-
Es wird eine Steuervorrichtung zur Abgasturboaufladung eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zum Steuern der Abgasturboaufladung beschrieben.
-
Aus der Druckschrift
DE 197 11 307 C2 ist ein elektronischer Regler für ein Turbolader-Wastegate bekannt. Der Turbolader besitzt ein Verdichterrad zum Verdichten der Frischluft und ein vom Abgas angetriebenes Turbinenrad bzw. Abgasturbine. Das Wastegate besitzt eine Bypass-Klappe, die in einer Abgas-Bypassleitung angeordnet ist, welche den Turbinenradeinlass mit dem Turbinenradauslass verbindet. Solange der Verbrennungsmotor im Teillastbetrieb arbeitet, bleibt die Bypass-Klappe geschlossen. Erst wenn ein ausreichender Ladedruck im Volllastbetrieb des Motors erreicht wird, wird die Stellung der Bypass-Klappe über den Aktuator geregelt, um bei Vollastbetrieb ein konstantes Drehmoment, bei beispielsweise steigender Motordrehzahl zu erreichen.
-
Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung zur Abgasturboaufladung eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zur Steuerung der Abgasturboaufladung anzugeben, die bereits bei Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors eine Ladedruckregelung ermöglichen.
-
Eine Steuervorrichtung zur Abgasturboaufladung eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zum Steuern der Abgasturboaufladung wird angegeben. In einer Ausführungsform weist die Steuervorrichtung einen Abgasbypass mit Bypass-Klappe auf, wobei der Abgasbypass parallel zu einer Abgasturbine angeordnet ist, d. h. der Abgas-Bypass verbindet den Turbinenradeinlass strömungstechnisch mit dem Turbinenradauslass. Ein Aktuator ist zum Betätigen der Bypass-Klappe ausgebildet. Der Aktuator ist ausgebildet, die Bypass-Klappe unterdruckabhängig während eines Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors zu steuern.
-
Mit einer derartigen Steuervorrichtung kann man auch während eines Teillastbetriebes des Verbrennungsmotors ein konstantes Motordrehmoment durch Regeln des Ladedruckes der Abgasturboaufladung bei unterschiedlich steigender und abfallender Motordrehzahl erreichen. Durch eine derartige Steuervorrichtung zur Abgasturboaufladung für den Teillastbereich eines Verbrennungsmotors können, wie es die nachfolgenden Figuren zeigen, auch Kraftstoffeinsparungen erzielt werden. Dies ergibt sich dadurch, dass die Bypass-Klappe unterdruckabhängig über den Aktuator steuerbar ist.
-
Der Aktuator kann eine Druckdose, die auch gasdicht sein kann, und ein Gestänge aufweisen, das mit der Bypass-Klappe mechanisch in Verbindung steht. In der Druckdose des Aktuators ist eine Druckkammer und eine Unterdruckkammer angeordnet, die durch eine Steuermembran getrennt sind. Die Steuermembran kann hierzu mit dem Gestänge über eine ggf. gasdicht ausgeführte Schiebedurchführung der Druckdose mechanisch verbunden sein. Das hat den Vorteil, dass die Steuermembran nicht nur bei Überdruck in der Druckkammer, sondern auch bei Unterdruck in der Unterdruckkammer bewegbar ist, wobei in diesem Zusammenhang mit Überdruck- bzw. Unterdruck, der Druck in der jeweiligen Kammer gegenüber dem Umgebungsdruck verstanden wird.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in der Unterdruckkammer der Druckdose eine Rückstellfeder angeordnet ist. Die Anordnung erfolgt zweckmäßigerweise so, dass für den fall, dass in der Unterdruckkammer ein geringerer Druck als in der Druckkammer herrscht, die Steuermembran das Gestänge nur gegen die Rückstellkraft der Feder bewegen kann. Solange also die Unterdruckkammer mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist, übt die Steuermembran eine der Rückstellfeder entgegenwirkende Kraft auf die Bypass-Klappe in einem Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors zum Regeln des Abgasbypass aus, indem die Druckkammer mit Ladedruck beaufschlagt wird.
-
In einer Ausführungsform steht ein erstes Steuerventil pneumatisch mit der Druckkammer der Druckdose über einer Ladedruckzuleitung in Verbindung. Um bei Volllastbetrieb den Ladedruck zu regeln, wird über das erste Steuerventil die Druckkammer des Aktuators über eine Ladedruckzuleitung mit Ladedruck beaufschlagt. Das hat den Vorteil, dass die Steuermembran, die zwischen Druckkammer und Unterdruckkammer angeordnet ist, in der Lage ist, mit Hilfe des Ladedrucks in der Druckkammer die Rückstellkraft der Rückstellfeder in der Unterdruckkammer zu überwinden und die Bypass-Klappe in dem Abgasbypass zu steuern.
-
In einer weiteren Ausführungsform steht ein zweites Steuerventil pneumatisch mit der Unterdruckkammer der Druckdose über eine Unterdruckzuleitung in Verbindung. Die Unterdruckzuleitung kann beispielsweise mit einem Unterdruckbereich stromabwärts einer Drosselklappe in einem Luftansaugbereich des Ladeluftverdichters in Verbindung stehen. Mit dem zweiten Steuerventil wird die Stellung der Bypass-Klappe im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors gesteuert. Dieses hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Vakuumpumpe erforderlich ist, um die Unterdruckkammer der Druckdose des Aktuators mit einem 1 Unterdruck zu beaufschlagen. Vielmehr kann ein Unterdruck genutzt werden, um die Bypass-Klappe besser bei Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors zu steuern und eine Rückstellkraft der Rückstellfeder in der Unterdruckkammer entgegenwirkende Kraft der Steuermembran durch die Unterdruckbeaufschlagung der Unterdruckkammer des Aktuators bereitzustellen.
-
Ferner ist es vorgesehen, dass die Rückstellfeder einstellbar und ausgebildet ist, unterhalb eines Schwelldruckes in der Druckkammer eine derartige Federkraft auf die Steuermembran auszuüben, dass der Aktuator die Bypass-Klappe bei Umgebungsdruck in der Unterdruckkammer geschlossen hält, solange der Ladedruck in der Druckkammer nicht den Ladedruck des Vollastbetriebs des Verbrennungsmotors erreicht. Dieses kann in vorteilhafter Weise durch Zusammenwirken mit dem zweiten Steuerventil erfolgen, da das zweite Steuerventil in der Lage ist, die Unterdruckkammer mit Umgebungsdruck aus einer Umgebungsdruckzuleitung zu beaufschlagen.
-
Auch das erste Steuerventil kann über eine erste Zuleitung mit dem Ladedruckbereich des Ladeluftverdichters der Abgasturboladung pneumatisch in Verbindung stehen und kann über eine zweite Druckzuleitung mit dem Umgebungsdruck verbunden sein. Dadurch besteht die Möglichkeit, relativ zügig von einer Regelung des Motordrehmoments im Volllastbereich auf eine Regelung des Motordrehmoments im Teillastbereich umzuschalten.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Bypass-Klappe gegen den Abgasdruck in einer Schließposition bleibt, solange die Rückstellkraft der Rückstellfeder nicht überwunden ist. Das hat den Vorteil, dass zum Öffnen der Bypass-Klappe der Abgasdruck das Öffnen der Bypass-Klappe unterstützt. Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Gestänge des Aktuators, welches die Steuermembran mit der Bypass-Klappe mechanisch verbindet, über eine gasdichte Schiebedurchführung der Unterdruckkammer mit der Steuermembran verbunden ist. Dadurch soll gewährleistet werden, dass der Umgebungsdruck die Beaufschlagung der Unterdruckkammer mit Unterdruck nicht beeinträchtigt.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Steuerventile mit einer elektronischen Motorsteuereinheit, auch EEC (electric engine control) genannt, verbunden sind. Optional weist die Steuervorrichtung zur Abgasturboaufladung hierzu elektronisch betriebene Pulsweitenmodulationsventile als Steuerventile auf, sodass Signale der zentralen elektronischen Motorsteuereinheit zuverlässig in Einstellungen der Steuerventile umgesetzt werden können.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Verbrennungsmotor eine Steuervorrichtung gemäß den obigen Ausführungen aufweist und bei Vollastbetrieb über ein erstes Steuerventil in Zusammenwirken mit einer Druckkammer einer Druckdose eines Aktuators eine Bypass-Klappe in einem Abgasbypass zur Ladedruckvariation steuert und bei Teillastbetrieb über ein zweites Steuerventil in Zusammenwirken mit einer Unterdruckkammer der Druckdose des Aktuators eine Bypass-Klappe in einem Abgasbypass zur Ladedruckvariation steuert. Damit wird sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor sowohl im Volllastbetrieb, als auch im Teillastbetrieb ein geregeltes, konstantes Motordrehmoment in den unterschiedlichen Betriebsphasen abgibt und ein erhöhter Anteil an Kraftstoff eingespart werden kann.
-
Ein Verfahren zum Steuern einer Abgasturboaufladung eines Ladeluftverdichters mittels einer Abgasturbine eines Verbrennungsmotors weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
-
Zunächst wird ein Öffnen einer Bypass-Klappe eines Abgasbypasses zwischen einem Abgasturbineneinlass und einem Abgasturbinenauslass nach Überwindung einer Rückstellkraft einer Rückstellfeder eines Aktuators bei Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors gesteuert. Wird der Verbrennungsmotor in einem Teillastbetrieb gefahren, wird ein Steuern der Stellung der Bypass-Klappe mittels Unterdruck, welcher der Rückstellkraft der Rückstellfeder in dem Aktuator entgegenwirkt, ermöglicht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass keinerlei externe Druckquellen oder Unterdruckquellen erforderlich sind, um die Bypass-Klappe zu steuern, zumal in dem Ladeluftbereich des Verbrennungsmotors sowohl ein über dem Umgebungsdruck liegender Ladedruck als auch ein unter dem Umgebungsdruck liegender Unterdruck zur Verfügung steht, der für das Steuern der Bypass-Klappe bzw. zur Versorgung des Aktuators zur Verfügung steht.
-
Zum Überwinden der Rückstellkraft der Rückstellfeder wird eine Druckkammer des Aktuators, die pneumatisch mit Hilfe einer Steuermembran Druck auf die Rückstellfeder ausübt, mit Ladedruck eines Ladedruckbereichs eines Ladeluftverdichters bei Vollastbetrieb beaufschlagt. Weiterhin wird zum Steuern der Bypass-Klappe eine Unterdruckkammer des Aktuators, in der die Rückstellfeder angeordnet ist, mit Unterdruck bei Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors beaufschlagt, der in einem Luftansaugbereich eines Ladeluftverdichters zur Verfügung steht.
-
Eine Ausführung des Gegenstands der Anmeldung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt eine Prinzipskizze einer Steuervorrichtung zur Abgasturboaufladung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2 zeigt ein schematisches Diagramm mit Kraftstoffeinsparkurven im Teillastbereich eines Benzinmotors unter 2.500 Umdrehungen pro Minute;
-
3 zeigt einen Blockschaltplan der Steuervorrichtung gemäß 1 in Zusammenwirken mit einer elektronischen Motorsteuereinheit eines Verbrennungsmotors.
-
Die Steuervorrichtung 1 zur Abgasturboaufladung basiert auf einem Abgasbypass 3. In dem Abgasbypass 3 steht vor einer Bypass-Klappe 4 der Abgasdruck eines Verbrennungsmotors an, wobei in 1 die Bypass-Klappe 4 in einer Schließposition gezeigt wird und den Abgasbypass 3 gegen den Abgasdruck geschlossen hält, sodass die gesamten Abgase des Verbrennungsmotors einer Abgasturbine zur Abgasturboaufladung zugeführt werden.
-
Die Bypass-Klappe 4 ist über ein Gestänge 8 und eine gasdichte Schiebedurchführung 27 einer Druckdose 9 eines Aktuators 7 mit einer Steuermembran 10 in der Druckdose 9 verbunden. Die Steuermembran 10 unterteilt die Druckdose 9 in eine Druckkammer 13 und eine Unterdruckkammer 14. In diesem Zusammenhang beziehen sich die Begriffe Druck und Unterdruck auf den Umgebungsdruck der Steuervorrichtung 1.
-
Die Druckkammer 13 kann über ein erstes Steuerventil 12 und eine Ladedruckzuleitung 22 mit einem Ladedruck, der beim Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors über dem Umgebungsdruck des Verbrennungsmotors liegt, beaufschlagt werden. Dazu kann das erste Steuerventil 12 die Ladedruckzuleitung 22, die zu der Druckkammer 13 der Druckdose 9 des Aktuators 7 führt, mit einer Ladedruckzuleitung 19, die mit dem Ladedruckbereich des Verbrennungsmotors in Verbindung steht, strömungstechnisch verbinden. Ferner kann das erste Steuerventil 12 die Druckkammer 13 über eine Umgebungsdruckzuleitung 20 auch mit Umgebungsdruck beaufschlagen.
-
Falls sich Ladedruck in der Druckkammer 13 der Druckdose 9 des Aktuators 7 aufbaut, und damit eine Rückstellkraft einer in der Unterdruckkammer 14 angeordneten Rückstellfeder 11 überwindet, kann der Ladedruck bzw. die sich öffnende Bypass-Klappe 4 geregelt werden, um den Verbrennungsmotor auf ein konstantes Motordrehmoment bei variablen Motordrehzahlen zu regeln. Um eine derartige Regelung nicht nur bei Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors, sondern auch bei Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, weist die Steuervorrichtung 1 ein zweites Steuerventil 16 auf, das über eine Unterdruckzuleitung 21 mit der Unterdruckkammer 14 der gasdichten Druckdose 9 des Aktuators 7 in Verbindung steht.
-
Dazu verbindet das zweite Steuerventil 16 eine Unterdruckzuleitung 17, die mit einem Luftansaugbereich eines Ladeluftverdichters in Verbindung steht, mit der Unterdruckzuleitung 21 zu der Unterdruckkammer 14. Damit ist es möglich, die Rückstellkraft der Rückstellfeder 11 auch beim Teillastbetrieb eines Verbrennungsmotors zu überwinden und im Teillastbetrieb eine Ladedruckregelung vorzusehen.
-
2 zeigt dazu ein schematisches Diagramm mit Kraftstoffeinsparkurven a bis e im Teillastbetriebes eines Benzinmotors unter 2.500 Umdrehungen pro Minute. Dazu ist auf der Abszisse die Motordrehzahl n in Umdrehungen pro Minute aufgetragen und auf der Ordinate der Ladedruck p in Teilschritten von 100 kPa. Wie deutlich zu sehen ist, ermöglicht eine Ladedruckregelung eines Benzinmotors in einem Drehzahlbereich zwischen 1.500 und 2.500 Umdrehungen pro Minute durchaus eine Kraftstoffverbrauchsersparnis von bis zu 2%. Somit kann der in 1 gezeigte Aktuator 7, der unterdruckabhängig die Bypass-Klappe 4 in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors steuert, einen Beitrag zur Kraftstoffeinsparung leisten, zumal die Regelung der Bypass-Klappe 4 im Teillastbereich verminderte Pumpverluste ermöglicht.
-
3 zeigt einen Blockschaltplan der Steuervorrichtung 1 gemäß 1 in Zusammenwirken mit einer elektronischem Motorsteuereinheit 30 des Verbrennungsmotors 15. Der Verbrennungsmotor 15 weist einen Ladeluftkrümmer 29, der den Zylinder des Verbrennungsmotors 15 mit Ladeluft versorgt, und einen Abgaskrümmer 31 auf, über den das Abgas aus den Zylindern der Abgasturbine 2 zugeleitet wird. Eine Turbinenachse 32 eines Turbinenrades 33 der Abgasturbine 2 ist über eine mechanische Verbindung 36 mit einer Verdichterachse 34 eines Verdichterrades 35 des Ladeluftverdichters 26 verbunden.
-
Dadurch kann die Energie, die in dem Abgas enthalten ist teilweise zum Aufbau des Ladedruckes genutzt werden. In dem Luftansaugbereich 23 stromabwärts einer Drosselklappe 24 entsteht stromaufwärts des Verdichterrades 35 ein Unterdruck und stromabwärts des Verdichterrades 35 ein Ladedruck, wobei die Ladeluft in einem sich anschließenden Ladeluftkühler 28 gekühlt und dem Ladedruckbereich 25 zugeführt wird. Der Ladedruckbereich 25 geht dann über in den Ladeluftkrümmer 29 des Verbrennungsmotors 15.
-
Auf der Seite des Abgaskrümmers 31 wird die Abgasturbine 2 durch Abgabe eines Teils der Energie der Abgase an das Turbinenrad 33 auf nahezu 200.000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt, sodass auf der Seite des Verdichterrades 35 im Ladedruckbereich 25 ein entsprechend hoher Ladeluftdruck entsteht und komprimierte Frischluft den Zylindern des Verbrennungsmotors 15 unter Ladedruck zugeführt werden kann.
-
Um bei Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors 15 den Ladedruck zu regeln, weist die Steuervorrichtung 1 zur Steuerung der Abgasturboaufladung einen Abgasbypass 3 auf, der einen Abgasturbineneinlass 5 mit einem Abgasturbinenauslass 6 über die Bypass-Klappe 4 verbinden kann. Um ein konstantes Motordrehmoment bei zunehmender Drehzahl zu gewährleisten, kann die Aufladung der Frischluft mit Hilfe der Bypass-Klappe 4 im Abgasbypass 3 geregelt werden.
-
Dazu ist die Bypass-Klappe 4 mechanisch über das Gestänge 8 mit dem Aktuator 7 verbunden. Der Aktuator 7 weist die Druckdose 9 auf, mit der Druckkammer 13 und der Unterdruckkammer 14. Die Druckkammer 13 ist von der Unterdruckkammer 14 durch die bewegliche Steuermembran 10 getrennt. In der Unterdruckkammer 14 ist die Rückstellfeder 11 angeordnet, die bei Umgebungsdruck in der Unterdruckkammer 14 die Bypass-Klappe 4 geschlossen hält.
-
Mit Hilfe des ersten Steuerventils 12, wie es bereits 1 zeigt, können die Ladedruckzuleitungen 19 und 22, die Druckkammer 13 mit dem Ladedruck beaufschlagen und die Rückstellkraft der Rückstellfeder 11 kann überwunden werden, so dass eine Ladedruckregelung im Vollastbetrieb bei ausreichendem Ladedruck mit Hilfe des Aktuators 7 und der Bypass-Klappe 4 erfolgen kann. Um eine derartige Regelung noch besser im Teillastbereich zu ermöglichen weist die Steuervorrichtung 1 das zweite Steuerventil 16 auf, das mit dem Luftansaugbereich 23 stromabwärts der Drosselklappe 24 über die Unterdruckzuleitung 17 in Verbindung steht und über die weitere Unterdruckzuleitung 21 die Unterdruckkammer 14 mit dem Unterdruck des Luftansaugbereichs 23 beaufschlagen kann.
-
Im Volllastbetrieb ist es möglich, über die Umgebungsdruckzuleitung 18 über das zweite Steuerventil 16 die Unterdruckkammer 14 mit Umgebungsdruck zu versorgen, um unverändert eine optimale Regelung im Volllastbetrieb zu ermöglichen. Das erste Steuerventil 12 und das zweite Steuerventil 16 sind vorzugsweise pulsweitenmodulierte Steuerventile, die von der zentralen Motorsteuereinheit 30 über Signalleitungen 37 und 38 aktiviert werden. Mit dieser Steuervorrichtung 1 wird erreicht, dass der Aktuator 7 unterdruckabhängig die Bypass-Klappe 4 in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors 15 steuert und damit den Kraftstoffverbrauch vermindert.
-
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Steuervorrichtung
- 2
- Abgasturbine
- 3
- Abgasbypass
- 4
- Bypass-Klappe
- 5
- Abgasturbineneinlass
- 6
- Abgasturbinenauslass
- 7
- Aktuator
- 8
- Gestänge
- 9
- Druckdose
- 10
- Steuermembran
- 11
- Rückstellfeder
- 12
- erstes Steuerventil
- 13
- Druckkammer
- 14
- Unterdruckkammer
- 15
- Verbrennungsmotor
- 16
- zweites Steuerventil
- 17
- Unterdruckzuleitung
- 18
- Umgebungsdruckzuleitung
- 19
- Ladedruckzuleitung
- 20
- Umgebungsdruckzuleitung
- 21
- Unterdruckzuleitung
- 22
- Ladedruckzuleitung
- 23
- Druckluftansaugbereich
- 24
- Drosselklappe
- 25
- Ladedruckbereich
- 26
- Ladeluftverdichter
- 27
- Schiebedurchführung
- 28
- Ladeluftkühler
- 29
- Ladeluftkrümmer
- 30
- elektronische Motorsteuereinheit
- 31
- Abgaskrümmer
- 32
- Turbinenachse
- 33
- Turbinenrad
- 34
- Verdichterachse
- 35
- Verdichterrad
- 36
- mechanische Verbindung
- 37
- Signalleitung
- 38
- Signalleitung
-
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
-
