-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Motoraggregat mit einem Verbrennungsmotor, einer vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetriebenen Turbine, einem von der Turbine angetriebenen Kompressor für Ladeluft des Verbrennungsmotors und einem einen Hochdruckanschluss des Kompressors mit Niederdruck verbindenden Entlastungsventil. Ein solches Motoraggregat ist z. B. aus
US 2010/0180590 A1 bekannt.
-
Das Entlastungsventil dieses herkömmlichen Motoraggregats ist im Ladeluftversorgungsstrang des Motors parallel zum Kompressor angeordnet und durch die Druckdifferenz zwischen Sauganschluss und Hochdruckanschluss des Kompressors gesteuert. Wenn im Falle einer plötzlichen Drehmomentverringerung des Motors der Luftdurchsatz durch den Motor abnimmt, ohne dass im gleichen Maße die Drehzahl des Kompressors abnimmt, kommt es im Ladeluftstrang zwischen Kompressor und Motor zu einem Druckanstieg, der Schäden am Kompressor zur Folge haben kann. Das herkömmliche Entlastungsventil dient dazu, solche potentiell schädlichen Druckspitzen abzuschneiden. Sobald das Ventil den überhöhten Druck am Hochdruckausgang des Kompressors abgebaut hat, schließt es wieder.
-
Der Massenstrom durch einen Ladeluftkompressor ist abhängig von der Drehzahl des Kompressors und von der Druckdifferenz zwischen Sauganschluss und Hochdruckanschluss. Je größer die Druckdifferenz ist, um so kleiner ist der Durchsatz an Ladeluft; ist die Druckdifferenz zu groß, kann der Luftstrom abreißen. In diesem Fall wird der Durchsatz zeitweilig negativ, dadurch verringert sich die Druckdifferenz. Die verringerte Druckdifferenz ermöglicht wieder einen positiven Durchsatz, der die Druckdifferenz wieder steigert und zum neuerlichen Abreißen führt. Die dabei resultierenden Belastungswechsel belasten den Kompressor stark und können ihn beschädigen. Die sogenannte akustische Pumpgrenze ist eine Kurve, die zu jeder Drehzahl des Kompressors einen oberen Grenzwert des Drucks angibt, bei dem der Massenstrom zwischen den Anschlüssen des Kompressors verschwindet und die oben beschriebenen Belastungswechsel einsetzen. Ein Betrieb des Kompressors an der Pumpgrenze muss folglich vermieden werden. Die Gefahr, dass der Arbeitspunkt des Kompressors der Pumpgrenze zu nahe kommt, besteht vor allem, wenn der Motor bei niedriger Drehzahl und gleichzeitig hoher Last arbeitet. Somit stellt die Pumpgrenze des Kompressors stets einen limitierenden Faktor für das maximale Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen eines aufgeladenen Turbomotors dar.
-
Ein druckgesteuertes Entlastungsventil kann hier auch keinen stabilen Betrieb ermöglichen, da es sofort wieder schließt, sobald der Druck unter seine Öffnungsschwelle abgefallen ist, und der hohe Druck am Kompressorausgang sich von neuem aufbaut.
-
Um ein ineffizientes Arbeiten des Kompressors an der Pumpgrenze zu vermeiden, wird bei Motoren mit direkter Einspritzung der Massenstrom bei gleichzeitig offenem Einlass- und Auslassventil durchgespült und somit der gesamte geförderte Massenstrom eines Kompressors erhöht. Dadurch verlagert sich der Arbeitspunkt des Kompressors von der Pumpgrenze weg zu höheren Durchsatzraten, und eine weitere Steigerung des Drehmoments wird möglich.
-
Eine solche Spülung ist aufwendig zu realisieren, da sie verstellbare Nockenwellen am Motor erfordert. Die Verdünnung des Abgases durch Spülluft führt außerdem zu einer Verringerung der Abgastemperatur, was für den Betrieb eines nachgeschalteten Abgaskatalysators störend ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Motoraggregat zu schaffen, das auch bei Betrieb des Kompressors in der Nähe der Pumpgrenze ein hohes Drehmoment liefern kann, bei dem aber eine Verdünnung des Abgases mit einfachen und preiswerten Mitteln vermieden werden kann.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Motoraggregat mit einem Verbrennungsmotor, einer vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetriebenen Turbine, einem von der Turbine angetriebenen Kompressor für Ladeluft des Verbrennungsmotors und einem einen Hochdruckanschluss des Kompressors mit Niederdruck verbindenden Entlastungsventil eine Ventilsteuereinheit zum Steuern des Öffnungsgrads des Entlastungsventils in Abhängigkeit wenigstens von der Drehzahl des Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Diese Steuerung des Entlastungsventils ergibt keinen festen Grenzdruck, bei dessen Überschreitung das Entlastungsventil öffnet; hier kann das Entlastungsventil bei ein und demselben Druck bei hoher Motordrehzahl und dementsprechend hohem Massenstrom durch den Motor geschlossen, bei niedriger Drehzahl aber teilweise offen sein.
-
Der Öffnungsgrad des Entlastungsventils ist vorzugsweise ferner eine Funktion des Drehmoments des Verbrennungsmotors.
-
Ein Kennfeld, das die Stellung des Entlastungsventils als Funktion von Drehzahl und Drehmoment des Motors spezifiziert, kann zweckmäßigerweise in der Ventilsteuereinheit als Kennfeld hinterlegt sein.
-
Die Ventilsteuereinheit kann gleichzeitig eine Steuereinheit des Verbrennungsmotors bilden.
-
Der Wert der Grenzdrehzahl kann je nach Motorbauart unterschiedlich sein; für einen PKW-Motor ist eine Grenzdrehzahl zwischen 2000 und 3000 min–1, insbesondere von ca. 2500 min–1 geeignet.
-
Generell sollte der Öffnungsgrad des Entlastungsventils bei Volllast eine abnehmende Funktion der Drehzahl sein.
-
Die Steuerung des Öffnungsgrades des Entlastungsventils ist zwangsläufig von dessen Bauart abhängig und in Folge dessen für jeden Ventiltyp eigens zu optimieren.
-
Die Steuerung des Entlastungsventils sollte sicherstellen, dass wenigstens unter stationären Betriebsbedingungen der Massenstrom durch den Kompressor die akustische Pumpgrenze um wenigstens 10 überschreitet, um zu vermeiden, dass kurzfristige Laständerungen den Massenstrom unter die Pumpgrenze drücken.
-
Ein Luftmassenstrom, der die Pumpgrenze um mehr als 40 überschreitet, ist ebenfalls unzweckmäßig, da dann ein zu großer Teil der Kompressorleistung ungenutzt bleibt.
-
Das Entlastungsventil kann als Bypassventil zwischen dem Hochdruckanschluss und einem Sauganschluss des Kompressors angeordnet sein, z. B., um zusätzlich zur erfindungsgemäßen Funktion, den Arbeitspunkt des Kompressors zu verschieben, noch die herkömmliche Überdruck-Schutzfunktion auszuüben.
-
Die Nutzung eines vorhandenen Bypassventils im Rahmen der vorliegenden Erfindung macht diese zwar preiswert implementierbar, hat aber den Nachteil, dass durch den Rückfluss von verdichteter und erwärmter Luft zum Sauganschluss des Kompressors die Ladelufttemperatur insgesamt steigt, und infolge dessen die bei gegebenem Druck in jeder Zylinderfüllung enthaltene Sauerstoffmenge abnimmt. Während dies bei einem kurzzeitigen Öffnen des Entlastungsventils zum Unterdrücken einer Druckspitze kaum ins Gewicht fällt, kann es sich, wenn bei hoher Last des Motors bei gleichzeitig niedriger Drehzahl das Entlastungsventil über längere Zeit geöffnet bleibt, leistungsmindernd bemerkbar machen.
-
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist ein Auslass des Entlastungsventils zweckmäßigerweise vom Sauganschluss des Kompressors getrennt, so dass eine Wiederansaugung von über das Entlastungsventil abgelassener Luft ausgeschlossen ist.
-
Einer besonders komfortablen Variante zufolge können zwei Entlastungsventile, ein erstes mit mit dem Sauganschluss des Kompressors verbundenem Auslass und ein zweites mit von dem Sauganschluss getrenntem Auslass, vorgesehen sein. Aufgrund der oben erwähnten Vorteile des Entlastungsventils mit von dem Sauganschluss getrenntem Auslass sollte die Ventilsteuereinheit eingerichtet sein, bevorzugt das zweite Entlastungsventil zu öffnen; das erste Entlastungsventil sollte zweckmäßigerweise nur dann geöffnet werden, wenn die abzulassende Luftmenge größer ist, als das zweite Entlastungsventil alleine bewältigen kann. So ist es möglich, als zweites Entlastungsventil ein relativ kleines, platzsparendes und preiswert verfügbares Entlastungsventil zu verwenden.
-
Im Gegensatz zur eingangs erwähnten Ventilüberschneidungstechnik, die nur bei direkt in den Zylinder einspritzenden Motoren anwendbar ist, ist die vorliegende Erfindung insbesondere vorteilhaft anwendbar bei MPFI-Motoren anwendbar, d. h., bei Motoren, bei denen ein Einspritzventil für Kraftstoff außerhalb des Zylinders, stromaufwärts von einem Zylindereinlassventil, angeordnet ist.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Diese Beschreibung nennt auch Merkmale der Ausführungsbeispiele, die nicht in den Ansprüchen enthalten sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderer Art von Zusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten könnten; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm eines Motoraggregats gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
-
2 ein Blockdiagramm gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
-
3 ein Massenstrom-Verdichtungsverhältnis-Diagramm, in dem Arbeitspunkte von verschiedenen Typen von Kompressoren eingezeichnet sind.
-
In dem Diagramm der 1 ist ein Verbrennungsmotor, ein Otto- oder Dieselmotor, mit mehreren Zylindern mit 1 bezeichnet. An einem Zuluftstrang 2 des Motors 1 sind der Reihe nach angeordnet: ein Luftfilter 3, ein Kompressor 4, ein Ladeluftkühler 5, eine Drosselklappe 6 und ein Ansaugkrümmer 7, der die Ladeluft auf die Zylinder des Motors 1 verteilt. Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge sind Kraftstoff-Einspritzventile 8 an den Zweigen des Ansaugkrümmers 7 jeweils unmittelbar vor einem (nicht dargestellten) Einlassventil jedes Zylinders des Motors 1 angeordnet. Die Einspritzventile könnten aber auch unmittelbar an den Zylindern angeordnet sein, um Kraftstoff unabhängig von der Ansaugung von Frischluft direkt in die Zylinder einspritzen zu können.
-
Am Abgasstrang 9 des Motors 1 sind eine Turbine 10 und ein Abgaskatalysator 11 oder Partikelfilter angeordnet. Das sich in der Turbine 10 entspannende Abgas treibt in an sich bekannter Weise über eine Welle den Kompressor 4 an.
-
Ein Leitungszweig 12 mit einem gesteuerten Ventil 13 ist unmittelbar stromaufwärts und stromabwärts vom Kompressor 4 mit dem Zuluftstrang 2 verbunden. Der Öffnungsgrad des Ventils 13 ist durch eine elektronische Steuereinheit 14 gesteuert, die mit Sensoren 15, 16 zur Erfassung von Drehzahl und Last des Verbrennungsmotors verbunden ist. Der Drehzahlsensor 15 kann z. B. an einer Abtriebswelle 17 des Motors 1 angeordnet sein, und der Lastsensor 16 kann, wie in der Fig. angedeutet, an der Drosselklappe 6 angeordnet sein, um deren Stellung zu erfassen, oder auch an einem die Drosselklappe direkt oder indirekt steuernden, nicht dargestellten Gaspedal.
-
Des Weiteren kann auch ein am Zuluftstrang 2 stromabwärts vom Kompressor 4 angeordneter Drucksensor 18 mit der Steuereinheit 14 verbunden sein.
-
Die Steuereinheit 14 ist eingerichtet, um mit Hilfe der Sensoren 15, 16 kontinuierlich Last und Drehzahl des Motors 1 zu überwachen und den Öffnungsgrad des Ventils 13 anhand dieser Werte quantitativ zu steuern. Wenn die Drehzahl höher als 2500 min–1 ist, ist das Ventil 13 geschlossen. Im Falle von Volllast des Motors 1, d. h. bei maximal geöffneter Drosselklappe 6 ist das Ventil 13 teiloffen, wobei die Steuereinheit 14 die Auslenkung eines Schließkörpers des Ventils 13 gegenüber seinem Sitz um so größer wählt, je niedriger die Drehzahl des Motors 1 ist. Zu diesem Zweck ist in einem Speicher der Steuereinheit 14 eine Kennlinie hinterlegt, die zu jeder Drehzahl des Motors 1 eine einzustellende Auslenkung des Schließkörpers bzw. eine mit der Auslenkung des Schließkörpers verknüpfte Steuergröße wie etwa einen Erregungsstrom für eine Magnetspule des Ventils 13, spezifiziert. Die Kennkurve ist bauartspezifisch für das Ventil 13 erstellt und spezifiziert jeweils zu einer gegebenen Drehzahl bei Volllast einen Öffnungsgrad des Ventils 13, der nötig ist, damit der Massenstrom durch den Kompressor 4 sicher über dessen Pumpgrenze liegt.
-
Wenn die Last des Motors unterhalb eines vorgegebenen Grenzprozentsatzes der Volllast bleibt, hält die Steuereinheit 14 das Ventil 13 dauerhaft geschlossen. Zwischen dem Grenzprozentsatz und der Volllast sind unterschiedliche Steuerungsansätze denkbar. Im einfachsten Fall stellt die Steuereinheit 14, wenn der Grenzprozentsatz überschritten ist, unabhängig vom genauen Wert der Last stets den gleichen drehzahlabhängigen Öffnungsgrad des Ventils 13 ein. Eine andere Möglichkeit ist, bei gegebener Drehzahl des Motors 1 den Öffnungsgrad des Ventils 13 von Null beim Grenzprozentsatz kontinuierlich auf den der Volllast zugeordneten Wert ansteigen zu lassen.
-
Wenn, wie oben erwähnt, ein Drucksensor 18 an die Steuereinheit 14 angeschlossen ist, kann diese zusätzlich auch die Funktion eines Überdruckschutzes wahrnehmen, indem sie, wenn der von dem Sensor 18 erfasste Druck – unabhängig von Last und Drehzahl – einen kritischen Wert überschreitet, die oben beschriebene Steuerung des Ventils 13 aussetzt und stattdessen das Ventil 13 maximal öffnet.
-
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Motoraggregats in Form eines zu 1 analogen Diagramms. Komponenten dieser zweiten Ausgestaltung, die denen der ersten entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut erläutert. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Ausgestaltungen ist das Vorhandensein eines weiteren von der Steuereinheit 14 gesteuerten Ventils 19 in einer Leitung 20, die zwischen dem Kompressor 4 und der Drosselklappe 6, vorzugsweise zwischen dem Kompressor 4 und dem Ladeluftkühler 5, vom Zuluftstrang 2 abzweigt und an einer Stelle des Fahrzeugs ins Freie mündet, an der über die Leitung 20 entweichende, vom Kompressor 4 erwärmte Luft nicht zurück in den Zuluftstrang 2 gelangen kann. Wenn die Steuereinheit 14 das Ventil 19 bei hoher Last und gleichzeitiger Unterschreitung der Grenzdrehzahl öffnet, führt dies, anders als bei der Ausgestaltung der 1, nicht zu einer Erhöhung der Ladelufttemperatur.
-
3 zeigt ein Kompressorkennfeld, an dessen Achsen jeweils ein reduzierter Massenstrom bzw. ein Verdichtungsverhältnis aufgetragen ist. Eine Schar von schmalen gestrichelten, mit steigendem Massenstrom abfallenden Kurven stellen jeweils Linien gleicher Drehzahl dar, schmale strichpunktierte Kurven bezeichnen Linien gleichen Wirkungsgrades. Eine dieser Kurven, mit 21 bezeichnet, umgibt den Bereich des höchsten Wirkungsgrades; mit zunehmender Entfernung zu diesem Bereich nimmt der Wirkungsgrad kontinuierlich ab. Eine schmale durchgezogene Kurve 22 bezeichnet die Pumpgrenze. Eine fette gestrichelte Kennkurve 23 entspricht dem Kompressor 4 bei nicht erfindungsgemäßem Betrieb, mit bei Volllast und niedrigen Drehzahlen geschlossenem Ventil 13 bzw. 19. In einem niedrigen Drehzahlen entsprechenden Bereich liegt die Kennkurve 23 links von der Pumpgrenze 22, d. h. ein stabiler Betrieb des Kompressors 4 ist nicht möglich. Ein Teil der Kennkurve 23 kreuzt den bevorzugten Betriebsbereich innerhalb der Kurve 21 und erreicht schließlich bei hohen Massenströmen die Stopfgrenze.
-
Die Kennkurve 24 entspricht erfindungsgemäßem Betrieb des Kompressors 4, wobei der Verlauf der Kennkurve 24 nicht wesentlich davon abhängt, ob es sich um ein Motoraggregat gemäß 1 oder gemäß 2 handelt. Im unteren Drehzahlbereich ist der Öffnungsgrad des Ventils 13 und/oder 19 jeweils so optimiert, dass ein Massenstrom erhalten wird, der um 20 bis 30 Prozent über der Pumpgrenze 22 liegt. So ist auch bei niedrigen Drehzahlen und Volllast ein stabiler Betrieb des Kompressors 4 bei verbessertem Wirkungsgrad gewährleistet. Bei mittleren und hohen Drehzahlen gleichen sich die Verläufe der Kurven 23, 24.
-
Der Verbrennungsmotor 1 kann vom SIDI-Typ oder vom MPFI-Typ sein, wobei im Rahmen der Erfindung der MPFI-Typ wegen des einfacheren Aufbaus und der damit verbundenen Unempfindlichkeit und Kostenvorteile bevorzugt ist. Im Falle eines SIDI-Verbrennungsmotors, könnte man zur Heraufsetzung des Luftmassenstroms gleichzeitig das Ventil 13 oder 19 öffnen und den Motor mit Ventilüberschneidung betreiben.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Zuluftstrang
- 3
- Luftfilter
- 4
- Kompressor
- 5
- Ladeluftkühler
- 6
- Drosselklappe
- 7
- Ansaugkrümmer
- 8
- Einspritzventil
- 9
- Abgasstrang
- 10
- Turbine
- 11
- Abgaskatalysator
- 12
- Leitungszweig
- 13
- Ventil
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Drehzahlsensor
- 16
- Lastsensor
- 17
- Abtriebswelle
- 18
- Drucksensor
- 19
- Ventil
- 20
- Leitung
- 21
- Kurve
- 22
- Pumpgrenze
- 23
- Kennkurve
- 24
- Kennkurve
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2010/0180590 A1 [0001]
