DE102012200029B4

DE102012200029B4 - Schutzsystem für einen Motor

Info

Publication number: DE102012200029B4
Application number: DE102012200029.1A
Authority: DE
Inventors: Carsten Weber; Phil John Whiston
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-03
Filing date: 2012-01-03
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: DE102012200029A1

Abstract

Schutzvorrichtung für einen Motor (2) mit wenigstens einem Zylinder (3, 4, 5, 6) und einem mit dem Motor (2) kommunizierenden Abgaskanal (7), aufweisend einen Druckbegrenzer (10), der in einem Bereich des Abgaskanals (7) angeordnet ist, der sich zwischen dem wenigstens einen Zylinder (3, 4, 5, 6) und einem stromabwärts im Abgaskanal (7) gelegenen ersten Strömungswiderstand (8) befindet, wobei der Druckbegrenzer (10) ausgebildet ist, bei Überschreiten eines Grenzwertes einen Druckabbau in dem an den Zylinder (3, 4, 5, 6) angrenzenden Bereich des Abgassystems (7) durch Umleiten von Abgas in den Ansaugtrakt des Motors (2) zumindest solange durchzuführen, bis der Abgasdruck in diesem Bereich den Grenzwert nicht mehr überschreitet, wobei der Grenzwert unter einem Druckwert gewählt ist, der ein Abluftventil des wenigstens einen Zylinders (3, 4, 5, 6) aufdrücken kann, wobei ein eigener Druckbegrenzer (10) für jeden Zylinder (3, 4, 5, 6) des Motors (2) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzsystem für einen Motor.
In modernen Verbrennungsmotoren erfolgt immer häufiger eine Aufladung der Ansaugluft durch einen mittels des Abgasrucks angetriebenen Turbolader. Diese Technologie, die in Dieselmotoren mittlerweile zum Standard gehört, kommt vermehrt auch bei Ottomotoren zum Einsatz. Außerdem erfolgt zum Senken der Schadstoffe im Abgas immer häufiger eine Rückführung eines Teils des Abgases in den Ansaugtrakt. Ein Turbolader-System ist bspw. in DE 10 2005 062 681 A1 und eine Abgasrückführung bspw. DE 102 30 830 A1 beschrieben. DE 102 30 830 A1 zeigt insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Aussetzern und Rückführen unvollständig verbrannter Abgasgemische in Brennkraftmaschinen. Die Aussetzer werden erkannt durch Messung von Abgastemperatur und/oder Abgasdruck im Anschluss an einen Zündzeitpunkt.
Hoch aufgeladene Ottomotoren zeigen jedoch eine störende Tendenz zur fehlerhaften Verbrennung infolge einer nicht korrekten Zündung des Kraftstoffgemisches. Diese fehlerhafte Verbrennung hat das Potenzial, den Motor durch sehr hohe Drücke und Temperaturen in den Zylindern zu beschädigen. Die fehlerhaften Verbrennung infolge einer nicht korrekten Zündung soll daher vermieden werden.
Aus US 6 109 027 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, mit denen der Abgasdruck in einem Abgastrakt hinter dem Motor durch Blockieren des Abgastraktes erhöht werden soll. Bei Erreichen eines vorherbestimmten Druckes wird ein Bypass geöffnet und dadurch der maximale Abgasdruck auf einen Höchstwert begrenzt.
Aus der DE 198 19 699 A1 ist ein Verfahren bekannt, das durch Steuerung eines Stellgliedes anhand einer Abgasrückführung den Druck stromaufwärts einer Abgasturbine regelt.
Aus der AT 262 822 B ist eine Motorbremse offenbart, bei der ein Staudruck der Abgase unter Verwendung eines federbelasteten Ventils geregelt wird.
Aus der DE 10 2008 010 658 A1 ist bekannt, ein Abgasregelsystem mittels eines Drosselventils zum Vermeiden von hoher Wärmeentwicklung stromaufwärts einer Stauklappe zu regeln.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den Schutz von Verbrennungsmotoren in einfacher Weise zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Schutzsystem nach Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Zum Schutz eines Motors mit wenigstens einem Zylinder vor einer fehlerhaften Verbrennung erfolgt ein Begrenzen des Abgasdruckes in einem an den wenigstens einen Zylinder angrenzenden Bereich des Abgassystems.
Die eingangs beschriebene fehlerhafte Verbrennung wird durch eine Rückströmung von heißem Abgas aus dem Abgassystem, insbesondere von im Abgassystem nachbrennendem Abgas, in die Zylinder verursacht. Die Rückströmung wird wiederum durch einen erhöhten Druck des Abgases in einem zwischen dem Zylinder und einem stromabwärts im Abgaspfad gelegenen Strömungswiderstand gelegenen Bereich des Abgassystems verursacht. Abhängig von der Zündreihenfolge des Motors und dem Zylinderdruck kann der erhöhte Abgasdruck das Abgasventil öffnen und so eine unkontrollierte Rückströmung des heißen Abgases auf hohem Druckniveau in den Zylinder ermöglichen, wo das rückströmende heiße Abgas die fehlerhafte Zündung des Brennstoffgemisches herbeiführen kann. Durch das Begrenzen des Abgasdruckes in einem an den Zylinder angrenzenden Bereich des Abgassystems lässt sich somit die eingangs beschriebene fehlerhafte Verbrennung in einfacher und kostengünstiger Weise vermeiden.
Die Begrenzung des Abgasdruckes im Abgassystem erfolgt, indem ein Grenzwert für den Abgasdruck vorgegeben wird und bei Überschreiten des Grenzwertes ein Druckabbau in dem an den Zylinder angrenzenden Bereich des Abgassystems solange erfolgt, bis der Abgasdruck in diesem Bereich den Grenzwert nicht mehr überschreitet. Der Druckabbau erfolgt dabei durch Umleiten von Abgas in den Ansaugtrakt des Motors.
Gemäß der Erfindung wird eine Schutzvorrichtung für einen Motor mit wenigstens einem Zylinder und einem mit dem Motor kommunizierenden Abgaskanal zur Verfügung gestellt. Die Schutzvorrichtung umfasst einen Druckbegrenzer, der in einem Bereich des Abgassystems angeordnet ist, der sich zwischen dem wenigstens einen Zylinder und einem stromabwärts im Abgaskanal gelegenen ersten Strömungswiderstand befindet. Der Druckbegrenzer ist ausgebildet, bei Überschreiten eines Grenzwertes einen Druckabbau in dem an den Zylinder angrenzenden Bereich des Abgassystems durch Umleiten von Abgas in den Ansaugtrakt des Motors zumindest solange durchzuführen, bis der Abgasdruck in diesem Bereich den Grenzwert nicht mehr überschreitet, wobei der Grenzwert unter einem Druckwert gewählt ist, der ein Abluftventil des wenigstens einen Zylinders aufdrücken kann, wobei ein eigener Druckbegrenzer für jeden Zylinder des Motors vorhanden ist.
Mittels des Druckbegrenzers lässt sich der Abgasdruck in dem an den wenigstens einen Zylinder angrenzenden Bereich des Abgassystems begrenzen, so dass ein Rückströmen von heißem Abgas in den Zylinder vermieden werden kann. Je nach Motor und Abgassystem kann eine gezielte Anpassung des Abgasdrucks pro Zylinder durch mehrere Druckbegrenzer mit oder ohne zugehörige Steuereinheiten oder Regeleinheiten vorteilhaft sein.
Der Druckbegrenzer kann ein mechanischer betriebener Druckbegrenzer sein, etwa ein einfaches Überdruckventil zur Umgebung. Mittels einer mechanischen Druckbegrenzung kann die Steuereinheit einfach und zuverlässig realisiert werden. Er kann aber auch ein elektrisch betriebener Druckbegrenzer sein.
Zusätzlich oder Alternativ kann der Druckbegrenzer auch eine Steuereinheit oder eine Regeleinheit für ein gesteuertes Ablassen des Abgasdruckes bzw. ein Halten des Abgasdruckes auf einem bestimmten Wert oder in einem bestimmten Wertebereich umfasst. Mit einem derartigen Druckbegrenzer kann eine komplexere Druckbegrenzung, etwa eine vom Betriebszustand des Motors abhängige Druckbegrenzung, erfolgen.
Der Strömungswiderstand stromabwärts im Abgaskanal kann insbesondere ein Turbinenrad eines turbogeladenen Motors oder ein Katalysator sein. Als Strömungswiderstand sollen aber auch andere Bauteile im Strömungspfad des Abgases verstanden werden, die einen wesentlichen Widerstand für die Strömung des Abgases darstellen, etwa Partikelfilter, etc. Geringe Widerstände, zum Beispiel durch Rohrverengungen oder -krümmungen hervorgerufen, sollen nicht als Strömungswiderstand stromabwärts verstanden werden. Der Ausdruck stromabwärts ist in Richtung des strömenden Abgases gesehen, das heißt vom Zylinder in Richtung Auspuff.
Der Druckbegrenzer kann insbesondere ein Ventil eines Abgassystems umfassen, bspw. ein Turbo-Abblasventil. Eine Steuereinheit oder eine Regeleinheit kann ein oder mehrere bereits vorhandene Ventile oder Klappen zur gezielten Steuerung bzw. Regelung des Abgasdrucks in dem zwischen dem wenigstens einen Zylinder und dem Strömungswiderstand befindlichen Abschnitt des Abgaskanals verwenden.
Der Druckbegrenzer kann aber auch nach einer Zusammenführung der Abgaskanäle der Zylinder zu einem gemeinsamen Abgaskanal angeordnet sein, was die Ausgestaltung des Systems vereinfacht. Es ist dann lediglich ein einziger, allen Zylindern gemeinsamer Druckbegrenzer vorhanden
Falls eine Steuereinheit oder eine Regeleinheit vorhanden ist, kann eine einzige Steuereinheit für sämtliche Zylindervorhanden sein oder getrennte Steuereinheiten für die einzelnen Zylinder.
Der Druckbegrenzer kann eine Austrittsöffnung zum Abführen des Abgases aus dem zwischen dem wenigstens einen Zylinder und dem Strömungswiderstand befindlichen Abschnitt des Abgaskanals in die Umgebung umfassen. Er kann aber auch einen Bypass umfassen, der Abgas unter Umgehung des Strömungswiderstandes in einen anderen Bereich des Abgastrakts oder in den Ansaugtrakt umleitet.
Das erfindungsgemäße Schutzsystem schützt den Motor vor fehlerhafter Verbrennung im Zylinder durch Begrenzen des Abgasdrucks im an den Zylinder angrenzenden Bereich des Abgastraktes. Mittels einer Austrittsöffnung oder Umleitung für das Abgas, deren Strömungsquerschnitt von einer Steuereinheit steuerbar oder einer Regeleinheit regelbar ist, kann zudem der Druck in dem an den Zylinder angrenzenden Bereich des Abgastraktes gesteuert bzw. geregelt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben, es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Motors mit einem erfindungsgemäßen Schutzsystem.

Die Zeichnung dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränkt diese nicht ein. Die Zeichnung und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
1 zeigt ein Schutzsystem 1 für den Verbrennungsmotor 2 eines Kraftfahrzeugs. Von dem Motor 2, hier ein Ottomotor, sind vier Zylinder 3, 4, 5 und 6 dargestellt. Das Kraftfahrzeug umfaßt einen Abgastrakt 7, der in Kommunikation mit den Zylindern 3, 4, 5 und 6 steht. Der Abgastrakt 7 besteht aus einem Hauptabgaskanal 7a und mehreren Abschnitten 7b, 7c, 7d und 7e eines Abgaskrümmers, welche die einzelnen Zylinder 3, 4, 5 und 6 mit dem Hauptabgaskanal 7a verbinden. In einer Zusammenführung 7f treffen die Abschnitte 7b, 7c, 7d und 7e des Abgaskrümmers zusammen, um den Hauptabgaskanal 7a zu bilden.
Stromabwärts von der Zusammenführung 7f ist ein Druckbegrenzer 10 des Schutzsystems 1 im Abgaskanal 7a angeordnet. Weiter stromabwärts von dem Druckbegrenzer 10 ist ein erster Strömungswiderstand 8 im Abgaskanal 7a angeordnet. Der Strömungswiderstand 8 kann ein Turbinenrad eines turbogeladenen Motors (2), ein Katalysator, ein Filter wie ein Partikelfilter, etc. sein. An den Strömungswiderstand 8 schließt sich ein weiterer Teil des Abgaskanals 7 an, der nicht weiter dargestellt ist und zum Beispiel zum Auspuff des Kraftfahrzeugs führen kann.
Der Druckbegrenzer 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Überdruckventil ausgebildet eine, welches einerseits mit dem Abgaskanal 7 und andererseits über eine Austrittsöffnung 11 mit der Umgebung in Verbindung steht. Übersteigt der Druck in dem zwischen den Zylindern 3, 4, 5, 6 und dem Strömungswiderstand 8 befindlichen Abschnitt des Abgaskanals 7 einen vorgegebenen Schwellenwert, so öffnet das Überdruckventil um Druck abzubauen. Die Austrittsöffnung 11 dient dabei zum Abführen von Abgas aus dem Abgaskanal 7, um dort den Druck des Abgases in dem zwischen den Zylindern 3, 4, 5, 6 und dem Strömungswiderstand 8 befindlichen Abschnitt des Abgaskanals 7 auf oder unter den vorgegebenen Schwellenwert abzusenken.
Die Austrittsöffnung 11 kann statt Teil eines speziellen Überdruckventils auch Teil eines üblicherweise eine andere Funktion ausübenden Ventils sein, zum Beispiel ein Turbolader-Abblasventil.
Der Druckbegrenzer 10 kann mechanisch und/oder elektrisch arbeiten. Im Falle einer Ausführung der Erfindung mit einem elektrischen Druckbegrenzer umfaßt dieser ein elektrisch betreiben zumindest zu öffnendes und vorteilhafter Weise auch elektrisch betrieben zu schließendes Ventil, eine Steuereinheit und einen Drucksensor. Der Drucksensor mißt ständig oder in bestimmten Abständen den Druck des Abgases in dem zwischen den Zylindern 3, 4, 5, 6 und dem Strömungswiderstand 8 befindlichen Abschnitt des Abgaskanals 7 und gibt ein den gemessenen Druck repräsentierendes Signal an die Steuereinheit aus. Ergibt sich aus dem Signal, dass ein bestimmter Schwellenwert des Abgasdrucks erreicht oder überschritten ist, greift die Steuereinheit ein und gibt ein Öffnungssignal an das Ventil aus, um eine Druckbegrenzung durch Abführen von Abgas über die Austrittsöffnung 11 in die Umgebung herbeizuführen und so den Druck in dem zwischen den Zylindern 3, 4, 5, 6 und dem Strömungswiderstand 8 befindlichen Abschnitt des Abgaskanals 7 wieder auf oder unter den Schwellenwert abzusenken. Der Schwellwert für den Abgasdruck liegt hierbei unter einem Druckwert, der zu einem Aufdrücken der Abluftventile der Zylinder und infolge dessen zu einem Rückströmen von Abgas in den Zylinder führen könnte. Da dadurch die Ursache für die fehlerhafte Verbrennung beseitigt werden kann, ist der Motor mit einfachen Mitteln effektiv geschützt.
Die Steuereinheit 10 öffnet die Austrittsöffnung 11 ganz oder teilweise, um den Druck des Abgases auf den Schwellwert abzusenken. Zudem kann ein zweiter Schwellwert für den Druck in dem zwischen den Zylindern 3, 4, 5, 6 und dem Strömungswiderstand 8 befindlichen Abschnitt des Abgaskanals 7 vorhanden sein, der eigens für den Schließvorgang der Austrittsöffnung 11 vorgesehen ist und niedriger liegt als der zum Öffnen der Austrittsöffnung führenden Schwellenwert. Auf diese Weise läßt sich ein übermäßiger Druckabbau in dem zwischen den Zylindern 3, 4, 5, 6 und dem Strömungswiderstand 8 befindlichen Abschnitt des Abgaskanals 7 vermeiden.
Der Schwellwert kann von der Steuereinheit 10 an bestimmte Zustände und Situationen, zum Beispiel des Motors 2, anpaßbar sein, so dass je nach Situation ein höherer oder niedrigerer Schwellwert zum Tragen kommt. Informationen zur Anpassung des Schwellwerts kann die Steuereinheit 10 zum Beispiel von einer Motorsteuerung erhalten. Gleiches gilt entsprechend auch für den zweiten, zum Schließen der Austrittsöffnung 11 vorgesehenen Schwellenwert.
Die Steuereinheit 10 kann beispielsweise einen Computer aufweisen, um die Verarbeitung der Signale und Algorithmen durchzuführen. Die elektronische Steuerung kann wie in 1 dargestellt direkt im Druckbegrenzer 10 angeordnet sein. Alternativ kann sie aber auch an anderer Stelle im Abgaskanal 7 angeordnet sein. Es ist auch möglich, die elektronische Steuerung in einem anderen Rechner durchzuführen, der dann mit der Steuereinheit 10 kommuniziert. Insbesondere kann die elektronische Steuerung in die Motorsteuerung integriert sein. Die elektronische Steuerung kann zudem durch eine mechanische Steuerung ergänzt oder ersetzt werden, wobei die mechanische Steuerung vorteilhafter Weise direkt am oder im Abgaskanal 7 angeordnet ist.
In einer Abwandlung des Schutzsystems für den Motor 2 ist die Steuereinheit durch eine Regeleinheit ersetzt, die mittels einer Rückkopplungsschleife den Druck im Abgassystem auf einem bestimmten Wert oder innerhalb eines bestimmten Wertebereiches hält.
Statt wie in der Figur dargestellt, den Druck im Abgassystem durch Ablassen von Abgas direkt an die Umgebung zu reduzieren, ist es auch Möglich, den Druck durch ein Umleiten innerhalb des Abgassystems oder, im Falle einer Abgasrückführung, in das Ansaugsystem es Motors zu reduzieren.

Claims

Schutzvorrichtung für einen Motor (2) mit wenigstens einem Zylinder (3, 4, 5, 6) und einem mit dem Motor (2) kommunizierenden Abgaskanal (7), aufweisend einen Druckbegrenzer (10), der in einem Bereich des Abgaskanals (7) angeordnet ist, der sich zwischen dem wenigstens einen Zylinder (3, 4, 5, 6) und einem stromabwärts im Abgaskanal (7) gelegenen ersten Strömungswiderstand (8) befindet, wobei der Druckbegrenzer (10) ausgebildet ist, bei Überschreiten eines Grenzwertes einen Druckabbau in dem an den Zylinder (3, 4, 5, 6) angrenzenden Bereich des Abgassystems (7) durch Umleiten von Abgas in den Ansaugtrakt des Motors (2) zumindest solange durchzuführen, bis der Abgasdruck in diesem Bereich den Grenzwert nicht mehr überschreitet, wobei der Grenzwert unter einem Druckwert gewählt ist, der ein Abluftventil des wenigstens einen Zylinders (3, 4, 5, 6) aufdrücken kann, wobei ein eigener Druckbegrenzer (10) für jeden Zylinder (3, 4, 5, 6) des Motors (2) vorhanden ist.
Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Druckbegrenzer (10) ein mechanisch betriebener Druckbegrenzer ist.
Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Druckbegrenzer (10) ein elektrisch betriebener Druckbegrenzer ist.
Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strömungswiderstand (8) ein Turbinenrad eines turbogeladenen Motors ist.
Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Strömungswiderstand (8) ein Katalysator ist.
Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Druckbegrenzer (10) ein Ventil eines Abgassystems umfasst.
Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Ventil ein Turbo-Abblasventil ist.
Schutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Druckbegrenzer (10) eine Steuereinheit oder eine Regeleinheit für ein gesteuertes Ablassen des Abgasdruckes bzw. ein Halten des Abgasdruckes auf einem bestimmten Wert oder in einem bestimmten Wertebereich umfasst.