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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus, insbesondere auf Brennkraftmaschinen, die mit einem Abgasturbolader ausgestattet sind.
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Die meisten modernen Brennkraftmaschinen sind mit Abgasturboladersystemen ausgestattet. Eine Hauptkomponente solcher Systeme ist der Turboverdichter, der in einem Gesamtgehäuse eine Turbine, welche die Abgasenergie nutzt, und einen Kompressor, der durch die Turbine in Rotation versetzt wird und die in die Zylinder der Brennkraftmaschine strömende Luft komprimiert, verbindet.
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Durch die vorausgehende Kompression der Luft im Kompressor kann die Füllung der Zylinder mit Kraftstoff-Luft-Gemisch erhöht werden, was eine Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine ermöglicht; zudem trägt eine erhöhte Luftmenge zu einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs und zu einer Senkung der über die Abgase emittierten Schadstoffe bei. Dabei werden die ökonomischen und ökologischen Betriebskennwerte der Brennkraftmaschine maßgeblich durch den Druck und die Temperatur der Ladeluft, die dem Eingangskollektor der Brennkraftmaschine zugeführt wird, und durch die Leistungseffizienz der Abgasbehandlungssysteme, beispielsweise der im Auslasskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysatoren, bestimmt.
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Bekannte Vorrichtungen zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Turbolader (Patent der RF Nr. 2450133, Patent der RF Nr. 2167325, Patent der RF Nr. 2133353,
US-Patentanmeldung Nr. 2012/0109490 A1 ,
US-Patent Nr. 8561403 B2 ,
US-Patent Nr. 8406983 B2 ) gewährleisten eine automatische Ladedruckregelung durch die Steuerung mit einem Bypassventil, das den Kompressor überbrückt, und/oder oder mit einem Wastegate, das die Turbine überbrückt. Ein Mangel dieser Vorrichtungen besteht jedoch in der hohen Wärmebelastung, der erhöhten Neigung zur Anhaftung von Ruß und der dadurch bedingten geringen Funktionssicherheit der genannten Ventile. Ein weiterer Mangel dieser Steuervorrichtungen besteht in dem hohen Ausstoß von Schadstoffen in die Atmosphäre. Dazu trägt auch der „Turboloch“-Effekt bei, der beim Versuch einer plötzlichen Änderung der Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht nur die dynamischen Eigenschaften der Brennkraftmaschine beeinträchtigt, sondern auch eine effektive Verbrennung des Kraftstoffs verhindert.
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Bekannt sind Vorrichtungen zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Turbolader, bei denen Wasser in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird (Patent der RF N
o 2260144, Patent der RF N
o 2527005,
US-Patent Nr. 6637382 B1 ,
DE 4416886 A1 ,
DE 102014204509 A1 ). Diese Lösung ermöglicht eine Senkung der Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemischs durch das Einspritzen von Wasser. Durch das Einbringen von Wassertröpfchen und Wasserdampf wird das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine erhöht, was eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der Brennkraftmaschine bewirkt. Die Senkung der Kraftstoffverbrennungstemperatur durch das Einspritzen von Wasser beeinflusst die chemischen Verbrennungsreaktionen. Im Ergebnis sinkt die Konzentration der entstehenden Stickoxide und des Kohlenstoffs. Allerdings arbeitet eine Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung in den Brennraum unter Betriebsbedingungen, insbesondere bei vollständig geöffneter Drosselklappe beim Fahren des Fahrzeugs mit geringer Geschwindigkeit, nicht vollkommen stabil. Dies steht im Zusammenhang mit der ungleichmäßigen Verteilung des Wassers auf die Zylinder der Brennkraftmaschine. Außerdem führen die im Wasser gelösten Salze zur Bildung von Rückständen im Brennraum und zu schweren Betriebsstörungen der Brennkraftmaschine bereits nach 200 - 300 Betriebsstunden.
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Bekannt sind Vorrichtungen zur Steuerung von Abgasreinigungssystemen in einer Brennkraftmaschine mit Turbolader, wobei die Wassereinspritzung in den Ausgangskollektor der Brennkraftmaschine erfolgt (
US 7065962 B2 ,
US 5464458 B2 ,
US 8601800 B2 ), um die Toxizität der Abgase zu senken. Im Ergebnis wird bei den bekannten Vorrichtungen eine Senkung des Kohlenstoff-, Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und Stickoxidgehalts in den Abgasen erzielt. Diese technische Lösung erlaubt es jedoch nicht, Einfluss auf die Vorbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemischs für die Brennkraftmaschine zu nehmen und so deren Betrieb durch Senkung des Emissionsniveaus und Erhöhung der Betriebsdynamik zu optimieren. Außerdem löst das Einspritzen von Wasser in den Ausgangskollektor der Brennkraftmaschine nicht die Aufgabe, einen optimalen Temperaturbereich der Abgase am Eingang des Katalysators, der in den Ausgangstrakt der Brennkraftmaschine integriert ist, zu gewährleisten.
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Der beanspruchten Erfindung im Hinblick auf ihr technisches Wesen am nächsten kommt eine Vorrichtung zur Steuerung eines Turboladers und der Abgase einer Brennkraftmaschine (
US-Patentanmeldung Nr. 2014/0325983A1 ), umfassend einen Verdichter einschließlich einer Turbine, die mit einem Wastegate ausgestattet ist, das die Turbine überbrückt, deren Einlass mit einem Ausgangskollektor der Brennkraftmaschine verbunden ist, und eines Kompressors, der mit einem Bypassventil ausgestattet ist, welches den Kompressor überbrückt, dessen Ausgang über einen Kühler und eine Drosselklappe mit dem Eingangskollektor der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Katalysator, dessen Eingang mit dem Auslass der Turbine verbunden ist, und einen Steuerblock, dessen Dateneingänge mit Temperatur- und Drucksensoren, die am Eingang des Kompressors, am Eingang der Drosselklappe, an einem Eingangskollektor, einem Zylinderblock und einem Ausgangskollektor der Brennkraftmaschine angeordnet sind, und mit Sensoren zur Abgasemissionskontrolle, die am Eingang und Ausgang des Katalysators angeordnet sind, elektrisch verbunden sind, wobei der Steuereingang des Steuerblocks an einen Gaspedalsensor angeschlossen ist und der Steuerausgang an die Drosselklappe angeschlossen ist.
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Die bekannte Vorrichtung gewährleistet eine automatische Regelung, d. h. eine Steuerung des Luftdrucks und der Gemischzusammensetzung am Eingangskollektor der Brennkraftmaschine mit dem Ziel der Senkung des Schadstoffausstoßes in allen Betriebszuständen. Im Zusammenhang damit, dass zur Steuerung des Turboladers der Brennkraftmaschine Bypassventile und Wastegates als Wirkglieder verwendet werden, sinkt die Gesamtzuverlässigkeit des Regelkreises des Turboladers. Dabei kommt es zu einer erhöhten Konzentration an Schadstoffen, unter anderem auch Ruß, am Eingang des Katalysators, was zu einer raschen Verunreinigung der Wirkglieder des Katalysators und infolgedessen zu einer Senkung der Betriebseffizienz führt. Darüber hinaus leidet die bekannte Vorrichtung unter dem „klassischen“ Mangel von Brennkraftmaschinen mit Turbolader, dem sogenannten Turboloch-Effekt, der zu einer Beeinträchtigung der dynamischen Eigenschaften der Brennkraftmaschine führt. Dabei wird bei einer plötzlichen Änderung der Drehzahl der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei Druck auf das Gaspedal, eine effektive Verbrennung des Kraftstoffs verhindert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine steuerbare Turboladervorrichtung einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, deren konstruktive Ausführung Folgendes gewährleistet: Verbesserung der Betriebsdynamik, Erhöhung der Zuverlässigkeit des Regelkreises des Turboladers durch Senkung der thermischen Beanspruchung der Wirkglieder sowie Senkung des Schadstoffausstoßes in die Atmosphäre durch zusätzliche Reinigung der Abgase am Eingang des Katalysators.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine steuerbare Turboladervorrichtung einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Verdichter einschließlich einer Turbine, deren Einlass mittels Ausgangsstutzen mit einem Ausgangskollektor der Brennkraftmaschine verbunden ist, und eines Kompressors, dessen Ausgang über einen Kühler und eine Drosselklappe mit einem Eingangskollektor der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, einen Katalysator, dessen Eingang mit dem Auslass der Turbine verbunden ist, und einen Steuerblock, dessen Dateneingänge mit Temperatur- und Drucksensoren, die am Eingang des Kompressors, am Eingang der Drosselklappe, am Eingangskollektor, Zylinderblock und Ausgangskollektor der Brennkraftmaschine angeordnet sind, und mit Sensoren zur Abgasemissionskontrolle, die am Eingang und Ausgang des Katalysators angeordnet sind, elektrisch verbunden sind, wobei der Steuereingang des Steuerblocks an einen Gaspedalsensor angeschlossen ist und der Steuerausgang an die Drosselklappe angeschlossen ist, erfindungsgemäß ein Modul zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur, das im Ausgangsstutzen der Brennkraftmaschine vor dem Einlass der Turbine angeordnet ist, Temperatur- und Drucksensoren, die am Einlass und Auslass der Turbine angeordnet sind, und einen Ladedruckregler, der über einen Datenbus mit einem Steuerblock verbunden ist, umfasst, wobei die Dateneingänge des Ladedruckreglers mit den Temperatur- und Drucksensoren, die am Eingang der Drosselklappe, am Ausgangskollektor der Brennkraftmaschine und am Einlass und Auslass der Turbine angeordnet sind, verbunden sind und der Steuerausgang des Ladedruckreglers mit dem Steuereingang des Moduls zum regelbaren Einspritzen verbunden ist.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Modul zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur eine Düse, die im Ausgangsstutzen der Brennkraftmaschine positioniert ist, eine gegenüber der Düse angeordnete Flüssigkeitssammelkammer, einen Behälter, dessen Einlass mittels eines ersten Fallrohrs mit dem Auslass der Flüssigkeitssammelkammer gekoppelt ist, ein Steuerventil, das am Eingang der Düse angeordnet ist und einen Steuereingang aufweist, der als Steuereingang des Moduls zum regelbaren Einspritzen dient, eine Pumpstation, deren Eingang mit dem Auslass des Behälters gekoppelt ist und deren Ausgang mittels eines Druckrohrs mit dem Eingang des Steuerventils verbunden ist, einen ersten Filter, der zwischen dem Eingang der Pumpstation und dem Auslass des Behälters angeordnet ist, und einen zweiten Filter, der am ersten Fallrohr zwischen dem Auslass der Flüssigkeitssammelkammer und dem Einlass des Behälters angeordnet ist.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Sensor zum Messen der Temperatur der Flüssigkeit im Behälter, dessen Ausgang an einen zusätzlichen Dateneingang des Ladedruckreglers angeschlossen ist, und einen im Behälter positionierten Flüssigkeitserhitzer, dessen Steuereingang an einen zusätzlichen Steuerausgang des Ladedruckreglers angeschlossen ist.
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Vorteilhafterweise ist bei Vorhandensein einer Fahrzeugklimaanlage eine Kondensatsammelwanne vorgesehen, die unter dem Verdampfer der Klimaanlage positioniert und mittels eines Fallrohrs mit dem ersten zusätzlichen Einlass des Behälters gekoppelt ist.
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Sinnvollerweise umfasst die Vorrichtung einen Kondensator, dessen Einlass mit dem Ausgang des Katalysators verbunden ist und dessen Auslass mit der Atmosphäre gekoppelt ist, wobei der Auslass des Kondensators mittels eines zweiten Fallrohrs mit dem zweiten zusätzlichen Einlass des Behälters gekoppelt ist.
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Zweckmäßigerweise werden als Flüssigkeit Wasser oder wässrige Lösungen, welche die Abgasemissionen neutralisieren, verwendet.
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Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Erhöhung der Dynamik bei der Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine und in der Senkung der Toxizität der in die Atmosphäre ausgestoßenen Schadstoffe.
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Diese technische Aufgabe wird anhand der Steuerung des Turboladers einer Brennkraftmaschine durch regelbares Einspritzen von Flüssigkeit direkt am Einlass der Turbine gelöst.
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Im Unterschied zu der als Prototyp verwendeten Vorrichtung (
US 2014/0325983 A1 ) erlaubt das vorgeschlagene Regelschema durch die Gestaltung der Flüssigkeitseinspritzung, die negative Wirkung heißer Abgase auf die Wirkglieder des Regelkreises auszuschließen und so dessen Zuverlässigkeit zu erhöhen sowie ferner eine schnelle Erhöhung der Turbinendrehzahl durch Verringerung der Flüssigkeitseinspritzintensität bei plötzlicher Betätigung des Gaspedals zu gewährleisten, was den negativen „Turboloch“-Effekt verringert. Darüber hinaus ermöglicht das Einspritzen von Flüssigkeit eine zusätzliche Schadstoffreinigung der Abgase am Eingang des Katalysators, was dessen Funktionssicherheit erhöht und zudem ermöglicht, die für die Wirkglieder des Katalysators optimale Abgastemperatur aufrechtzuerhalten.
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Im Unterschied zu den bekannten Vorrichtungen (
US 7065962 B2 ,
US 5464458 B2 ,
US 8601800 B2 ) ermöglicht bei der beanspruchten Vorrichtung das Einspritzen von Flüssigkeit in den Ausgangsstutzen der Brennkraftmaschine nicht nur die physische Beseitigung von Schadstoffen aus den Abgasen, sondern - was von wesentlicher Bedeutung ist - auch die Senkung der Konzentration dieser Stoffe am Ausgang der Brennkraftmaschine (bis zum Flüssigkeitseinspritzpunkt) durch entsprechende Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine dank automatischer Regelung der Gemischzusammensetzung im Eingangskollektor.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise umfasst oder gar begrenzt, sondern lediglich als Material zur Veranschaulichung eines einzelnen Ausführungsbeispiels, in dem das Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eines steuerbaren Turboladers einer Brennkraftmaschine dargestellt ist, dient.
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Die steuerbare Turboladervorrichtung einer Brennkraftmaschine umfasst einen Verdichter 1 einschließlich einer Turbine 2 und eines Kompressors 3, dessen Ausgang über einen Kühler 4 und eine erste Drosselklappe 5, die hintereinander angeordnet sind, mit einem Eingangskollektor 6 der Brennkraftmaschine 7 gekoppelt ist. Der Eingang des Kompressors 3 ist mit einem Luftfilter 8 verbunden, der mit der Atmosphäre verbunden ist; an den Auslass der Turbine 2 ist ein Katalysator 9 angeschlossen.
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Die Vorrichtung umfasst ferner einen Steuerblock 10, dessen Dateneingänge mit Temperatur- und Drucksensoren 11, die am Eingang des Kompressors 3, am Eingang der Drosselklappe 5, am Eingangskollektor 6, Zylinderblock 12 und Ausgangskollektor 13 der Brennkraftmaschine 7 angeordnet sind, und mit Sensoren 14 zur Abgasemissionskontrolle, die am Eingang und Ausgang des Katalysators 9 angeordnet sind, elektrisch verbunden sind. Der Steuereingang des Steuerblocks 10 ist an einen Gaspedalsensor 15 angeschlossen; der Steuerausgang ist an die Drosselklappe 5 angeschlossen.
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Ein kennzeichnendes Merkmal der beanspruchten Vorrichtung besteht darin, dass sie ein Modul 16 zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur, das im Ausgangsstutzen 17 der Brennkraftmaschine vor dem Einlass der Turbine 2 angeordnet ist, Temperatur- und Drucksensoren 18, die am Einlass und Auslass der Turbine 2 angeordnet sind, und einen Ladedruckregler 19, der über einen Datenbus 20 mit dem Steuerblock 10 verbunden ist, umfasst. Die Dateneingänge des Ladedruckreglers 19 sind mit den Temperatur- und Drucksensoren 11, die am Eingang der Drosselklappe 5 und am Ausgangskollektor 13 der Brennkraftmaschine angeordnet sind, verbunden. Darüber hinaus sind die Temperatur- und Drucksensoren 18, die am Einlass und Auslass der Turbine 2 angeordnet sind, an die Dateneingänge des Ladedruckreglers 19 angeschlossen, und der Steuerausgang des Ladedruckreglers 19 ist mit dem Steuereingang des Moduls 16 zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur verbunden. Der Steuerblock 10 und der Ladedruckregler 19 können in Form einer einzigen Mikrosteuerung ausgeführt sein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Modul 16 zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur eine Düse 21, die im Ausgangsstutzen 17 der Brennkraftmaschine 7 nahe dem Einlass der Turbine 2 positioniert ist, eine Flüssigkeitssammelkammer 22, die gegenüber der Düse 21 angeordnet ist, und einen Behälter 23, dessen Einlass mittels eines ersten Fallrohrs 241 mit dem Auslass der Flüssigkeitssammelkammer 22 gekoppelt ist. Darüber hinaus umfasst das Modul 16 zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur ein Steuerventil 25 (in der beschriebenen Ausführung ein elektrisches Steuerventil), das am Eingang der Düse 21 angeordnet ist und einen Steuereingang aufweist, der als Steuereingang des Moduls 16 zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur dient, eine Pumpstation 26, deren Eingang mit dem Auslass des Behälters 23 gekoppelt ist und deren Ausgang mittels eines Druckrohrs 27 mit dem Eingang des Steuerventils 25 verbunden ist, einen ersten Filter 28, der zwischen dem Eingang der Pumpstation 26 und dem Auslass des Behälters 23 angeordnet ist, und einen zweiten Filter 29, der am ersten Fallrohr 241 zwischen dem Auslass der Flüssigkeitssammelkammer 22 und dem Einlass des Behälters 23 angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die beanspruchte Vorrichtung mit einem Sensor 30 zum Messen der Temperatur der Flüssigkeit im Behälter, dessen Ausgang an einen zusätzlichen Dateneingang des Ladedruckreglers 18 angeschlossen ist, und einem im Behälter 23 positionierten Flüssigkeitserhitzer 31, dessen Steuereingang an einen zusätzlichen Steuerausgang des Ladedruckreglers 18 angeschlossen ist, ausgestattet.
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Die beanspruchte Vorrichtung umfasst einen Kondensator 32, dessen Einlass mit dem Ausgang des Katalysators 9 verbunden ist und dessen Auslass mit der Atmosphäre gekoppelt ist, wobei der Auslass des Kondensators 32 mittels eines zweiten Fallrohrs 242 mit einem ersten zusätzlichen Einlass des Behälters 23 gekoppelt ist.
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Bei Vorhandensein einer Fahrzeugklimaanlage 33 kann die Vorrichtung eine Kondensatsammelwanne 34 umfassen, die unter dem Verdampfer der Klimaanlage 33 positioniert ist und mittels eines dritten Fallrohrs 243 mit einem zweiten zusätzlichen Einlass des Behälters 23 gekoppelt ist.
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Bei der Vorrichtung des steuerbaren Turboladers sind als Flüssigkeit Wasser oder wässrige Lösungen, welche die Abgasemissionen neutralisieren, wie beispielsweise wässrige Alkali-, Ammoniak- oder Harnstofflösungen verwendbar, die im Vorfeld in den Behälter 23 gefüllt werden.
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Die steuerbare Turboladervorrichtung einer Brennkraftmaschine funktioniert folgendermaßen:
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Die Steuerung des Ladeluftstroms, der über den Luftfilter 8, den Kompressor 3, den Kühler 4 und die Drosselklappe 5 in den Eingangskollektor 6 der Brennkraftmaschine eintritt, erfolgt durch Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 2 des Verdichters und der Position der Drosselklappe 5. Gleichzeitig erfolgt entsprechend den Signalen der Sensoren 11, 14, 15, 18 die Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 2 durch das Modul 16 zum Einspritzen von Flüssigkeit zum Senken der Abgastemperatur entsprechend den Befehlen des Ladedruckreglers 19; die Steuerung der Drosselklappe 5 wird entsprechend den Befehlen des Steuerblocks 10 vorgenommen.
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Beim Starten der Brennkraftmaschine 7 gewährleisten der Steuerblock 10 und der Ladedruckregler 19 den geschlossenen Zustand des elektrischen Steuerventils 25. Der Datenaustausch zwischen dem Steuerblock 10 und dem Ladedruckregler 19 erfolgt über den Datenbus 20. Der Außenluftstrom gelangt über den Luftfilter 8 zum Eingang des Kompressors 3 des Verdichters 1, wo er komprimiert und infolgedessen erwärmt wird. Weiter gelangt der Luftstrom über den Kühler 4 und die Drosselklappe 5 in den Eingangskollektor 6 der Brennkraftmaschine. Die Menge der Zuluft wird durch den Steuerblock 10 entsprechend den Signalen des Gaspedalsensors 15 und der Temperatur- und Drucksensoren 11 mittels Regulierung der Position der Drosselklappe 5 geregelt. Die Abgase aus dem Ausgangskollektor 13 der Brennkraftmaschine werden zur Turbine 2 des Verdichters 1 geleitet und versetzen diese und den Kompressor 3, der sich auf derselben Welle wie die Turbine 2 befindet, in Rotation. Anschließend werden die Abgase, nachdem sie den Katalysator 9 passiert haben, in die Atmosphäre ausgestoßen. Das fehlende Einspritzen von Flüssigkeit aus der Düse 21 während des Startens und Warmlaufens der Brennkraftmaschine 7 gewährleistet den erforderlichen Ladedruck am Eingang der Drosselklappe 5 sowie das maximal schnelle Warmlaufen des Katalysators 9 und dessen Übergang in den optimalen Betriebszustand.
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Im Zuge des Warmlaufens der Brennkraftmaschine 7 und der damit verbundenen Erhöhung der Abgastemperatur steigen die Temperatur und der Druck der Ladeluft am Eingang der Drosselklappe 5 sowie die Temperatur am Eingang des Katalysators 9. Die genannten Parameter sind für jede Brennkraftmaschine reglementiert und müssen in den vorgegebenen Bereichen liegen. Entsprechend den Signalen der Temperatur- und Drucksensoren 11, die am Eingang der Drosselklappe 5 und am Ausgangskollektor 13 der Brennkraftmaschine angeordnet sind, sowie der zusätzlichen Temperatur- und Drucksensoren 18, die am Eingang der Turbine 2 und am Eingang des Katalysators 9 angeordnet sind, erzeugt der Ladedruckregler 19 ein Steuersignal, das zum elektrischen Steuerventil 25 gelangt. Dieses Signal gibt den Befehl zum Zuführen von Flüssigkeit aus dem Behälter 23 über das Druckrohr 27 zur Düse 21 und zum Einspritzen der Flüssigkeit in den Ausgangsstutzen 17 nahe dem Eingang der Turbine 2. Das Einspritzen der Flüssigkeit in den Ausgangsstutzen 14 führt zu einer Senkung der Temperatur und des Drucks der Abgase am Eingang der Turbine 2 und infolgedessen zu einer Senkung der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 2 und der Blätter des Kompressors 3, was eine Senkung des Drucks der Ladeluft am Eingang der Drosselklappe 5 bewirkt. Dabei führt die Senkung der Temperatur am Eingang der Turbine 2 auch zu einer Senkung der Temperatur am Eingang des Katalysators 9. Der Betriebsalgorithmus des Ladedruckreglers 19 sorgt durch die Regulierung der Menge der Einspritzflüssigkeit für die Aufrechterhaltung des Drucks am Eingang der Drosselklappe 5 und der Temperatur am Eingang des Katalysators 9 in Bereichen, die deren optimale Funktion gewährleisten.
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Das Einspritzen von Flüssigkeit in den Ausgangsstutzen 17 bewirkt eine Senkung des Schadstoffgehalts in den Abgasen, beispielsweise von Schwefeldioxid, Stickoxiden, Rauch, Ruß und anderen schädlichen Bestandteilen, die zusammen mit der Flüssigkeit in die Flüssigkeitssammelkammer 22 gelangen. Neben der Senkung des Schadstoffgehalts in den Abgasen, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden, schützt das Vorhandensein von Flüssigkeit die Turbine 2 und die Wirkglieder des Katalysators 9 vor Rückständen und Verrußung und erhöht so deren Wirkungsgrad.
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Der Steuerblock 10 sorgt, wie auch bei der als Prototyp angeführten Vorrichtung, entsprechend den Signalen der Sensoren 14 zur Abgasemissionskontrolle für eine Korrektur des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 7 zur Minimierung der Schadstoffe in den Abgasen.
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Bei der als Prototyp verwendeten Vorrichtung ist es bei plötzlicher Betätigung des Gaspedals und dem Eingang eines entsprechenden Signals des Gaspedalsensors beim Steuerblock selbst bei Erteilung eines Befehls zum vollständigen Öffnen der Drosselklappe unmöglich, das erforderliche Luftvolumen, das dem Eingangskollektor der Brennkraftmaschine zuzuführen ist, zu erzeugen. Dies liegt daran, dass nach dem Betätigen des Gaspedals die Abgase den Turbinenflügel mit einer Verzögerung erreichen, was auf die für die Kraftstoffverbrennung erforderliche Zeit zurückzuführen ist; daraufhin kommt es zu einer Erhöhung der Turbinendrehzahl und der Rotationsgeschwindigkeit der Kompressorflügel. Im Anschluss daran nimmt die Menge der in den Eingangskollektor der Brennkraftmaschine eintretenden Luft zu, und erst danach tritt die erwartete Beschleunigung des Fahrzeugs ein.
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Im Unterschied zum Prototyp erzeugt bei der beanspruchten Vorrichtung der Ladedruckregler 19, wenn eine entsprechende plötzliche Erhöhung der Ladeluftzufuhr zum Eingangskollektor 6 infolge einer Änderung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 7 nach einem über die Datenschiene 20 übermittelten Signal des Steuerblocks 10 unmöglich ist, über einen kurzen Zeitraum (1 - 2 s) einen Befehl zum Schließen bzw. zur plötzlichen Senkung der Durchlassfähigkeit des Steuerventils 25. Dies sorgt für eine Unterbrechung bzw. eine plötzliche Reduzierung der Flüssigkeitseinspritzung, für einen entsprechenden sprunghaften Anstieg der Temperatur und des Drucks am Eingang der Turbine 2 und eine Erhöhung ihrer Rotationsgeschwindigkeit, was eine schnelle Erhöhung der der Brennkraftmaschine 7 zugeführten Ladeluftmenge zur Folge hat. Auf diese Weise werden eine Verringerung des „Turboloch“-Effekts in der Brennkraftmaschine 7 und eine Verbesserung ihrer Steuerungsdynamik erzielt, wobei sich die kurzzeitige Erhöhung der Abgastemperatur am Eingang des Katalysators 9 aufgrund der thermischen Trägheit praktisch nicht auf ihren Betriebszustand auswirkt.
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Im Unterschied zum Prototyp wird bei der beanspruchten Vorrichtung als Wirkglied des Systems zur automatischen Regulierung der Ladeluft die Düse 21 verwendet, die während des Betriebs durch die sie durchströmende Flüssigkeit abgekühlt wird. Dies ermöglicht eine Erhöhung der allgemeinen Betriebszuverlässigkeit gegenüber dem Prototyp, bei dem die genannten Funktionen durch Bypass-Ventil und Wastegate erfüllt werden, die unter hohen Temperaturen und starker Verunreinigung der sie durchströmenden Gase arbeiten.
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Die Pumpstation 26 gewährleistet ein vorgegebenes stabiles Flüssigkeitsdruckniveau im Druckrohr 27, in das die Flüssigkeit aus dem Behälter 23 über den ersten Filter 28, der Kohlenwasserstoffverbindungen, die auf eine unvollständige Kraftstoffverbrennung zurückzuführen sind, Feststoffe und Ruß abscheidet, strömt. Die Pumpstation 26 kann nach einem herkömmlichen Schema unter Verwendung einer Hydraulikpumpe, eines Hydrospeichers, eines Drucksensors und eines Relais ausgeführt sein.
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Aus der Flüssigkeitssammelkammer 22 gelangt die Flüssigkeit über den zweiten Filter 29, der die Feststoffe in den Abgasen abscheidet, und das erste Flüssigkeitsfallrohr 241 in den Behälter 23.
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Für die Nutzung des Fahrzeugs bei hohen Minustemperaturen ist zur Gewährleistung des Optimalbetriebs der steuerbaren Turboladervorrichtung eine Aufheizung der Flüssigkeit im Behälter 23, vorzugsweise im Entnahmebereich in der Pumpstation 26, vorgesehen. Nach dem Warmlaufen der Brennkraftmaschine 7 strömt aufgewärmte Flüssigkeit aus der Flüssigkeitssammelkammer 22 über den zweiten Filter 29 und das erste Fallrohr 241 in den Behälter 17, woraufhin die Temperatur der Flüssigkeit im Behälter 17 steigt. Dies wird vom Temperatursensor 30 festgehalten, anhand dessen Signale bei Überschreitung des Sollwerts der Ladedruckregler 19 den Erhitzer 31 zuschaltet.
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Zum Auffüllen der Flüssigkeit im Behälter 23 ist das Kondensat verwendbar, das vom Verdampfer der Fahrzeugklimaanlage 33 stammt, in der Wanne 34 gesammelt wird und über das dritte Fallrohr 243 in den Behälter 23 gelangt.
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Für denselben Zweck ist auch das Kondensat verwendbar, das sich am Kondensator
32 bildet und über das zweite Fallrohr 24
2 in den Behälter gelangt. Der Kondensator ist analog zu den beispielsweise in
US 20070137590 A1 oder
DE10026695 C1 vorgeschlagenen Lösungen ausführbar.
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Auf diese Weise ermöglicht die vorgeschlagene steuerbare Turboladervorrichtung, die negative Wirkung heißer Abgase auf die Wirkglieder des Regelkreises auszuschließen und so dessen Zuverlässigkeit zu erhöhen, sowie ferner eine schnelle Erhöhung der Turbinendrehzahl durch Verringerung der Flüssigkeitseinspritzintensität bei plötzlicher Betätigung des Gaspedals zu gewährleisten, was den nachteiligen „Turboloch“-Effekt verringert. Zusätzlich zum Vorstehenden ermöglicht die beanspruchte Vorrichtung, eine zusätzliche Schadstoffreinigung der Abgase am Eingang des Katalysators zu gewährleisten, was dessen Funktionssicherheit erhöht, und ferner, die für die Wirkglieder des Katalysators optimale Abgastemperatur aufrechtzuerhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0109490 A1 [0004]
- US 8561403 B2 [0004]
- US 8406983 B2 [0004]
- US 6637382 B1 [0005]
- DE 4416886 A1 [0005]
- DE 102014204509 A1 [0005]
- US 7065962 B2 [0006, 0019]
- US 5464458 B2 [0006, 0019]
- US 8601800 B2 [0006, 0019]
- US 20140325983 A1 [0007, 0018]
- US 20070137590 A1 [0042]
- DE 10026695 C1 [0042]
