DE102013203042A1

DE102013203042A1 - Turbolader für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben eines turbogeladenen Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102013203042A1
Application number: DE102013203042A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Jan Linsel; Marco Marceno; Klemens Grieser; Bernd Schumacher; Jens Wojahn; Kay Hohenboeken
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US20130269340A1; US9476350B2; CN103375247A; CN103375247B

Abstract

Ein Turbolader (2) für einen Verbrennungsmotor (1) umfaßt ein ölgeschmiertes Lager (2a), eine Zuleitung (8) für das Öl (6) und einen Durchflußbegrenzer (9) für das Öl (6). Der Durchflußbegrenzer (9) wird bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (1) vollständig geöffnet und nach einer vorherbestimmten Zeitspanne wenigstens teilweise geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor, einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader und ein Verfahren zum Betreiben eines turbogeladenen Verbrennungsmotors.
DE 199 59 485 A1 , US 2010/0114454 A1 und JP 59190427 A offenbaren Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung des Öldrucks in einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine.
Neue Anforderungen und Gesetzgebungen an die Schadstoffemissionen bei Kraftfahrzeugen umfassen immer striktere Grenzwerte für Partikelemissionen von Verbrennungsmotoren. Ein Beispiel sind LEV3 in den Vereinigten Staaten und EU6 in Europa, die demnächst eingeführt werden.
Die Erfindung beruht auf der Einsicht und schließt diese mit ein, dass bei turbogeladenen Verbrennungsmotoren, insbesondere Ottomotoren mit Direkteinspritzung, ein erheblicher Anteil der erzeugten Partikel dadurch entsteht, dass Öl unerwünschter Weise in die Verbrennungskammer und potentiell direkt in das Abgas gelangt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren einzuführen, die die Partikelemissionen, welche durch Öl hervorgerufen werden, reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 6 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es wurde festgestellt, dass aus dem Lager des Turboladers austretendes Öl erheblich zu den Partikelemissionen des Verbrennungsmotors beitragen kann und zwar in einem Ausmaß, das den EU6 Grenzwerten für Partikelemissionen in Höhe von 6·10¹¹ Partikeln pro km im NEDC (New European Driving Cycle) erreichen kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor ein ölgeschmiertes Lager, eine Zuleitung für das Öl und einen Durchflußbegrenzer für das Öl. Anstatt wie bisher das Lager des Turboladers direkt mit Öl aus dem Motorölkreislauf zu versorgen, schlägt die Erfindung vor, einen Durchflußbegrenzer vorzusehen, um überschüssiges Öl im Lager des Turboladers zu vermeiden. Da das Lager für eine Schmierung keinen derart hohen Öldruck wie andere Komponenten des Motors benötigt, bestünde bei diesem hohen Öldruck die Gefahr, dass Öl aus dem Lager austritt und in die Brennkammer und das Abgas gelangt, was die Partikelemissionen und eventuell weitere Emissionen erhöht. Der gemäß der Erfindung reduzierte Öldruck im Lager des Turboladers führt zu einem geringeren Ölaustritt in das Luftansaugsystem an dem Verdichterrad und in das Abgassystem an dem Turbinenrad. Der Begriff Öl umfaßt alle Arten von Ölen und weiteren gebräuchlichen Schmiermitteln, die geeignet sind, einen Verbrennungsmotor bzw. dessen Komponenten zu schmieren. Erfindungsgemäß besitzt der Turbolader eine Steuereinheit zum Steuern des Durchflußbegrenzers. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, den Durchflußbegrenzer bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors vollständig zu öffnen und nach einer vorherbestimmten Zeitspanne den Durchflußbegrenzer wenigstens teilweise zu schließen. Dadurch steht der volle Öldruck beziehungsweise die gesamte Durchflußmenge an Öl bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors am Lager des Turboladers zur Verfügung, wodurch eine gute Schmierung des Lagers beim Kaltstart erreicht wird. Bei mit laufendem Betrieb zunehmenden Temperaturen kann der Öldruck aufgrund der abnehmenden Viskosität des Öls und der dadurch bedingten besseren Schmierung des Lagers reduziert werden, um ein Austreten von Öl aus dem Lager zu verhindern.
Der Durchflußbegrenzer kann in der Zuleitung angeordnet sein. Diese Anordnung ist einfach zu realisieren. Alternativ kann der Durchflußbegrenzer Bestandteil des Turboladers oder des Motors sein.
Der Durchflußbegrenzer kann den Druck bzw. die Durchflußmenge des Öls begrenzen. Damit läßt sich der zu erwartende Ölaustritt aus dem Lager des Turboladers auf ein Minimum einstellen.
Der Durchflußbegrenzer kann ein Drosselventil oder eine einfache Blende mit verringertem Querschnitt aufweisen. So läßt sich auf einfache Art und Weise der Druck bzw. der Durchfluß des Öls begrenzen.
Der Durchflußbegrenzer kann zwei einzeln schaltbare Durchflußstufen aufweisen. Damit kann die Schmierung des Lagers des Turboladers an Gegebenheiten wie den Betriebszustand des Motors, Turboladers oder äußere Bedingungen wie Wetter oder Höhe angepaßt werden. Es können auch mehrere Stufen oder eine stufenlose Regelung oder Steuerung vorgesehen sein. Für die Veränderung des Durchflusses kann zum Beispiel ein zweistufig schaltbares (Drossel)-Ventil oder ein stufenlos zu regulierendes Ventil verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verbrennungsmotor einen Turbolader wie zuvor beschrieben. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie oben beschrieben.
Eine Steuerung des Verbrennungsmotors kann auch die Steuereinheit des Turboladers umfassen und dadurch auch den Durchflußbegrenzer steuern. Die Motorsteuerung oder eine andere Steuerung des Fahrzeugs kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebssituation des Motors und/oder des Turboladers sowie weiteren Parametern den Durchfluß steuern oder regeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Betreiben eines turbogeladenen Verbrennungsmotors die folgenden Schritte:

– Zuführen von Öl zu einem Lager des Turboladers;
– Begrenzen des Durchflusses und/oder des Drucks des Öls. Dabei wird der Durchfluß und/oder Druck des Öls (6) bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (1) unbegrenzt an dem Lager (2a) des Turboladers (2) angelegt und nach Verstreichen einer vorherbestimmten Zeitspanne begrenzt.

Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie oben beschrieben.
Die Begrenzung des Öldrucks kann einstellbar sein. Die Höhe des Drucks bzw. die Durchflußmenge des Öls kann in Stufen oder stufenlos variiert oder eingestellt werden. So kann die Schmierung des Lagers bzw. die Gefahr eines Ölaustritts aus dem Lager optimiert werden.
Die Begrenzung kann zum Beispiel in Abhängigkeit von der Last des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Auch weitere Betriebszustände und/oder Temperaturen des Motors und/oder des Turboladers können als Parameter für eine Regelung oder eine Steuerung verwendet werden. So kann die Schmierung des Lagers des Turboladers gezielt dosiert werden. Die Schmierung oder genauer gesagt der Druck und/oder der Durchfluß des Schmiermittels werden minimiert, so dass eine ordnungsgemäße Schmierung gewährleistet ist, jedoch ein Austreten des Schmiermittels aus dem Lager minimiert ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben, es zeigt:
1 einen Verbrennungsmotor mit Turbolader gemäß der Erfindung.
Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein. Die Zeichnungen und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Motor kann es sich um einen Ottomotor zum Beispiel mit Direkteinspritzung oder aber auch um einen Dieselmotor handeln. Der Motor 1 ist mit einem Turbolader 2 aufgeladen. Die Treibstoffleitungen und Luft- bzw. Abgaswege sind der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Auch sind für die Darstellung der Erfindung nicht benötigte Komponenten wie zum Beispiel ein Ladeluftkühler nicht dargestellt.
Mit dem Motor 1 ist ein Getriebe 3 verbunden, das entweder direkt an den Motor 1 angesetzt sein kann oder über eine Welle mit dem Motor 1 verbunden ist.
Im Folgenden wird ein Schmiermittelkreislauf oder Ölkreislauf 4 des Motors 1 erläutert. In einem Sumpf 5 unterhalb des Motors 1 sammelt sich das Öl 6 und wird von dort zu einer Ölpumpe 7 geleitet. Die Ölpumpe 7 pumpt das Öl in den Motor 1, wo es durch den Motor 1 verläuft. Das Getriebe 3 kann ebenfalls an den Ölkreislauf 4 angeschlossen sein.
Der Ölkreislauf 4 oder zumindest ein Zweig parallel zu dem Motor 1 verläuft zu dem Turbolader 2, um ein oder mehrere Lager 2a des Turboladers 2 mit Schmiermittel 6 zu versorgen. Von dort wird das Öl 6 wieder in den Sumpf 5 befördert.
In einer Zuleitung 8, die Öl 6 von dem Motor 1 bzw. von einem anderen Punkt des Ölkreislaufs 4 zu dem Turbolader 2 leitet, ist ein Durchflußbegrenzer 9 für das Öl 6 angeordnet. Der Durchflußbegrenzer 9 kann eine einfache Drossel oder Blende zur Druck- bzw. Durchflußbegrenzung aufweisen. Alternativ kann ein Ventil oder ein ähnliches Stellmittel verwendet werden, das in einer Kalibrierung oder Wartung eingestellt wird.
Der Durchflußbegrenzer 9 kann aber auch zwei oder mehr einzeln schaltbare Durchflußstufen haben, was zum Beispiel durch ein Mehrwegeventil realisiert sein kann. So kann der Durchflußbegrenzer 9 zum Beispiel an Betriebsbedingungen wie Last oder Temperatur des Motors 1 und/oder des Turboladers 2 angepaßt werden. Weitere Parameter des Motors 1, des Turboladers 2, des Getriebes 3 oder weiterer Bestandteile des Fahrzeugs können bei der Steuerung oder Regelung des Durchflußbegrenzers 9 berücksichtigt werden. Der Durchflußbegrenzer 9 kann auch stufenlos eingestellt werden, so dass der Ölfluß stetig angepaßt werden kann.
Eine Steuerung oder Regelung 10, wie zum Beispiel die Motorsteuerung oder ein gewisser Teil davon wie zum Beispiel eine Softwareroutine, kann die Ansteuerung des Durchflußbegrenzers 9 durchführen. Dazu kommuniziert die Steuerung 10 zumindest mit dem Motor 1 und dem Durchflußbegrenzer 9, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt. Weitere Verbindungen wie zum Beispiel zu dem Turbolader 2 oder zu Temperatursensoren oder weiteren Steuerungen sind möglich, jedoch nicht dargestellt.
Im Betrieb des Fahrzeugs bzw. des Motors 1 wird Öl 6 zu dem Lager 2a des Turboladers 2 zugeführt. Der Durchfluß und/oder der Druck des Öls 6, der von der Ölpumpe 7 aufgebaut wird, wird von dem Durchflußbegrenzer 9 begrenzt, so dass das Lager 2a weiterhin ausreichend geschmiert wird, jedoch kein bis wenig überflüssiger Druck bzw. nicht zu viel Öl 6 am bzw. im Lager 2a vorhanden ist. So ist ein ordnungsgemäßer Betrieb unter Minimierung des Ölaustritts aus dem Lager 2a garantiert, was die Partikelemissionen erheblich reduziert.
Bei einem Kaltstart ist zur schnellen Aktivierung des Turboladers 2 vorgesehen, den Durchflußbegrenzer 9 vollständig zu öffnen, so dass zumindest kurzzeitig der volle Druck bzw. die gesamte Durchflußmenge an Öl 6 dem Lager 2a zur Verfügung steht. Erst nach dem Verstreichen einer Zeitspanne wird der Durchflußbegrenzer 9 wenigstens teilweise geschlossen, wodurch der Druck beziehungsweise die Durchflußmenge an Öl 6 begrenzt wird.
Im weiteren Betrieb wird der Durchflußbegrenzer 9 vorzugsweise von der Steuerung 10 angesteuert oder geregelt, so dass die Schmierung des Lagers 2a nach Bedarf erfolgt. Dabei wird insbesondere der Betriebszustand wie die Last des Motors 1 berücksichtigt. Als Parameter kann auch die Drehzahl des Motors 1 gewählt werden. Wie oben ausgeführt, können weitere oder andere Parameter zum Beispiel des Turboladers verwendet werden. Die Begrenzung des Durchflusses kann als Regelung oder als Steuerung ausgeführt sein.
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

DE 19959485 A1 [0002]
US 2010/0114454 A1 [0002]
JP 59190427 A [0002]

Claims

Turbolader für einen Verbrennungsmotor (1), mit einem ölgeschmierten Lager (2a), einer Zuleitung (8) für das Öl (6), einem Durchflußbegrenzer (9) für das Öl (6) und einer Steuereinheit (10) zum Steuern des Durchflußbegrenzers (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, den Durchflußbegrenzer (9) bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (1) vollständig zu öffnen und nach einer vorherbestimmten Zeitspanne den Durchflußbegrenzer (9) wenigstens teilweise zu schließen.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Durchflußbegrenzer (9) in der Zuleitung (8) angeordnet ist.
Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Durchflußbegrenzer (9) den Druck des Öls (6) begrenzt.
Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Durchflußbegrenzer (9) ein Drosselventil aufweist.
Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Durchflußbegrenzer (9) zwei einzeln schaltbare Durchflußstufen aufweist.
Verbrennungsmotor mit einem Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei eine Steuerung (10) des Verbrennungsmotors (1) die Steuereinheit für den Durchflußbegrenzer (9) umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines turbogeladenen Verbrennungsmotors (1), mit den folgenden Schritten: – Zuführen von Öl (6) zu einem Lager (2a) des Turboladers (2); – Begrenzen des Durchflusses und/oder des Drucks des Öls (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluß und/oder Druck des Öls (6) bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (1) unbegrenzt an das Lager (2a) des Turboladers (2) angelegt und nach Verstreichen einer vorherbestimmten Zeitspanne begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Begrenzung einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Begrenzung in Abhängigkeit von der Last des Verbrennungsmotors (1) eingestellt wird.