DE102013215164A1

DE102013215164A1 - Einrichtung zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Ladeluftkühlers und Verfahren zum Betrieb einer solchen Einrichtung

Info

Publication number: DE102013215164A1
Application number: DE102013215164.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Klöckner
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-19
Also published as: WO2015014660A1

Abstract

Eine Einrichtung (4) zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal (10) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Ladeluftkühlers (3) hat einen einzigen elektrischen Stellantrieb (5) zum Antrieb eines Kühlerregelventils (7) und eines Bypassventils (9). Ein dem Stellantrieb (5) nachgeschaltetes Getriebe (14) ermöglicht die Erzeugung vorgesehener unabhängiger Stellkurven des Kühlerregelventils (7) und des Bypassventils (9). Die Einrichtung (4) ist hierdurch besonders einfach aufgebaut.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Ladeluftkühlers mit einem eine Strömung durch den Ladeluftkühler steuernden Kühlerregelventil und mit einem eine Strömung in einer an dem Ladeluftkühler vorbei geführten Bypassleitung steuernden Bypassventil, wobei das Kühlerregelventil und das Bypassventil einen gemeinsamen elektrischen Stellantrieb aufweisen, wobei ein dem elektrischen Stellantrieb nachgeschaltetes Getriebe in Abhängigkeit von einer Antriebsposition des Stellantriebs mehrere Betriebsbereiche aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Einrichtung zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Ladeluftkühlers.
Eine solche Einrichtung ist aus der Praxis bekannt. Der Vorteil von solchen Einrichtungen mit einem gemeinsamen elektrischen Stellantrieb für zwei Ventile liegt in einem geringen Energiebedarf und einem besonders geringen Anlageaufwand. Jedoch ist die Freiheit der Steuerung der beiden Ventile sehr eingeschränkt. Bei der aus der Praxis bekannten Einrichtung wird der Antriebsbereich des Stellantriebes in zwei Betriebsbereiche unterteilt. In dem einen Betriebsbereich wird das eine Ventil und in dem anderen Betriebsbereich werden beide Ventile angetrieben. Damit stellt sich eine sehr starke Abhängigkeit der Steuerungen der Ventile ein. Dies hat bei den Steuerungen der Strömungen durch den Ladeluftkühler und durch den Bypasskanal den Nachteil, dass sich die Regelung der Temperatur bei gleich bleibendem Unterdruck im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine oder die Regelung des Unterdrucks bei gleich bleibender Temperatur sehr schwierig gestaltet.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass sie starke Abhängigkeiten der Ansteuerung der Ventile mit einem einzigen Stellantrieb vermeidet. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betrieb der Einrichtung geschaffen werden, welches eine vorgesehene Unterdruckregelung bei im Wesentlichen konstanter Ansaugtemperatur ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Getriebe zwei von dem Stellantrieb angetriebene Zwangsführungen hat, und dass mit den Ventilen gekoppelte Stellmittel jeweils von den Zwangsführungen angetrieben sind.
Durch diese Gestaltung weist die erfindungsgemäße Einrichtung in Abhängigkeit von der Antriebsposition des elektrischen Stell- antriebes unterschiedliche Betriebsbereiche auf, in denen wahlweise das eine oder das andere der Ventile oder beide in einer gemeinsamen Koppelung ihrer Bewegungen angesteuert wird. Damit kann in zumindest einem Betriebsbereich das eine Ventil doppelt so schnell geöffnet werden wie das andere, und in einem anderen Betriebsbereich öffnen und schließen die Ventile gegensätzlich. Dies ermöglicht in zumindest einem Betriebsbereich wahlweise die Regelung der Ansaugtemperatur bei nahezu konstantem Unterdruck oder die Regelung des Unterdrucks bei nahezu konstanter Ansaugtemperatur. Erfindungsgemäß lässt sich beim Start der Brennkraftmaschine die Warmlaufphase verkürzen, weil in diesem Betriebszustand der Ladeluftkühler durch Schließen des Kühlerregelventils umgangen wird. Daher gelangt in diesem Betriebszustand über die Bypassleitung ungekühlte Luft von einem Turbolader in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine.
Eine mit der Einrichtung ausgestattete Brennkraftmaschine erreicht gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung frühzeitig eine vorgesehene Betriebstemperatur, wenn das Küh- lerregelventil bei beginnendem Öffnen des Bypassventils in einer geschlossenen Stellung verbleibt. Das frühzeitige Erreichen der vorgesehenen Betriebstemperatur ermöglicht einen besonders geringen Verschleiß und einen geringen Treibstoffverbrauch bei einem Kaltstart; bei einem Dieselmotor zudem geringe Abgasemissionen.
Eine nahezu beliebige Steuerkurve bei konstantem Stellantrieb lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erzeugen, wenn das Getriebe zumindest eine auf einer Scheibe angeordnete Führungsnut und ein in die Führungsnut eindringendes Stellmittel hat.
Die Zwangsführungen gestalten sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach, wenn das Getriebe zumindest eine von dem Stellantrieb angetriebene Nockenscheibe aufweist und dass ein mit einem der Ventile gekoppeltes Stellrad auf der Nockenscheibe anliegt.
Bei einer großen Anzahl von Betriebsbereichen ermöglicht die Einrichtung gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine besonders schnelle Auswahl des vorgesehenen Betriebsbereichs, wenn die Führungsnut oder eine das Stellrad führende Umlaufbahn der Nockenscheibe über einen vollständigen Kreisbogen stetig gestaltet sind, so dass nach einer vollständigen Drehung der Scheibe oder der Nockenscheibe und der Ansteuerung des letzten Betriebsbereiches der erste Betriebs- bereich ansteuerbar ist und dass die Scheibe oder die Nocken- scheibe in beide Drehrichtungen antreibbar ist. Durch diese Gestaltung wird vermieden, dass beispielsweise die Betriebsbereiche 2 bis 6 durchfahren werden müssen, wenn versucht wird von dem siebenten Betriebsbereich in den ersten Betriebsbereich zu gelangen.
Zur Vereinfachung des Aufbaus der Einrichtung trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn das Getriebe zumindest einen Totgang hat, innerhalb welchem ein Antrieb eines der Ventile beim Betrieb des Stellantriebes unterbleibt. Durch die Anordnung zumindest eines Totgangs in dem Getriebe kann das eine Ventil verstellt werden, während das andere der Ventile in seiner Lage verbleibt. Damit lässt sich eine stufige Ansteuerung der Ventile bei konstantem Antrieb des elektrischen Stellantriebs erzeugen. Für die Erzeugung mehrerer Stufen können entsprechend mehrere Totgänge in dem Getriebe angeordnet sein. Im einfachsten Fall lassen sich die Totgänge durch zylindrische Abschnitte auf der Nockenscheibe oder in der Führungsnut erzeugen.
Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung eines Verfahrens zum Betrieb der Einrichtung zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Ladeluftkühlers, welches eine vorgesehene Unterdruckregelung bei im Wesentlichen konstanter Ansaugtemperatur ermöglicht, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einer Betriebsstellung des Stellantriebs das eine Ventil geschlossen ist, während über die Stellung des anderen Ventils ein Unterdruck im Ansaugkanal der Brennkraftmaschine geregelt wird und dass in einer anderen Betriebsstellung die Bewegungen der Ventile gekoppelt sind.
Durch diese Gestaltung werden die Gasströme durch den Ladeluftkühler und durch die an dem Ladeluftkühler vorbei geführten Bypassleitung unabhängig voneinander geregelt. Damit kann wahlweise der Unterdruck im Ansaugkanal weitgehend konstant gehalten werden und die Temperatur geregelt oder die Temperatur weitgehend konstant gehalten und der Unterdruck geregelt werden.
Der Betriebsbereich des Stellantriebs, in welchem die Ventile geöffnet oder geschlossen werden, lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in Unterbereiche unterteilen, wenn in Abhängigkeit von der Antriebsposition des Stellantriebs eines der Ventile stufig geöffnet oder geschlossen wird, während das andere der Ventile kontinuierlich geschlossen oder geöffnet wird oder in einer Stellung verharrt. Hierdurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Vielzahl von Steuermöglichkeiten der Temperatur und des Drucks in dem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine.
Die Strömungen in der Bypassleitung und in dem Ladeluftkühler lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders einfach unabhängig voneinander steuern, wenn in einem Betriebsbereich des Stellantriebs das eine der Ventile und in einem anderem Betriebsbereich das andere der Ventile angetrieben wird, wobei das nicht angetriebene Ventil in seiner Stellung verharrt. Hierdurch wird über die Antriebsposition des Stellantriebs festgelegt, welches der Ventile angesteuert wird.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in:
1 eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einer Einrichtung nach der Erfindung,
2a eine Ausführungsform eines Getriebes der Einrichtung aus 1,
2b eine weitere Ausführungsform des Getriebes der Einrichtung aus 1,
3 Steuerkurven im Betrieb der Einrichtung aus 1 mit drei Betriebsbereichen,
4 weitere Steuerkurven im Betrieb der Einrichtung mit vier Betriebsbereichen,
5 weitere Steuerkurven im Betrieb der Einrichtung mit drei Betriebsbereichen.
1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2, mit einem Ladeluftkühler 3 und mit einer Einrichtung 4 zur Steuerung des Ladeluftkühlers 3. Die Einrichtung 4 hat einen einzigen elektrischen Stellantrieb 5 zur Steuerung eines vor dem Ladeluftkühler 3 in einer Kühlerleitung 6 angeordneten Kühlerregelventils 7 und eines in einer Bypassleitung 8 angeordneten Bypassventils 9. Die Bypassleitung 8 und die Kühlerleitung 6 münden gemeinsam in einen Ansaugkanal 10 der Brennkraftmaschine 1. Von der Brennkraftmaschine 1 führt ein Abgaskrümmer 11 über den Abgasturbolader 2 in einen Abgaskanal 12. Der Abgasturbolader 2 verdichtet von einem Ansaugstutzen 13 angesaugte Ansaugluft und führt diese der Kühlleitung 6 und der Bypassleitung 8 zu. Der elektrische Stellantrieb 5 treibt über ein Getriebe 14 das Kühlerregelventil 7 und das Bypassventil 9 an.
2a zeigt die Einrichtung 4 mit dem Kühlerregelventil 7 und dem Bypassventil 9 mit einem einzigen elektrischen Stellantrieb 5 und dem Getriebe 14. Das Getriebe 14 weist in Abhängigkeit von einer Antriebsposition des Stellantriebs 5 mehrere Betriebsbereiche auf. Hierfür hat das Getriebe 14 eine Nockenscheibe 15, an der ein mit dem Bypassventil 9 verbundenes Stellrad 16 anliegt. Durch die Kontur der Nockenscheibe 15 lassen sich verschiedene Betriebsbereiche erzeugen. Die Nockenscheibe 15 weist zylin- drische Abschnitte 17, 18 mit unterschiedlichen Durchmessern und einen geneigten Abschnitt 19 als Übergang der zylindrischen Abschnitte 17, 18 auf. Das mit dem Stellrad 16 verbundene By- passventil 9 wird nur verstellt, wenn das Stellrad 16 an dem steilen Abschnitt 19 anliegt. Das Kühlerregelventil 7 hat einen Mitnehmer 20, und kann daher linear bis zu einem Anschlag verstellt werden und hat anschließend einen Totgang 21, in dem das Kühlerregelventil 7 bei weiterem Antrieb des Stellantriebs 5 nicht weiter verstellt wird. Damit lassen sich die Ventile 7, 9 unabhängig voneinander ansteuern.
2b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Getriebes 114 zur Ansteuerung der beiden Ventile 7, 9 mit dem einzigen Stellantrieb 5. Hierbei ist zu erkennen, dass jedes der Ventile 7, 9 mit einem Stellrad 116, 116' verbunden ist und jeweils über eine Nockenscheibe 115, 115' angesteuert wird. Umlaufende Führungsbahnen 117, 117' der Nockenscheiben 115, 115', auf der die Stellräder 116, 116' abrollen, sind stetig über den Umfang gestaltet. Hierdurch lassen sich die Nockenscheiben 115, 115' über mehrere Umdrehungen drehen und dabei die vorgesehenen Stellungen der Ventile 7, 9 in Abhängigkeit von dem einzelnen Stellantrieb 5 der Reihe nach ansteuern.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann das Getriebe 14 auch eine andere Zwangssteuerung der Ventile 7, 9 aufweisen. Hierzu kann beispielsweise in einer von dem einzigen Stellantrieb 5 angetriebenen Scheibe eine Führungsnut angeordnet sein, in die ein mit zumindest einem der Ventile 7, 9 verbundenes Stellmittel eindringt.
Die 3 bis 5 zeigen jeweils eine Steuerkurve a7, a7’, a7“, a9, a9’, a9“ zur Ansteuerung der Einrichtung 4 aus 1 mit dem Öffnungswinkel des Kühlerregelventils 7 und des Bypass- ventils 9 über einen Stellbereich des elektrischen Stellantriebes 5. In dem Stellbereich ist beispielhaft der Antrieb des Getriebes 14 über einen Winkelbereich von 0° bis 180° dargestellt.
3 zeigt Steuerkurven a7, a9 mit drei Betriebsbereichen B1, B2, B3. Im ersten Betriebsbereich B1, welcher dem Stellbereich von 0° bis 90° entspricht, wird nur eines der Ventile 7 angetrieben. Das andere Ventil 9 verbleibt in seiner Stellung. Im zweiten Betriebsbereich B2, welcher dem Stellbereich zwischen 90° und 135° des Stellantriebes 5 entspricht, werden beide Ventile 7, 9 angetrieben, während im dritten Betriebsbereich B3, welcher dem Stellbereich zwischen 135° und 180° entspricht, das andere der Ventile 9 ohne Mitnahme des ersten Ventils 7 angetrieben wird. Damit können durch eine entsprechende Auswahl des Stellbereichs des Stellantriebes 5 die Ventile 7, 9 wahlweise gemeinsam oder unabhängig voneinander angesteuert werden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform von Steuerkurven a7’, a9’ des Kühlerregelventils 7 und des Bypassventils 9 über den Stellbereich des Stellantriebes 5. Hierbei ist der Stellbereich des elektrischen Stellantriebes 5 der Einrichtung 4 in vier Betriebsbereiche B1’, B2a, B2b, B2c unterteilt. Im ersten Betriebsbereich B1’, welcher dem Stellbereich des Stellantriebes 5 zwischen 0° und 90° entspricht, wird nur eines der Ventile 7 angesteuert, und das andere Ventil 9 verbleibt in seiner Lage. In drei weiteren Betriebsbereichen B2a, B2b B2c, in welchem der Stellantrieb von 90° bis 180° angetrieben wird, wird das andere Ventil 9 stufig angetrieben, während das erste Ventil 7 wieder in seine Ausgangslage zurück bewegt wird.
5 zeigt weitere Ausführungsformen von Steuerkurven a7“, A9“ zur Ansteuerung des Kühlerregelventils 7 und des Bypassventils 9 über den Stellbereich des Stellantriebes 5. Die Steuerkurven a7“, a9“ haben drei Betriebsbereiche B1“, B2“, B3“. In einem ersten Betriebsbereich B1“ mit einem Stellbereich von 0° bis 80° und in einem dritten Betriebsbereich B3“ mit einem Stellbereich von 100° bis 180° wird jeweils nur eines der Ventile 7, 9 angesteuert, während das andere der Ventile 9, 7 in seiner jeweiligen Stellung verbleibt. In einem mittleren Betriebsbereich B2“ mit einem Stellbereich von 80° bis 100° werden beide Ventile 7, 9 nacheinander sehr schnell angesteuert.

Claims

Einrichtung (4) zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal (10) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Ladeluftkühlers (3) mit einem eine Strömung durch den Ladeluftkühler (3) steuernden Kühlerregelventil (7) und mit einem eine Strömung in einer an dem Ladeluftkühler (3) vorbei geführten Bypassleitung (8) steuernden Bypassventil (9), wobei das Kühlerregelventil (7) und das Bypassventil (9) einen gemeinsamen elektrischen Stellantrieb (5) aufweisen, wobei ein dem elektrischen Stellantrieb (5) nachgeschaltetes Getriebe (14, 114) in Abhängigkeit von einer Antriebsposition des Stellantriebs (5) mehrere Betriebsbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14, 114) zwei von dem Stellantrieb (5) angetriebene Zwangsführungen hat und dass mit den Ventilen (7, 9) gekoppelte Stellmittel jeweils von den Zwangsführungen angetrieben sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlerregelventil (7) bei beginnendem Öffnen des Bypassventils (9) in einer geschlossenen Stellung verbleibt.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14, 114) zumindest eine auf einer Scheibe angeordnete Führungsnut und ein in die Führungsnut eindringendes Stellmittel hat.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14, 114) zumindest eine von dem Stellantrieb (4) angetriebene Nockenscheibe (15, 115, 115') aufweist und dass ein mit einem der Ventile (7, 9) gekoppeltes Stellrad (16, 116, 116') an der Nockenscheibe (15, 115, 115') anliegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsnut oder eine das Stellrad (116, 116') führende Umlaufbahn der Nockenscheibe (115, 115') über einen vollständigen Kreisbogen stetig gestaltet sind, so dass nach einer vollständigen Drehung der Scheibe oder der Nockenscheibe (115, 115') und der Ansteuerung des letzten Betriebsbereiches der erste Betriebsbereich ansteuerbar ist und dass die Scheibe oder die Nockenscheibe (115, 115') in beide Drehrichtungen antreibbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14, 114) zumindest einen Totgang (21) hat, innerhalb welchem ein Antrieb eines der Ventile (7, 9) beim Betrieb des Stellantriebes (5) unterbleibt.
Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung (4) zur Steuerung eines in einem Ansaugkanal (10) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Ladeluftkühlers (3) nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebsstellung des Stellantriebs (5) das eine Ventil (7, 9) geschlossen ist, während über die Stellung des anderen Ventils (9, 7) ein Unterdruck im Ansaugkanal (10) der Brennkraftmaschine (1) geregelt wird und dass in einer anderen Betriebsstellung die Bewegungen der Ventile (7, 9) gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Antriebsposition des Stellantriebs (5) eines der Ventile (7, 9) stufig geöffnet oder geschlossen wird, während das andere der Ventile (9, 7) kontinuierlich geschlossen oder geöffnet wird oder in einer Stellung verharrt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebsbereich des Stellantriebs (5) das eine der Ventile (7, 9) und in einem anderem Betriebsbereich das andere der Ventile (9, 7) angetrieben wird, wobei das nicht angetriebene Ventil (7, 9) in seiner Stellung verharrt.