
10: Abgasleitung
11: Luftfilter
12: Ansaugluftvorwärmung
13: Gaszuführeinrichtung
14: Druckluftbehälter
15: Kompressor
16: Kompressorantrieb
17: Kompressorsaugleitung
18: Kompressordruckleitung
19: Wasserabscheider
20: Saugleitung
21: Druckleitung
22: Abzweigdruckleitung
23: Sammeldruckleitung
24: Einblasleitung
25: Druckleitungsventil
26: Abzweigleitungsventil
27: Einblasventil
28: Steuereinheit
I...VIII: Zylinder

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Druckluft und Einblasen derselben bei einer Verbrennungskraftmaschine (2), insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Abgasturbolader (3), welches folgende Verfahrensschritte aufweist: (i) Ermitteln von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine (2) zum Bestimmen von Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine (2); (ii) Erzeugen von Druckluft durch die Verbrennungskraftmaschine (2) anhand der ermittelten Betriebsparameter in einem verbrennungslosen Betriebszustand und Speichern der erzeugten Druckluft; und (iii) Einblasen der gespeicherten Druckluft in die Verbrennungskraftmaschine (2) anhand der ermittelten Betriebsparameter in einem Verbrennungsbetriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (2) zur Druckerhöhung in einem Ansaugtakt, wobei das Erzeugen von Druckluft mittels zumindest eines ersten Zylinders (I...VII) der Verbrennungskraftmaschine (2) erfolgt, welcher sowohl im Verbrennungsbetrieb betrieben werden kann als auch im verbrennungslosen Betrieb zur Drucklufterzeugung betrieben werden kann, sowie mittels zumindest eines zusätzlichen Zylinders (VIII) der Verbrennungskraftmaschine (2), welcher sowohl im Verbrennungsbetrieb des zumindest einen ersten Zylinders (I...VII) als auch im verbrennungslosen Betrieb des zumindest einen ersten Zylinders (I...VII) nur zur Druckerzeugung vorgesehen ist, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen von Druckluft im verbrennungslosen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (2) ein Querschnitt einer Abgasleitung (10) mittels einer Drosselvorrichtung reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Druckluft über zumindest ein gesteuertes Ventil (25, 26) in einem Druckluftbehälter (14) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblasen der gespeicherten Druckluft durch gesteuertes Einschalten eines Einblasventils (27) anhand der ermittelten Betriebsparameter erfolgt.
Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Druckluft und Einblasung derselben bei einer Verbrennungskraftmaschine (2), insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Abgasturbolader (3), welche Folgendes aufweist: zumindest einen ersten Zylinder (I...VII) der Verbrennungskraftmaschine (2), welcher sowohl im Verbrennungsbetrieb betrieben werden kann als auch im verbrennungslosen Betrieb zur Drucklufterzeugung betrieben werden kann, zumindest einen zusätzlichen Zylinder (VIII) der Verbrennungskraftmaschine (2) zur Drucklufterzeugung, welcher sowohl im Verbrennungsbetrieb des zumindest einen ersten Zylinders (I...VII) als auch im verbrennungslosen Betrieb des zumindest einen ersten Zylinders (I...VII) nur zur Druckerzeugung vorgesehen ist; einen Druckluftbehälter (14) zur Speicherung von Druckluft; zumindest ein Ventil (25), welches einen Auslass des zumindest einen zusätzlichen Zylinders (VIII) mit dem Druckluftbehälter (14) verbindet, oder zumindest ein Ventil (25) und zumindest ein weiteres Ventil (26), welches einen Auslass des zumindest einen ersten Zylinders (I...VII) mit dem Druckluftbehälter (14) verbindet, wenn die Verbrennungskraftmaschine (2) in einem verbrennungslosen Betriebszustand ist; ein Einblasventil (27), welches den Druckluftbehälter (14) mit einer Ansaugleitung (9) der Verbrennungskraftmaschine (2) zur Einblasung von gespeicherter Druckluft verbindet, wenn die Verbrennungskraftmaschine (2) in einem Beschleunigungszustand ist; und eine Steuereinheit (28) zur Erfassung von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine (2) zur Bestimmung von Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine (2), und zur Steuerung der Ventile (25, 26, 27).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasleitung (10) der Verbrennungskraftmaschine (2) über ein Abzweigventil (26) mit dem Druckluftbehälter (14) im verbrennungslosen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (2) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckluftbehälter (14) ein Wasserabscheider (19) zur Entwässerung der Druckluft zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblasventil (27) über eine Gaszuführeinrichtung (13), die in der Ansaugleitung (9) angeordnet ist, zur Einblasung von Druckluft angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführeinrichtung (13) ein Frischgasleitungsabschnitt einer Einrichtung zur Frischluftversorgung zum gesteuerten Einblasen von Druckluft ist.