DE102008037642A1 - Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschine mit variablem Ladedruck - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung sieht eine fremdgezündete Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschine mit variablem Ladedruck vor. Eine Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl verbindet den Maschinenausgang mit einem Kompressor. Die Maschine umfasst einen Kraftstoffsensor, der ein Signal an einen Maschinen-Controller oder Maschinen-Controller bereitstellt, das die Kraftstoffart bestimmt. Der Maschinen-Controller empfängt auch Signale von einem Luftmassensensor, einem Einlasskrümmer-Luftdrucksensor, einem Kurbelwinkelsensor, einem Nockenwellenwinkelsensor, einem Sauerstoffsensor im Abgasstrom und einem Getriebe-Controller. Der Maschinen-Controller liefert Steuersignale an ein Zündmodul, an eine Kraftstoffeinspritzanlage, an eine elektronische Drosselklappensteuerung, an einen Kompressorantriebscontroller und an den Getriebe-Controller.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/956 528, eingereicht am 17. August 2007. Der Offenbarungsgehalt der obigen Anmeldung ist hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
  • Gebiet
  • Die vorliegende Offenlegung betrifft eine Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschine und im Spezielleren eine Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschine mit variablem Ladedruck.
  • Hintergrund
  • Die Angaben in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation in Bezug auf die vorliegende Offenlegung und können den Stand der Technik darstellen oder nicht.
  • Brennkraftmaschinen, insbesondere jene Konfigurationen, die in Personenkraftfahrzeug- und Leicht-Lastkraftwagenanwendungen verwendet werden, waren Gegenstand ausgiebiger und angestrengter Entwicklungsbemühungen. Eines der jüngeren Ergebnisse dieser Bemühungen befasst sich mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine als eine Vielstoffmaschine, d. h. eine Maschine, die mit vielen verschiedenen Kraftstoffen arbeitet, meist Benzin und E85 (ein Gemisch aus 85 Prozent Ethanol (Ethylalkohol) und 15 Prozent Benzin). Während eine Vielstoffmaschine gegenwärtig bestimmte Vorteile im Hinblick auf Kraftstoffökonomie und das größere Problem der Abhängigkeit von fremdem Öl besitzt, gibt es betriebliche Probleme, die Gegenstand beträchtlicher moderner Forschung und Entwicklung sind.
  • Zum Beispiel besitzen fremdgezündete Brennkraftmaschinen, die mit Ethanol oder E85 arbeiten, eine bessere Klopffestigkeit, wenn sie bei weit geöffneter Drosselklappe oder Volllastbedingungen arbeiten, als dieselbe Maschine, wenn sie mit Benzin betrieben wird. Da eine Vielstoffmaschine naturgemäß mit vielen verschiedenen Kraftstoffen arbeiten muss, ist sein Betrieb mit Ethanol sehr oft beeinträchtigt. Die Verbesserung der Leistung und Effizienz einer mit Ethanol betriebenen Vielstoffmaschine ist daher ein vordringliches Ziel, auf das die Erfindung gerichtet ist.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Erfindung sieht eine fremdgezündete Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschine mit variablem Ladedruck vor. Eine Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl verbindet den Maschinenausgang mit einem Kompressor. Die Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl kann entweder eine stufenlose oder eine abgestufte, z. B. eine zweistufige, Vorrichtung sein. Der Einlasskrümmer kann auch eine Kompressorumgehungsleitung umfassen, die den Luftkanal oberstromig des Kompressors mit dem Einlassluftsammler unterstromig des Kompressors selektiv verbindet.
  • Die Maschine umfasst einen Kraftstoffsensor, der ein Signal an einen Hauptmaschinen-Controller liefert, der die Kraftstoffart bestimmt. Der Hauptmaschinen-Controller empfängt auch Signale von einem Luftmas sensensor, einem Einlasskrümmer-Luftdrucksensor, einem Kurbelwellenwinkelsensor, einem Nockenwellenwinkelsensor, einem Sauerstoffsensor im Abgasstrom und einem Getriebe-Controller. Der Hauptmaschinen-Controller liefert Steuersignale an ein Zündmodul, eine Kraftstoffeinspritzanlage, eine elektronische Drosselklappensteuerung, einen Kompressorantriebscontroller und den Getriebe-Controller.
  • Wenn die Brennkraftmaschine mit Benzin betrieben wird, wird der Betrieb des Kompressors im Allgemeinen in gewissem Maß eingeschränkt sein. Tatsächlich kann es bei Niedriglast- und -drehzahlbedingungen wünschenswert sein, den Kompressor zu entkuppeln, um jede Einlasskrümmerverstärkung zu verhindern.
  • Wenn der Maschinen-Controller erfasst, dass die Maschine mit Ethanol, E85 oder einer anderen Ethanol/Benzin-Mischung betrieben wird, wird diese Information in Verbindung mit weiteren Signalen verwendet, um einen Zielladedruck festzulegen. Der tatsächliche Krümmerdruck oder ein Signal, das die Drehzahl des Kompressors darstellt, kann als Rückkopplungssignal für die Kompressordrehzahlsteuerung verwendet werden. Die maximalen Kompressorladeniveaus für jeden Kraftstoff als eine Funktion der Maschinendrehzahl sind in einem Speicher in dem Maschinen-Controller gespeichert. Wenn das erwünschte Maschinendrehmoment hoch genug ist, werden die Kompressordrehzahl und -aufladung erhöht, indem die Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl verstellt wird, um den volumetrischen Wirkungsgrad der Maschine auf ein Niveau zu verstärken, das den Kraftstoffoktaneigenschaften besser entspricht.
  • Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine fremdgezündete Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschine zur Verwendung in Kraftfahrzeugen vorzusehen.
  • Weitere Ziele, Vorteile und Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die Beschreibung und spezielle Beispiele nur Illustrationszwecken dienen sollen und den Umfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken sollen.
  • Zeichnungen
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich Illustrationszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenlegung in keiner Weise einschränken.
  • 1 ist eine schematische Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform einer Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung mit variablem Ladedruck gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnitts einer weiteren Ausführungsform einer Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung mit variablem Ladedruck gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachfolgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenlegung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen nicht einschränken.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist eine erste Ausführungsform einer fremdgezündeten Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung mit variablem Ladedruck gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vielstoff-Brennkraftmaschinenanordnung 10 umfasst eine Maschine 12 mit typischerweise vier, sechs oder acht Kolben und Zylindern und eine Kurbelwelle oder Ausgangswelle 14, die ein mehrstufiges, typischerweise automatisches Getriebe 16 direkt antreibt, das wiederum eine Achsantriebsanordnung (nicht veranschaulicht) antreibt. Funktionell mit der Brennkraftmaschine 12 verbunden ist eine Zündanlage 18, die von einem Hauptmaschinen-Controller 20 gesteuert ist. Der Hauptmaschinen-Controller 20 liefert auch Daten an einen Getriebe-Controller 22, eine Kraftstoffeinspritzanlage 24, eine elektronische Drosselklappensteuerung 26 und einen Kompressorantriebscontroller 28 und steuert diese. Die Kraftstoffeinspritzanlage 24 kann entweder eine Einlasskanal- oder Direkt(In-Zylinder)-Einspritzanlage sein.
  • Der Hauptmaschinen-Controller 20 empfängt auch eine Vielzahl von Datensignalen von: einem Nockenwellenwinkelsensor 32, einem Abgas(Sauerstoff)-Sensor 34, einem Kurbelwellenwinkelsensor 36, einem Kraftstoffsensor 38, einem Einlasskrümmer-Luftdruck(MAP)-Sensor 42 und einem Luftmassen(MAF)-Sensor 44. Der Luftmassensensor 44 ist in einem Lufteinlasskanal 46 oberstromig einer Drosselklappenanordnung 48 angeordnet. Unterstromig der Drosselklappenanordnung 48 befindet sich ein Kompressor 50, der über eine Antriebsanordnung 52 mit variabler Drehzahl von der Kurbelwelle oder Ausgangswelle 14 der Brennkraftmaschine 12 durch geeignete Riemenscheiben 54 und einen Riemen 56 oder eine andere mechanische Verbindung angetrieben ist. Alternativ kann dem Kompressor 50 Energie von einem Elektromotor (nicht veranschaulicht) oder einer Kombination aus der Maschine 12 und dem Elektromotor zugeführt werden.
  • Die Antriebsanordnung 52 mit variabler Drehzahl kann eine stufenlose sein oder kann einen abgestuften oder zweistufigen Betrieb vorsehen: einen direkten Antrieb und einen festen Drehzahlanstieg. Daher kann sie eine CVT- oder Planetenrad-Antriebsanordnung umfassen, die elektrisch oder hydraulisch gesteuert ist. In jedem Fall wird der typische maximale Drehzahlverhältnisanstieg in der Größenordnung von 1 zu 2,5 bis 1,0 zu 4,0 liegen, wenngleich ein niedrigeres minimales (Drehzahlanstieg-)Verhältnis oder ein höheres maximales (Drehzahlanstieg-)Verhältnis durch bestimmte Anwendungen vorgegeben sein kann. Die Einlass-(Ansaug)-Seite des Kompressors 50 ist mit dem Lufteinlasskanal 46 verbunden und die Auslass(Druck)-Seite des Kompressors 50 ist mit einem Einlasskrümmer 58 verbunden, in dem sich der Einlasskrümmer-Luftdrucksensor 42 befindet.
  • Kraftstoff in einer Kraftstoffleitung 62 wird an den Kraftstoffsensor 38 und somit an die Kraftstoffeinspritzanlage 24 bereitgestellt und diese/r Kraftstoff und Luft von dem Einlasskrümmer 58 wird an die Brennkraftmaschine 12 bereitgestellt. Ein Auslasskrümmer 64, der an der Maschine 12 befestigt ist, enthält den Abgassensor 34 und leitet Abgase zu einem Abgassystem (nicht veranschaulicht).
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 ist eine partielle Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer fremdgezündeten Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung mit variablem Ladedruck gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und allgemein durch die Bezugsziffer 100 bezeichnet. In der weiteren Ausführungsform der fremdgezündeten Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung mit variablem La dedruck 100 erstreckt sich ein Umgehungskanal 102 von dem Abschnitt des Lufteinlasskanals 46 unterstromig der Drosselklappenanordnung 48 und dem Einlasskrümmer 58 weg und kommuniziert zwischen diesen. Ein Zweipositions- oder voll dosierbares Umgehungsventil 104 ist von dem Hauptmaschinen-Controller 20 (in 1 veranschaulicht) gesteuert und steuert die Luftmenge, die den Kompressor 50 umgeht. Das Umgehungsventil 104 ist besonders nützlich, um die Luftströmung in Verbindung mit einer zweistufigen Antriebsanordnung 52 mit variabler Drehzahl zu steuern. Ein Primärluftkanal 106 kommuniziert zwischen dem Ausgang des Kompressors 50 und dem Einlasskrümmer 58. Schließlich kann ein Kompressordrehzahlsensor 108 verwendet werden, um Daten oder ein Signal an den Hauptmaschinen-Controller 20 in Bezug auf die Drehzahl der Welle (nicht gezeigt) des Kompressors 50 bereitzustellen. Es sollte einzusehen sein, dass jene Komponenten der ersten Ausführungsform der fremdgezündeten Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung mit variablem Ladedruck 10, die in 1 veranschaulicht ist, in 2 jedoch nicht veranschaulicht ist, nichtsdestoweniger Komponenten sind, die in der weiteren, in 2 veranschaulichten Ausführungsform 100 enthalten sind und verwendet werden, und dass sie auf dieselbe Weise funktionieren wie die in 1 veranschaulichten Komponenten.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 1 und 2 wird nun der Betrieb einer fremdgezündeten Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung mit variablem Ladedruck 10 und 100 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Kraftstoff wird in der Kraftstoffleitung 62 dem Kraftstoffsensor 38 zugeführt, der Daten oder ein Signal an den Hauptmaschinen-Controller 20 bereitstellt, aus denen bestimmt wird, welche Art von Kraftstoff oder Mischung von Kraftstoffen augenblicklich an die Brennkraftmaschinenanordnung 10 bereitgestellt wird. Alternativ kann der Hauptmaschinen-Controller 20 einen Softwarealgorithmus enthalten, der auf der Basis erfasster Maschinen- und Betriebszustände die Art von Kraftstoff oder Mischung bestimmt. Wenn bestimmt wird, dass der Kraftstoff Benzin ist, wird der Betrieb des Kompressors 50 typischerweise auf höchstens einen Hochlast-, Hochdrehzahlbetrieb begrenzt. Der maximale Ladedruck für Benzin als eine Funktion der Maschinendrehzahl ist in dem Speicher in dem Hauptmaschinen-Controller 20 gespeichert. In vielen Anwendungen mit Benzin kann das Umgehungsventil 104 verwendet und geöffnet werden und der Betrieb des Kompressors 50 kann abgeschaltet werden, um jegliche Einlasskrümmerdruckverstärkung zu vermeiden.
  • Wenn der Kraftstoffsensor 38 Daten erfasst oder bereitstellt, die das Vorhandensein und Relativverhältnis von Ethanol angeben, legt der Hauptmaschinen-Controller 20 in Verbindung mit weiteren Datensignalen einen Zielladedruck fest. Der von dem Einlasskrümmer-Luftdrucksensor 42 erfasste Einlasskrümmerdruck oder ein Signal von dem Kompressordrehzahlsensor 108 kann als Rückkopplungssignal verwendet werden, um die Drehzahl des Kompressors 50 und somit den Druck in dem Einlasskrümmer 58 zu steuern. Die maximal zulässigen Ladedrücke für jede Art oder Mischung von Kraftstoff als eine Funktion der Maschinendrehzahl sind in dem Speicher in dem Hauptmaschinen-Controller 20 gespeichert.
  • Wenn Ethanol im Kraftstoff vorhanden ist und das gewünschte Drehmoment der Maschinen 12 ausreichend hoch ist, wird die Drehzahl des Kompressors 50 von den Benzin zugeordneten Drehzahlen erhöht, indem die Antriebsanordnung 52 mit variabler Drehzahl gesteuert wird, um den Druck der an den Einlasskrümmer 58 gelieferten Luft zu erhöhen, um den volumetrischen Wirkungsgrad der Maschine 12 auf ein Niveau zu verstärken, das den Oktaneigenschaften des Kraftstoffes besser entspricht. Ein Einlasskrümmerdruck (Ladedruck) im Bereich von 2,5 bar bis 3,0 bar absolut ist für Kraftstoffe, die Ethanol enthalten, und viele Betriebszustände geeignet, wenngleich einzusehen sein sollte, dass dieser Bereich lediglich beispielhaft vorgesehen ist und dass verschiedene Betriebszustände und -parameter wie auch unterschiedliche Leistungsziele diesen Bereich typischerweise erweitern werden. Außerdem werden die durch die Zündanlage 18 gesteuerte Zündverstellung und die durch die Kraftstoffeinspritzanlage 24 gesteuerte Dauer der Kraftstoffeinspritzimpulse, beide über die Steuerung des Hauptmaschinen-Controllers 20, in Übereinstimmung mit der zusätzlichen Luftströmung und der Kraftstoffart angepasst. Schließlich wird der Hauptmaschinen-Controller 20 typischerweise Befehle an den Getriebe-Controller 22 erzeugen, um das Schaltpunktprogramm des automatischen Getriebes 16 und das Überbrückungsprogramm eines Drehmomentwandlers (nicht gezeigt) anzupassen, um die Fahrzeugleistung und die Kraftstoffökonomie zu optimieren.
  • Die vorhergehende Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur, und Abwandlungen, die nicht von dem wesentlichen Inhalt der Erfindung abweichen, sollen innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem Geist und dem Umfang der Erfindung zu betrachten.

Claims (20)

  1. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung, die in Kombination umfasst: eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasskrümmer und einer Ausgangswelle, einen Kompressor mit einer Eingangswelle und einem Ausgang, der an den Einlasskrümmer bereitgestellt wird, eine Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl, die funktionell zwischen der Ausgangswelle und der Eingangswelle angeordnet ist, eine Vielzahl von Sensoren mit zumindest einem Kraftstoffsensor und einem Luftmassensensor, einen Hauptmaschinen-Controller mit einer Vielzahl von Eingängen zum Empfangen von Daten von der Vielzahl von Sensoren und zumindest einem Ausgang zum Steuern der Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl.
  2. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl einen verstellbaren Drehzahlerhöhungsabschnitt und einen Steuerabschnitt zum Empfangen des zumindest einen Ausgangs des Hauptmaschinen-Controllers umfasst.
  3. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Sensoren ferner einen Einlasskrümmer-Luftdrucksensor und einen Sauerstoffsensor umfasst.
  4. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Sensoren ferner einen Kurbelwinkelsensor und einen Nockenwellenwinkelsensor umfasst.
  5. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, ferner mit einem automatischen Getriebe und einem Getriebe-Controller, der mit dem Hauptmaschinen-Controller verbunden ist.
  6. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, ferner mit einer Kraftstoffeinspritzanlage und einer Zündanlage, die mit dem Hauptmaschinen-Controller verbunden sind.
  7. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl eine zweistufige oder eine stufenlose ist.
  8. Fremdgezündete Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung, die in Kombination umfasst: eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasskrümmer und einer Ausgangswelle, einen Kompressor mit einer Eingangswelle und einem Ausgang, der an den Einlasskrümmer geliefert wird, eine verstellbare Antriebsanordnung, die funktionell zwischen der Ausgangswelle und der Eingangswelle angeordnet ist, eine Funkenzündanlage, eine Vielzahl von Sensoren mit zumindest einem Kraftstoffsensor, einem Luftmassensensor und einem Kurbelwellenwinkelsensor, einen Hauptmaschinen-Controller mit Eingängen zum Empfangen von Daten von der Vielzahl von Sensoren und Ausgängen zum Steu ern der verstellbaren Antriebsanordnung und der Funkenzündanlage.
  9. Fremdgezündete Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, wobei die verstellbare Antriebsanordnung einen Drehzahlerhöhungsabschnitt und einen Steuerabschnitt zum Empfangen des eines der Ausgänge des Hauptmaschinen-Controllers umfasst.
  10. Fremdgezündete Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Sensoren ferner einen Einlasskrümmer-Luftdrucksensor und einen Sauerstoffsensor umfasst.
  11. Fremdgezündete Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Sensoren ferner einen Nockenwellenwinkelsensor umfasst.
  12. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, ferner mit einem automatischen Getriebe und einem Getriebe-Controller, der mit dem Hauptmaschinen-Controller verbunden ist.
  13. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, ferner mit einer Kraftstoffeinspritzanlage, die mit dem Hauptmaschinen-Controller verbunden ist.
  14. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, wobei die verstellbare Antriebsanordnung eine zweistufige oder eine stufenlose ist.
  15. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, ferner mit einer elektronischen Drosselklappensteuerung, und wobei der Hauptmaschinen-Controller einen Ausgang umfasst, der mit der elektronischen Drosselklappensteuerung verbunden ist.
  16. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung, die in Kombination umfasst: eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasskrümmer, einer Kraftstoffeinspritzanlage und einer Ausgangswelle, einen Kompressor mit einer Eingangswelle und einem Ausgang, der an den Einlasskrümmer geliefert wird, eine Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl, die funktionell zwischen der Ausgangswelle und der Eingangswelle angeordnet ist, eine Vielzahl von Sensoren mit zumindest einem Kraftstoffsensor und einem Luftmassensensor, einen Hauptmaschinen-Controller mit Eingängen zum Empfangen von Daten von den Sensoren und Ausgängen zum Steuern der Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl und der Kraftstoffeinspritzanlage.
  17. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 16, wobei die Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl zwei wählbare Übersetzungsverhältnisse vorsieht.
  18. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 16, wobei die Antriebsanordnung mit variabler Drehzahl ein stufenloses Getriebe umfasst.
  19. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 16, ferner mit einem automatischen Getriebe und einem Getriebe-Controller, der mit dem Hauptmaschinen-Controller verbunden ist.
  20. Vielstoff-Kompressor-Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 16, ferner mit einem Einlasskrümmer-Luftdrucksensor, einem Sauerstoffsensor und einem Kurbelwellenwinkelsensor.
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