DE102015214681A1

DE102015214681A1 - Verfahren zum Steuern des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit parallel angeordneten Turbinen

Info

Publication number: DE102015214681A1
Application number: DE102015214681.2A
Authority: DE
Inventors: Vanco Smiljanovski; Franz J. Brinkmann; Jens Wojahn; Jörg Kemmerling; Harald Stoffels
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-08-01
Also published as: DE102015214681B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1). Es soll ein Verfahren der genannten Art aufgezeigt werden, mit dem sich die Abgasturboaufladung und Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmachine, insbesondere das transiente Verhalten, weiter verbessern lässt. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine aktiviert wird, indem – unter Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks das zweite Absperrelement in der zweiten Bypassleitung der Turbine des zweiten Abgasturboladers in einem vorgebbaren Umfang geschlossen wird und das erste Absperrelement in der ersten Ansaugleitung des Verdichters des ersten Abgasturboladers in einem vorgebbaren Umfang geöffnet wird, und – die abgeschalteten Auslassöffnungen zwecks Aktivierung der ersten Turbine zugeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine hindurchgeführte abnehmende Abgasmenge durch Verstellen des ersten Absperrelements kompensiert wird, in dem Umfang, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu den mindestens zwei Zylindern vorgesehen ist,
– mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– die Verdichter der mindestens zwei Abgasturbolader parallel im Ansaugsystem angeordnet sind, wobei jeder Verdichter in einer separaten Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordnet ist und die separaten Ansaugleitungen stromabwärts der Verdichter zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen,
– die Abgasleitungen der schaltbaren Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist,
– die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des zweiten Abgasturboladers verbunden ist,
– stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers ein erstes Absperrelement in der zugehörigen ersten Ansaugleitung angeordnet ist,
– die Turbine des zweiten Abgasturboladers als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts dieser zweiten Turbine eine zweite Bypassleitung vom Abgasabführsystem abzweigt und ein zweites Absperrelement in der zweiten Bypassleitung vorgesehen ist, und
– jede schaltbare Auslassöffnung mit einem schaltbaren Auslassventil ausgestattet ist, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung abschaltet und sich ein zugeschaltetes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h_max bewegt und dabei die zugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_max freigibt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Jedes Hubventil bewegt sich unter Ausbildung, d. h. Vollziehen eines Ventilhubs zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung und gibt dabei die ventilzugehörige Öffnung während einer Öffnungsdauer frei. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen der Brennräume mit Ladeluft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei in der Regel eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Zylinder sowie ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder daher auch häufig mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet. Auch die mindestens zwei Zylinder der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sind mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet.
Die Einlasskanäle, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber – wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine – gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Stromabwärts der Krümmer werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine den Turbinen von mindestens zwei Abgasturboladern zugeführt und gegebenenfalls einem oder mehreren Systemen zur Abgasnachbehandlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Ein Abgasturbolader umfasst einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der mindestens zwei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Grundsätzlich ist man bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine und damit des Turboladers zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird auch angestrebt, die thermische Trägheit und das Volumen des Leitungssystems zwischen den Auslassöffnungen der Zylinder und der Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge der Abgasleitungen erreicht werden kann. Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf ist dabei zielführend.
Die Auslegung der Abgasturboladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis und der Ladedruck ebenfalls abnehmen, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht, beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet die Abgasmenge eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern. Das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine ist deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist, d. h. sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge einzelne Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel angeordneten Turbinen ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Mindestens eine Turbine ist als zuschaltbare Turbine ausgebildet, welche nur bei größeren Abgasmengen mit Abgas beaufschlagt wird, d. h. aktiviert wird.
Um die Drehmomentcharakteristik weiter zu verbessern, wird jeder Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit mindestens einer zuschaltbaren Auslassöffnung ausgestattet. Die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern werden dann gruppenweise in der Art zusammen geführt, dass die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen jeweils unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden.
Die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen führen zu der Turbine des ersten Abgasturboladers und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen zu der Turbine des zweiten Abgasturboladers. Die den zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeordnete erste Turbine ist damit als zuschaltbare Turbine ausgebildet. Gemäß dem Stand der Technik werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen nur bei größeren Abgasmengen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet und dadurch die zugeschaltete erste Turbine mit Abgas beaufschlagt.
Im Vergleich zu Konzepten, bei denen stromaufwärts der beiden Turbinen ein einziges zusammenhängendes Abgasleitungssystem vorgesehen ist, verbessert sich durch die vorstehend beschriebene Gruppierung, d. h. die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgaskrümmer, das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine insbesondere bei kleinen Abgasmengen spürbar; auch weil das Leitungsvolumen stromaufwärts der kontinuierlich von Abgas durchströmten zweiten Turbine durch diese Maßnahme verkleinert wird, was bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d. h. geringen Abgasmengen, vorteilhaft ist und insbesondere das Ansprechverhalten verbessert.
Es ergeben sich aber auch Nachteile. Die Drehzahl der zuschaltbaren Turbine fällt bei Deaktivierung stark ab, so dass bei erneutem Zuschalten das Laufzeug dieser Turbine zunächst beschleunigt werden muss, um verdichterseitig den gewünschten Ladedruck generieren und bereitstellen zu können. Das Ansprechverhalten verschlechtert sich folglich.
Um eine Mindestdrehzahl der zuschaltbaren Turbine sicherzustellen, könnte die zuschaltbare Turbine auch bei abgeschalteten Auslassöffnungen mit einem kleinen Abgasstrom versorgt werden. Hierzu müsste eine entsprechende Leitung den zweiten Abgaskrümmer mit der ersten Turbine gegebenenfalls unter Verwendung mindestens eines zusätzlichen Absperrelementes verbinden, wodurch aber die Komplexität und der Raumbedarf des Abgasleitungssystems stromaufwärts der Turbinen in unvorteilhafter Weise zunehmen. Darüber hinaus würde durch die Leitung eine Verbindung zwischen beiden Abgaskrümmern geschaffen und die oben beschriebene Gruppierung aufgehoben werden. Die durch die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgaskrümmer erzielten Effekte würden zumindest abgeschwächt werden.
Ein weiterer Nachteil bei Einsatz einer zuschaltbaren Turbine der vorstehend beschriebenen Art, bei der zuschaltbare Auslassöffnungen als Mittel zum Schalten Verwendung finden, besteht darin, dass beim Zuschalten der Auslassöffnungen zwecks Zuschalten der Turbine der durch die zweite Turbine geführte Abgasstrom schlagartig abnimmt, da dem Abgas während des Ladungswechsels nunmehr je Zylinder eine weitere Auslassöffnung, nämlich die zugeschaltete Auslassöffnung, zur Verfügung steht. Beim Zuschalten der ersten Turbine vermindert sich dann der mit dem zweiten Verdichter generierte Ladedruck abrupt. Der mit dem Ladedruckabfall einhergehende Drehmomentabfall ist unerwünscht. Insofern sind Maßnahmen erforderlich, um das transiente Verhalten der Abgasturboaufladung beim Zuschalten der ersten Turbine zu verbessern.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem sich die Abgasturboaufladung und Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmachine, insbesondere das transiente Verhalten, weiter verbessern lässt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu den mindestens zwei Zylindern vorgesehen ist,
– mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– die Verdichter der mindestens zwei Abgasturbolader parallel im Ansaugsystem angeordnet sind, wobei jeder Verdichter in einer separaten Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordnet ist und die separaten Ansaugleitungen stromabwärts der Verdichter zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen,
– die Abgasleitungen der schaltbaren Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist,
– die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des zweiten Abgasturboladers verbunden ist,
– stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers ein erstes Absperrelement in der zugehörigen ersten Ansaugleitung angeordnet ist,
– die Turbine des zweiten Abgasturboladers als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts dieser zweiten Turbine eine zweite Bypassleitung vom Abgasabführsystem abzweigt und ein zweites Absperrelement in der zweiten Bypassleitung vorgesehen ist, und
– jede schaltbare Auslassöffnung mit einem schaltbaren Auslassventil ausgestattet ist, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung abschaltet und sich ein zugeschaltetes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h_max bewegt und dabei die zugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer ∆t_max freigibt,

– unter Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks das zweite Absperrelement in der zweiten Bypassleitung der Turbine des zweiten Abgasturboladers in einem vorgebbaren Umfang geschlossen wird und das erste Absperrelement in der ersten Ansaugleitung des Verdichters des ersten Abgasturboladers in einem vorgebbaren Umfang geöffnet wird, und
– die abgeschalteten Auslassöffnungen zwecks Aktivierung der ersten Turbine zugeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine hindurchgeführte abnehmende Abgasmenge durch Verstellen des ersten Absperrelements kompensiert wird, in dem Umfang, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vor dem Zuschalten der abgeschalteten Auslassöffnungen vorbereitende Maßnahmen durchgeführt, um einem Drehmomentabfall beim Aktivieren der ersten Turbine effektiv, vorzugsweise verzögerungsfrei, entgegen wirken zu können. So wird die an der zweiten Turbine vorbeigeführte Abgasmenge durch zumindest teilweises Schließen des zweiten Absperrelements bzw. der zweiten Bypassleitung reduziert, wobei die dadurch zusätzlich an der zweiten Turbine generierte Leistung, die als zusätzliche Verdichterleistung zur Verfügung steht, gleichzeitig dadurch kompensiert, d. h. verbraucht wird, dass das erste Absperrelement in der ersten Ansaugleitung stromabwärts des ersten Verdichters in dem entsprechend erforderlichen Umfang geöffnet wird, um den Ladedruck und die zu den Zylindern geförderte Ladeluftmenge steuern und dosieren zu können bzw. den Ladedruck und die Ladeluftmenge beim Durchführen der vorbereitenden Maßnahmen unverändert aufrechterhalten, d. h. beibehalten zu können. Der zweite Verdichter wird dabei mit einer signifikant höheren Drehzahl betrieben als bei geschlossenem ersten Absperrelement, und komprimiert und fördert mehr Ladeluft als tatsächlich erforderlich wäre. Der zweite Verdichter weist eine momentane Drehzahlreserve auf.
Werden die abgeschalteten Auslassöffnungen zwecks Aktivierung der ersten Turbine zugeschaltet, wird die via den zugeschalteten Auslassöffnungen aus den Zylindern abgeführte Abgasmenge, d. h. der Abgasstrom, der nun an der zweiten Turbine fehlt, durch Verstellen des ersten Absperrelements in Richtung Schließstellung kompensiert, und zwar in dem Umfang, dass der angeforderte Ladedruck bereitgestellt wird bzw. der bestehende Ladedruck aufrechterhalten wird.
Der durch die zweite Turbine geführte Abgasstrom nimmt beim Zuschalten der ersten Turbine zwar ab. Der aus dem Stand der Technik beobachtete Drehmomentabfall infolge eines Ladedruckverlustes bleibt aber erfindungsgemäß aus.
Einem Drehmomentabfall beim Aktivieren der ersten Turbine kann nahezu verzögerungsfrei entgegengewirkt werden, da erfindungsgemäß einlassseitig, d. h. auf Seiten des Ansaugsystems, Einfluss auf den Ladedruck genommen wird, nämlich unter Verwendung des ersten Absperrelementes.
Diese Vorgehensweise ermöglicht eine sehr schnell ansprechende Ladedrucksteuerung. Gegenüber Verfahren, bei denen der Ladedruck abgasseitig durch Verstellen des zweiten Absperrelementes, d. h. mittels Schließen der zweiten Bypassleitung, erhöht wird bzw. gesteigert werden soll, erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Ladedrucks als wesentlich schneller.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem sich die Abgasturboaufladung und Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmachine, insbesondere das transiente Verhalten, weiter verbessern lässt.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen. Es können auch drei Abgasturbolader vorgesehen werden.
Nach dem Stand der Technik werden Drei-Zylinder-Reihenmotoren selten mit zwei parallel angeordneten Turbinen ausgestattet. Die erfindungsgemäße Zusammenführung der Abgasleitungen lässt dies aber problemlos zu, obwohl Drei-Zylinder-Reihenmotoren einer Gruppierung, insbesondere einer Zylindergruppierung, prinzipbedingt nur schwer zugänglich sind.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Zylinderkopf mit drei Zylindern aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine aktiviert wird, indem unter Beibehaltung des Ladedrucks das zweite Absperrelement in einem vorgebbaren Umfang geschlossen und das erste Absperrelement in einem vorgebbaren Umfang geöffnet wird.
Vorliegend werden die vorbereitenden Maßnahmen unter Beibehaltung des Ladedrucks durchgeführt, d. h. die Brennkraftmaschine wird in dieser Phase des Verfahrens zumindest hinsichtlich des Ladedrucks bzw. der Aufladung stationär betrieben, d. h. bei im Wesentlichen unverändertem Ladedruck. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Allgemeinen erfolgen die vorbereitenden Maßnahmen hingegen unter Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks. Die letztgenannte Formulierung umfasst damit auch dynamische Vorgänge, d. h. eine Laständerung während der Durchführung der vorbereitenden Maßnahmen. Der Ladedruck und die den Zylindern zugeführte Ladeluftmenge können unverändert aufrechterhalten, d. h. beibehalten werden oder bedarfsgerecht gesteuert, d. h. geändert werden.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine aktiviert wird, indem die abgeschalteten Auslassöffnungen zwecks Aktivierung der ersten Turbine zugeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine hindurchgeführte abnehmende Abgasmenge durch Schließen des ersten Absperrelements kompensiert wird, in der Weise, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird bzw. der Ladedruck unverändert aufrechterhalten wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist allgemein von einem Verstellen des ersten Absperrelements die Rede. Beim Aktivieren der ersten Turbine wird aber regelmäßig ein Schließen des ersten Absperrelements erforderlich sein, insbesondere wenn der Ladedruck unverändert aufrechterhalten bzw. erhöht werden soll, obwohl der durch die zweite Turbine hindurchgeführte Abgasstrom abnimmt.
Nichtsdestotrotz werden auch dynamische Vorgänge von dem erfindungsgemäßen Verfahren mit umfasst. D. h. eine Laständerung beim Zuschalten der abgeschalteten Auslassöffnungen wird berücksichtigt. Der angeforderte Ladedruck kann nämlich auch während der Aktivierung der ersten Turbine abnehmen und zwar auch in einem Maße, welches ein Öffnen des ersten Absperrelements erforderlich macht, obwohl der der zweiten Turbine zugeführte Abgasstrom abnimmt.
Die vorstehend für das Zuschalten der abgeschalteten Auslassöffnungen bzw. das Aktivieren der ersten Turbine beschriebenen Vorteile bestehen in analoger Weise auch beim Abschalten der zugeschalteten Auslassöffnungen bzw. Deaktivieren der ersten Turbine.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von zugeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine deaktiviert wird, indem

– unter Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks das zweite Absperrelement in der zweiten Bypassleitung der Turbine des zweiten Abgasturboladers in einem vorgebbaren Umfang geöffnet wird und das erste Absperrelement in der ersten Ansaugleitung des Verdichters des ersten Abgasturboladers in einem vorgebbaren Umfang geschlossen wird, und
– die zugeschalteten Auslassöffnungen zwecks Deaktivierung der ersten Turbine abgeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine hindurchgeführte zunehmende Abgasmenge durch Verstellen des ersten Absperrelements kompensiert wird, in dem Umfang, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von zugeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine deaktiviert wird, indem unter Beibehaltung des Ladedrucks das zweite Absperrelement in einem vorgebbaren Umfang geöffnet und das erste Absperrelement in einem vorgebbaren Umfang geschlossen wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von zugeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine deaktiviert wird, indem die zugeschalteten Auslassöffnungen zwecks Aktivierung der ersten Turbine abgeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine hindurchgeführte zunehmende Abgasmenge durch Öffnen des ersten Absperrelements kompensiert wird, in der Weise, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.
Hinsichtlich der vorstehenden Varianten kann wieder unterschieden werden zwischen Verfahrensvarianten, bei denen ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird und dynamische Vorgänge berücksichtigt werden, und solchen Varianten, bei denen der momentan vorliegende Ladedruck im Wesentlichen unverändert aufrechterhalten, d. h. beibehalten wird.
Im Folgenden werden insbesondere die unterschiedlichen Varianten des Zuschaltens bzw. Abschaltens der schaltbaren Auslassöffnungen erörtert.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen die erste Turbine aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden schaltbaren Auslassventile sukzessive zugeschaltet werden.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform werden die schaltbaren Auslassöffnungen, d. h. die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden schaltbaren Auslassventile beim Aktivieren der ersten Turbine nicht gleichzeitig zugeschaltet, sondern nach und nach.
Diese Vorgehensweise ist dadurch charakterisiert, dass die Anzahl der zugeschalteten Auslassöffnungen beim Aktivieren der ersten Turbine sukzessive erhöht wird. Auf diese Weise wird die via den zugeschalteten Auslassöffnungen aus den Zylindern abgeführte Abgasmenge beim Aktivieren der ersten Turbine ebenfalls sukzessive, d. h. nach und nach, erhöht und nicht – wie im Stand der Technik – schlagartig in vollem Umfang. Infolgedessen nimmt der durch die zweite Turbine geführte Abgasstrom beim Aktivieren der ersten Turbine auch nicht abrupt ab, weshalb ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auszusteuernder Ladedruckabfall bzw. Drehmomentabfall geringer ausfällt.
Beim Zuschalten der schaltbaren Auslassöffnungen zwecks Aktivierung der ersten Turbine wird der Abgasstrom, mit welchem die erste Turbine beaufschlagt wird, nach und nach erhöht. Dabei wird das Laufzeug der zugeschalteten Turbine mit und mit beschleunigt. Dem Verdichter des ersten Abgasturboladers bleibt während dieser Anlaufphase genügend Zeit, um sich am Aufbau des Ladedrucks zu beteiligen, d. h. selbst Ladedruck zu generieren. Das transiente Verhalten der Abgasturboaufladung beim Aktivieren der ersten Turbine verbessert sich deutlich, insbesondere weil der zweite Verdichter während dieser Übergangsphase unvermindert und ungestört den angeforderten Ladedruck bereitstellt. Erreicht wird dies mit einem sukzessiven Zuschalten der zuschaltbaren Auslassöffnungen, das eine sukzessive Erhöhung des der ersten Turbine zugeführten Abgasstroms ermöglicht.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die erste Turbine aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden Auslassventile zylinderweise zugeschaltet werden. Hat jeder Zylinder beispielsweise eine schaltbare Auslassöffnung, wird zunächst die Auslassöffnung eines ersten Zylinders zugeschaltet und dies nachfolgend sukzessive für die verbleibenden Zylinder wiederholt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die erste Turbine aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden Auslassventile in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen zugeschaltet werden. Diese Verfahrensvariante konstituiert die schnellstmögliche Aktivierung der ersten Turbine beim sukzessiven Zuschalten der schaltbaren Auslassventile.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die erste Turbine aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden Auslassventile im Abstand einer vorgebbaren Anzahl an Arbeitsspielen zugeschaltet werden. Die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden Auslassventile können beispielsweise im Abstand von zwei oder drei Arbeitsspielen zugeschaltet werden. Der Abstand kann bei mehreren schaltbaren Auslassöffnungen auch variieren, beispielsweise fortschreitend kleiner werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung abschaltet und versperrt, so dass der abgeschalteten ersten Turbine kein Abgas zugeführt wird. Dabei wird der deaktivierten Turbine kein Abgas mehr zugeführt, d. h. die Beaufschlagung der ersten Turbine mit Abgas wird vollständig unterbunden. Im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer Mindestdrehzahl der abgeschalteten ersten Turbine ist diese Vorgehensweise aber weniger vorteilhaft.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein abgeschaltetes Auslassventil mit einem verkleinerten Hub ∆h_low mit ∆h_low < ∆h_max beim Öffnen betrieben wird, so dass die der abgeschalteten ersten Turbine zugeführte Abgasmenge verringert wird.
Entsprechend der vorstehenden Verfahrensvariante werden die Ventile der schaltbaren Auslassöffnungen bei deaktivierter erster Turbine nicht im eigentlichen Wortsinne abgeschaltet, sondern durchgehend mit einem verkleinerten Hub ∆h_low weiter betrieben und betätigt.
Der abgeschalteten ersten Turbine wird dann eine verringerte Abgasmenge zugeführt und dies unter Verwendung der den schaltbaren Auslassöffnungen zugehörigen schaltbaren Auslassventile, nämlich durch Verkleinerung des Hubs der zugehörigen Auslassventile.
Auf diese Weise fällt die Drehzahl der abgeschalteten ersten Turbine weniger stark ab und eine Mindestdrehzahl der Laderwelle kann sichergestellt bzw. aufrechterhalten werden. Das Ansprechverhalten verbessert sich. Es ergibt sich noch ein weiterer Vorteil.
Wird die Abgaszufuhr zur deaktivierten ersten Turbine vollständig unterbunden, kann infolge der abfallenden Drehzahl der Laderwelle die Dichtung der Lagerung dieser ölgeschmierten Laderwelle lecken. Eine Ölleckage hat sowohl abgasseitig als auch ansaugseitig gravierende Nachteile. Gelangt Öl via der schaltbaren ersten Turbine in das Abgassystem, werden stromabwärts vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme, d. h. Katalysatoren sowie Partikelfilter, mit Öl kontaminiert, wodurch sich die Konvertierungsrate dieser Abgasnachbehandlungssysteme deutlich verschlechtern kann. Gegebenenfalls verkürzt sich sogar die Lebensdauer der Abgasnachbehandlungssysteme, deren Funktionstüchtigkeit auch grundsätzlich gefährdet sein kann. Gelangt Öl via dem zugehörigen ersten Verdichter in das Ansaugsystem, beeinflusst die mit Öl kontaminierte den Zylindern zugeführte Frischladung den Verbrennungsprozess nachteilig, wodurch sich insbesondere die Partikelrohemissionen stark erhöhen können. Das Öl kann sich auch an den Innenwandungen des Ansaugsystems ablagern und die Strömungsbedingungen im Ansaugsystem bzw. im Verdichter verschlechtern sowie einen stromabwärts angeordneten Ladeluftkühler verunreinigen.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der ein schaltbares Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h verstellbares Auslassventil ist, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem der zugehörige Ventilhub zunehmend auf den Ventilhub ∆h_max vergrößert wird.
Werden Hubventile verwendet, die nicht nur zugeschaltet und abgeschaltet werden können, sondern im Hinblick auf den Ventilhub ∆h weitergehend verstellbar sind, kann der Ventilhub ∆h sukzessive vergrößert werden. Auf diese Weise kann der via zugeschalteter Auslassöffnung aus einem Zylinder abgeführte Abgasstrom sukzessive, d. h. nach und nach, erhöht werden und braucht nicht schlagartig in vollem Umfang realisiert zu werden.
Ein im vorstehenden Sinne im Hinblick auf den Ventilhub ∆h verstellbares Auslassventil kann ein Hubventil sein, das mindestens drei unterschiedliche Ventilhübe ∆h₁, ∆h₂, ∆h₃ zulässt. Ein solches im Ventilhub ∆h verstellbares Hubventil ermöglicht erfindungsgemäß neben dem abgeschalteten Zustand ohne Hub bzw. mit verkleinertem Hub ∆h_low und dem zugeschalteten Modus mit normalem Hub ∆h_max mindestens einen weiteren Betätigungsmodus mit verringertem Hub oder mehrere weitere Betätigungsmodi mit verschiedenen Hüben. Als Hub wird dabei der maximale Hub des Ventils beim Durchlaufen der Ventilerhebungskurve im jeweiligen Modus angesehen und bezeichnet.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der ein schaltbares Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h zweistufig verstellbares Auslassventil ist, können in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten vorteilhaft sein, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem der zugehörige Ventilhub in einem Schritt auf den Ventilhub ∆h_max vergrößert wird.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der ein schaltbares Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h mehrstufig verstellbares Auslassventil ist, können in diesem Zusammenhang auch Verfahrensvarianten vorteilhaft sein, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem der zugehörige Ventilhub stufenweise auf den Ventilhub ∆h_max vergrößert wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein abgeschaltetes Auslassventil für eine verkürzte Öffnungsdauer ∆t_short mit ∆t_short < ∆t_max geöffnet wird und die zugehörige Auslassöffnung freigibt, so dass die der abgeschalteten ersten Turbine zugeführte Abgasmenge verringert wird. Die weiter oben im Zusammenhang mit dem verkleinerten Hub ∆h_low gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem die zugehörige Öffnungsdauer auf die Öffnungsdauer ∆t_max verlängert wird; sukzessive, stufenweise oder zweistufig.
Der erste Verdichter kann bei abgeschalteter erster Turbine vom übrigen Ansaugsystem abgetrennt werden, damit der zweite Verdichter nicht in den ersten Verdichter hinein fördert. Hierzu ist stromabwärts des ersten Verdichters ein erstes Absperrelement in der dazugehörigen Ansaugleitung angeordnet.
Damit der erste Verdichter dann gegebenenfalls nicht gegen den Widerstand des verschlossenen ersten Absperrelementes fördert, ist es vorteilhaft, eine Abblaseleitung vorzusehen, über welche die Ladeluft entweichen bzw. abgeführt werden kann.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine Abblaseleitung vorgesehen wird, die zwischen dem ersten Verdichter und dem ersten Absperrelement aus der zugehörigen ersten Ansaugleitung abzweigt und in der ein drittes Absperrelement angeordnet ist, wobei dieses dritte Absperrelement vorzugsweise in Abhängigkeit vom ersten Absperrelement betätigt wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Abblaseleitung stromaufwärts des zweiten Verdichters in die andere Ansaugleitung mündet.
Dass die Abblaseleitung vorliegend stromaufwärts des zweiten Verdichters in das Ansaugsystem mündet, hat Vorteile, da stromaufwärts des zweiten Verdichters in der Regel Unterdruck herrscht, wodurch ein Druckgefälle geschaffen wird, durch welches die Förderung der vom ersten Verdichter komprimierten Ladeluft unterstützt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein abgeschaltetes Auslassventil intermittierend in der Art betätigt wird, dass die zugehörige Auslassöffnung für eine erste vorgebbare Anzahl an Arbeitsspielen geschlossen gehalten wird und für eine zweite vorgebbare Anzahl an Arbeitsspielen betrieben und damit geöffnet wird, so dass die der abgeschalteten ersten Turbine zugeführte Abgasmenge durch phasenweises Deaktivieren der schaltbaren Auslassöffnungen verringert wird. Die Zuführung von Abgas zur ersten Turbine wird dann nicht vollständig unterbunden.
Die Ventile der schaltbaren Auslassöffnungen werden dann auch bei deaktivierter erster Turbine nicht durchgehend geschlossen gehalten, sondern phasenweise für ein Arbeitsspiel oder mehrere Arbeitsspiele geöffnet, so dass der abgeschalteten Turbine eine kleine Menge Abgas zugeführt wird und die Drehzahl der abgeschalteten Turbine weniger stark abfällt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die mit zwei Abgasturboladern 8, 9 ausgestattet ist. Jeder Abgasturbolader 8, 9 umfasst eine Turbine 8a, 9a und einen Verdichter 8b, 9b. Das heiße Abgas entspannt sich in den Turbinen 8a, 9a unter Energieabgabe. Die Verdichter 8b, 9b komprimieren die Ladeluft, die via Ansaugsystem 11, Ladeluftkühler 10 und Plenum 12 den Zylindern 3 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die vier Zylinder 3 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 2, d. h. in Reihe angeordnet sind. Jeder Zylinder 3 verfügt über zwei Auslassöffnungen 4, 4a, 4b, an die sich Abgasleitungen 5a, 5b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem 5 anschließen. Jeweils eine Auslassöffnung 4, 4a jedes Zylinders 3 ist als schaltbare Auslassöffnung 4a ausgebildet, die nur dann zugeschaltet wird, wenn die stromabwärts angeordnete erste Turbine 8a aktiviert werden soll; beispielsweise wenn die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
Die Abgasleitungen 5a der schaltbaren Auslassöffnungen 4a sämtlicher Zylinder 3 führen unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers 6a zu einer ersten Gesamtabgasleitung 7a zusammen, welche mit der Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 verbunden ist, die dadurch als zuschaltbare Turbine 8a fungiert.
Die Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8, d. h. die erste Turbine 8a, ist als Waste-Gate-Turbine ausgeführt. D. h. stromaufwärts der ersten Turbine 8a zweigt eine erste Bypassleitung, in der ein Absperrelement angeordnet ist, aus der zugehörigen ersten Gesamtabgasleitung 7a ab. Diese erste Bypassleitung mündet stromabwärts der ersten Turbine 8a wieder in die Gesamtabgasleitung 7a.
Die Abgasleitungen 5b der anderen Auslassöffnungen 4b sämtlicher Zylinder 3 führen unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers 6b zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 7b zusammen, welche mit der Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 verbunden ist.
Die Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9, d. h. die zweite Turbine 9a, ist als Waste-Gate-Turbine ausgeführt. D. h. stromaufwärts der zweiten Turbine 9a zweigt eine zweite Bypassleitung 9c, in der ein zweites Absperrelement 9d angeordnet ist, vom Abgasabführsystem 5 ab. Die zweite Bypassleitung 9c mündet stromabwärts der zweiten Turbine 9a wieder in das Abgasabführsystem 5.
Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Ansaugsystem 11 zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern 3, wobei die Verdichter 8b, 9b der Turbolader 8, 9 parallel im Ansaugsystem 11 angeordnet sind. Der erste Verdichter 8b ist in einer ersten Ansaugleitung 11a angeordnet und der zweite Verdichter 9b in einer zweiten Ansaugleitung 11b. Die Ansaugleitungen 11a, 11b führen stromabwärts der Verdichter 8b, 9b zu einer Gesamtansaugleitung zusammen.
Stromabwärts des ersten Verdichters 8b ist ein erstes Absperrelement 13a in der zugehörigen ersten Ansaugleitung 11a angeordnet, so dass der erste Verdichter 8b bei deaktivierter erster Turbine 8a vollständig vom übrigen Ansaugsystem 11 abgetrennt, d. h. deaktiviert werden kann und der zweite Verdichter 9b nicht in den ersten Verdichter 8b hinein fördert. Damit der erste Verdichter 8b nicht gegen den Widerstand des verschlossenen ersten Absperrelementes 13a fördern muss, ist eine Abblaseleitung 14 vorgesehen, die zwischen dem ersten Verdichter 8b und dem ersten Absperrelement 13a aus der ersten Ansaugleitung 11a abzweigt und in der ein drittes Absperrelement 13b angeordnet ist (gepunktet dargestellt).
Via Abblaseleitung 14 kann Ladeluft in die zweite Ansaugleitung 11b stromaufwärts des zweiten Verdichters 9b gefördert werden, wobei das dritte Absperrelement 13b vorzugsweise in Abhängigkeit vom ersten Absperrelement 13a betätigt, d. h. gesteuert wird.
Jede schaltbare Auslassöffnung 4a ist mit einem schaltbaren Hubventil ausgestattet, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung 4a abschaltet und versperrt. Ein zugeschaltetes Auslassventil bewegt sich zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h_max und gibt dabei die zugehörige Auslassöffnung 4a während einer Öffnungsdauer ∆t_max frei.
Ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen 4a wird zunächst unter Beibehaltung des Ladedrucks zwecks Aktivierung der ersten Turbine 8a das zweite Absperrelement 9d in der zweiten Bypassleitung 9c in einem vorgebbaren Umfang geschlossen und das erste Absperrelement 13a in der ersten Ansaugleitung 11a in einem vorgebbaren Umfang geöffnet.
In einem nächsten Verfahrensschritt werden dann die abgeschalteten Auslassöffnungen 4a zwecks Aktivierung der ersten Turbine 8a zugeschaltet, wobei eine durch die zweite Turbine 9a hindurchgeführte abnehmende Abgasmenge durch Verstellen des ersten Absperrelements 13a in Richtung Schließstellung kompensiert wird, in dem Umfang, dass der momentane Ladedruck aufrechterhalten wird.
Bezugszeichenliste

1: aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
2: Zylinderkopf
3: Zylinder
4: Auslassöffnung
4a: zuschaltbare Auslassöffnung
4b: andere Auslassöffnung
5: Abgasabführsystem
5a: Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung
5b: Abgasleitung
6a: erster Abgaskrümmer
6b: zweiter Abgaskrümmer
7a: erste Gesamtabgasleitung
7b: zweite Gesamtabgasleitung
8: erster Abgasturbolader
8a: erste Turbine, zuschaltbare Turbine
8b: erster Verdichter
9: zweiter Abgasturbolader
9a: zweite Turbine
9b: zweiter Verdichter
9c: zweite Bypassleitung, Bypassleitung der zweiten Turbine
9d: zweites Absperrelement
10: Ladeluftkühler
11: Ansaugsystem
11a: erste separate Ansaugleitung
11b: zweite separate Ansaugleitung
12: Plenum
13a: erstes Absperrelement
13b: drittes Absperrelement
14: Abblaseleitung
∆h: Ventilhub eines schaltbaren Auslassventils
∆t: Öffnungsdauer eines schaltbaren Auslassventils

Claims

Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens zwei Zylindern (3), bei der – jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4, 4a, 4b) zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung (4a) ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4, 4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (5) anschließt, – ein Ansaugsystem (11) zum Zuführen von Ladeluft zu den mindestens zwei Zylindern (3) vorgesehen ist, – mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (8, 9) eine im Abgasabführsystem (5) angeordnete Turbine (8a, 9a) und einen im Ansaugsystem (11) angeordneten Verdichter (8b, 9b) umfasst, – die Verdichter (8b, 9b) der mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) parallel im Ansaugsystem (11) angeordnet sind, wobei jeder Verdichter (8b, 9b) in einer separaten Ansaugleitung (11a, 11b) des Ansaugsystems (11) angeordnet ist und die separaten Ansaugleitungen (11a, 11b) stromabwärts der Verdichter (8b, 9b) zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen, – die Abgasleitungen (5a) der schaltbaren Auslassöffnungen (4a) der mindestens zwei Zylinder (3) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (7a) zusammenführen, welche mit der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist, – die Abgasleitungen (5b) der anderen Auslassöffnungen (4b) der mindestens zwei Zylinder (3) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, – stromabwärts des Verdichters (8b) des ersten Abgasturboladers (8) ein erstes Absperrelement (13a) in der zugehörigen ersten Ansaugleitung (11a) angeordnet ist, – die Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts dieser zweiten Turbine (9a) eine zweite Bypassleitung (9c) vom Abgasabführsystem (5) abzweigt und ein zweites Absperrelement (9d) in der zweiten Bypassleitung (9c) vorgesehen ist, und – jede schaltbare Auslassöffnung (4a) mit einem schaltbaren Auslassventil ausgestattet ist, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung (4a) abschaltet und sich ein zugeschaltetes Auslassventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h_max bewegt und dabei die zugehörige Auslassöffnung (4a) während einer Öffnungsdauer ∆t_max freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) aktiviert wird, indem – unter Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks das zweite Absperrelement (9d) in der zweiten Bypassleitung (9c) der Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) in einem vorgebbaren Umfang geschlossen wird und das erste Absperrelement (13a) in der ersten Ansaugleitung (11a) des Verdichters (8b) des ersten Abgasturboladers (8) in einem vorgebbaren Umfang geöffnet wird, und – die abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) zwecks Aktivierung der ersten Turbine (8a) zugeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine (9a) hindurchgeführte abnehmende Abgasmenge durch Verstellen des ersten Absperrelements (13a) kompensiert wird, in dem Umfang, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) aktiviert wird, indem unter Beibehaltung des Ladedrucks das zweite Absperrelement (9d) in einem vorgebbaren Umfang geschlossen und das erste Absperrelement (13a) in einem vorgebbaren Umfang geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) aktiviert wird, indem die abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) zwecks Aktivierung der ersten Turbine (8a) zugeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine (9a) hindurchgeführte abnehmende Abgasmenge durch Schließen des ersten Absperrelements (13a) kompensiert wird, in der Weise, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von zugeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) deaktiviert wird, indem – unter Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks das zweite Absperrelement (9d) in der zweiten Bypassleitung (9c) der Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) in einem vorgebbaren Umfang geöffnet wird und das erste Absperrelement (13a) in der ersten Ansaugleitung (11a) des Verdichters (8b) des ersten Abgasturboladers (8) in einem vorgebbaren Umfang geschlossen wird, und – die zugeschalteten Auslassöffnungen (4a) zwecks Deaktivierung der ersten Turbine (8a) abgeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine (9a) hindurchgeführte zunehmende Abgasmenge durch Verstellen des ersten Absperrelements (13a) kompensiert wird, in dem Umfang, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von zugeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) deaktiviert wird, indem unter Beibehaltung des Ladedrucks das zweite Absperrelement (9d) in einem vorgebbaren Umfang geöffnet und das erste Absperrelement (13a) in einem vorgebbaren Umfang geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von zugeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) deaktiviert wird, indem die zugeschalteten Auslassöffnungen (4a) zwecks Aktivierung der ersten Turbine (8a) abgeschaltet werden, wobei eine durch die zweite Turbine (9a) hindurchgeführte zunehmende Abgasmenge durch Öffnen des ersten Absperrelements (13a) kompensiert wird, in der Weise, dass ein angeforderter Ladedruck bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von abgeschalteten Auslassöffnungen (4a) die erste Turbine (8a) aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden schaltbaren Auslassventile sukzessive zugeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (8a) aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden Auslassventile zylinderweise zugeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (8a) aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden Auslassventile in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen zugeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (8a) aktiviert wird, indem die zu den schaltbaren Auslassöffnungen (4a) gehörenden Auslassventile im Abstand einer vorgebbaren Anzahl an Arbeitsspielen zugeschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung (4a) abschaltet und versperrt, so dass der abgeschalteten ersten Turbine (8a) kein Abgas zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil mit einem verkleinerten Hub ∆h_low mit ∆h_low < ∆h_max beim Öffnen der zugehörigen Auslassöffnung (4a) betätigt wird, so dass die der abgeschalteten ersten Turbine (8a) zugeführte Abgasmenge verringert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), bei der ein schaltbares Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h verstellbares Auslassventil ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem der zugehörige Ventilhub zunehmend auf den Ventilhub ∆h_max vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), bei der ein schaltbares Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h zweistufig verstellbares Auslassventil ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem der zugehörige Ventilhub in einem Schritt auf den Ventilhub ∆h_max vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), bei der ein schaltbares Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h mehrstufig verstellbares Auslassventil ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem der zugehörige Ventilhub stufenweise auf den Ventilhub ∆h_max vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil für eine verkürzte Öffnungsdauer ∆t_short mit ∆t_short < ∆t_max geöffnet wird und die zugehörige Auslassöffnung (4a) freigibt, so dass die der abgeschalteten ersten Turbine (8a) zugeführte Abgasmenge verringert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem die zugehörige Öffnungsdauer auf die Öffnungsdauer ∆t_max verlängert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abblaseleitung (14) vorgesehen wird, die zwischen dem ersten Verdichter (8b) und dem ersten Absperrelement (13a) aus der zugehörigen ersten Ansaugleitung (11a) abzweigt und in der ein drittes Absperrelement (13b) angeordnet ist, wobei dieses dritte Absperrelement (13b) vorzugsweise in Abhängigkeit vom ersten Absperrelement (13a) betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblaseleitung (14) stromaufwärts des zweiten Verdichters (9b) in die andere Ansaugleitung (11b) mündet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein abgeschaltetes Auslassventil intermittierend in der Art betätigt wird, dass die zugehörige Auslassöffnung (4a) für eine erste vorgebbare Anzahl an Arbeitsspielen geschlossen gehalten wird und für eine zweite vorgebbare Anzahl an Arbeitsspielen betrieben und damit geöffnet wird, so dass die der abgeschalteten ersten Turbine (8a) zugeführte Abgasmenge durch phasenweises Deaktivieren der schaltbaren Auslassöffnungen (4a) verringert wird.