-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Turboloch-Reduzierung eines Fahrzeuges mit einem Turbolader sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
-
Aus dem Stand der Technik sind Turbolader gängig und hinreichend bekannt. Ebenso ist bekannt, dass ein Turboloch insbesondere dann entstehen kann, wenn zu wenig Abgasenergie, gegeben durch Temperatur und Fluss, zum Betreiben des Turboladers bereitsteht.
-
In den letzten Entwicklungen wurden über die Anpassung des Zündwinkels und Drosselklappenstellungen oder durch Hinzunahme weiterer Baukomponenten, wie beispielsweise elektrischer Kompressoren, Versuche vorgenommen, das Turboloch des Turboladers zu umgehen.
-
Die vorliegende Erfindung nutzt jedoch, im Gegensatz zum Stand der Technik, eine Veränderung oder Steuerung des Öffnungswinkels des Auslassventils, wodurch die Turbolader-Rotationsgeschwindigkeit auch bei Schwachlast hoch gehalten werden kann.
-
DE 10 2008 012 310 A1 offenbart eine Vorrichtung zur veränderlichen Ventilbetätigung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader. Ein Abschnitt zum Ändern der Auslassventilkenngrößen ist geeignet eingerichtet, um eine Öffnungseinstellung und eine Schließeinstellung eines Auslassventils zu ändern. In Reaktion auf eine Erhöhung eines erwünschten Werts einer Ausgangsleistung des Motors rückt ein Steuerabschnitt eine Öffnungseinstellung des Einlassventils vor, stellt eine Schließeinstellung des Einlassventils zurück und rückt die Öffnungseinstellung des Auslassventils vor. In Reaktion auf eine Erhöhung eines Ladedrucks des Abgasturboladers vergrößert der Steuerabschnitt den Arbeitswinkel und den Hub des Einlassventils und stellt die Öffnungseinstellung und die Schließeinstellung des Auslassventils zurück.
-
EP 2 123 888 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche die Aufgabe hat, eine Verschlechterung der Emission und des Kraftstoffverbrauchs zu unterdrücken, die während einer Beschleunigung aufgrund eines Effekts einer Auslassventilöffnungszeitgebung auftreten.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels welchen eine Turboloch-Reduzierung eines Fahrzeugs mit einem Turbolader kostengünstig und einfach durchgeführt werden kann.
-
Ein Kerngedanke der vorliegenden Anmeldung ist es daher, ein Verfahren zur Turboloch-Reduzierung eines Fahrzeugs mit einem Turbolader bereitzustellen, umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Beobachten und Erkennen eines momentanen Lastzustands des Turboladers mittels einer Erkennungseinrichtung;
- b) falls ein Schwachlastzustand erkannt wird, Verändern eines Öffnungswinkels eines Auslassventils von einem voreingestellten Winkelwert auf einen ersten Winkelwert und/oder Veränderung des Öffnungswinkels durch Veränderung einer voreingestellten Öffnungszeit des Auslassventils;
- c) falls mittels der Erkennungseinrichtung eine Volllast erkannt wird, Einstellen des voreingestellten Winkelwerts und/oder der voreingestellten Öffnungszeit des Auslassventils, und falls ein Schwachlastzustand erkannt wird, Wiederholen des vorhergehenden Verfahrensschrittes.
-
Kurz nochmals zusammengefasst ist es zunächst vorgesehen, zu erkennen, welcher momentane Lastzustand des Turboladers vorliegt. Eine derartige Erkennung kann mittels der Erkennungseinrichtung vorgenommen werden. Bei der Schwachlast handelt es sich um einen Zustand, bei welchem der Turbolader nicht mit seiner vollen Leistung betrieben werden kann. Beispiele hierfür sind, dass der Fahrer vom Gas geht oder lediglich gering Gas gibt; in beiden Fällen ist der Abgasstrom nicht ausreichend, um den Turbolader mit seiner vollen Leistung zu betreiben. Entsprechend handelt es sich bei einer Volllast um einen Zustand, bei welchem der Turbolader mit seiner vollen Leistung betrieben werden kann.
-
Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Öffnungswinkel des Auslassventils von einem voreingestellten Winkelwert auf einen ersten Winkelwert eingestellt. Beabsichtigt hierbei ist es, den Druck, welcher im Zylinder vorherrscht, dazu zu nutzen, um den Turbolader bei voller Leistung betreiben zu können. Üblicherweise beträgt der voreingestellte Winkelwert etwa 20° vor dem TDC, bezogen auf die Kurbelwelle. Bei diesem voreingestellten Winkelwert ist jedoch der Druck innerhalb des Zylinders bereits gering. Wird jedoch der voreingestellte Winkelwert verändert, beispielsweise auf einen ersten Winkelwert von 90° vor dem TDC, bezogen auf die Kurbelwelle, so ist der im Zylinder vorherrschende Druck deutlich höher, so dass nun bei einer Öffnung des Auslassventils der Abgasstrom hierdurch einen erhöhten Energiewert aufweist.
-
Eine Einstellung bzw. Veränderung des Öffnungswinkels des Auslassventils wird vorzugsweise über eine Steuereinrichtung vorgenommen.
-
Es ist jedoch zu beachten, dass eine Veränderung der Last nicht sprunghaft geschieht, sondern stetig. Ein Beispiel hierfür ist, dass ein Fahrer vom Gas geht und sich der Abgasstrom entsprechend stetig verändert über eine Mittellast hin zu einer Schwachlast. Entsprechend wird daher abhängig von der Last der Öffnungswinkel des Auslassventils verändert. Eine höhere Last entspricht daher einem anderen Wert des Öffnungswinkels als eine geringe Last.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Veränderung des Öffnungswinkels abhängig von dem Lastzustand des Turboladers durchgeführt. Dies kann dabei für alle Ausführungsformen gelten.
-
Wird von der Erkennungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform wieder eine Normallast festgestellt, das heißt, dass der Turbolader bei dem voreingestellten Öffnungswinkel unter voller Leistung betrieben werden könnte, so wird mittels der Steuereinrichtung der Wert des Öffnungswinkels wieder auf den voreingestellten Wert festgesetzt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Öffnungswinkel des Auslassventils wie folgt geändert. Es ist bekannt, dass eine Nockenwelle vorgesehen ist, welche die Auslassventile und die Einlassventile steuert. Weiter ist bekannt, dass die Nockenwelle verschiedene Öffnungsprofile aufweist und dass durch eine Verschiebung der Nockenwelle in Richtung der Nockenwelle verschiedene Öffnungsprofile der Ventile ermöglicht werden können. Wurde nun eine Schwachlast festgestellt, beispielsweise durch die Erkennungseinrichtung, so wird das aktuell verwendete erste Profil der Nockenwelle durch ein zweites Profil der Nockenwelle verändert. Das zweite Profil ist im Gegensatz zum ersten Profil dabei derart ausgebildet, dass die Öffnungszeit des Auslassventils erhöht ist, wobei der Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils bezüglich des zweiten Profils identisch ist mit dem Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils bezüglich des ersten Profils.
-
Hierdurch wird in der Konsequenz der Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils nach vorne verschoben, was weiter bedeutet, dass das Öffnen des Auslassventils bei einem anderen Öffnungswinkel stattfindet.
-
Wird von der Erkennungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform wieder eine Normallast festgestellt, das heißt, dass der Turbolader bei dem voreingestellten Öffnungswinkel unter voller Leistung betrieben werden könnte, so wird mittels der Steuereinrichtung der Wert des Öffnungswinkels wieder auf den voreingestellten Wert festgesetzt.
-
Weiter gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es denkbar, die zuvor vorgestellten Ausführungsformen zu kombinieren, das heißt, dass einerseits der Öffnungswinkel des Auslassventils variiert und andererseits die Öffnungszeit des Auslassventils durch Ändern des Profils der Nockenwelle verändert wird.
-
Unter dem voreingestellten Winkel ist hierbei zu verstehen, dass dieser abhängig ist von unterschiedlichen Parametern, beispielsweise der Abgastemperatur, dem Umgebungsdruck, dem Zündwinkel und den spezifischen Parametern des Turboladers.
-
Weiter wird die vorliegende Aufgabe ebenso gelöst von einem Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zur Turboloch-Reduzierung eines Fahrzeugs mit einem Turbolader, wobei die Vorrichtung einen Turbolader, einen Zylinder mit einem Auslassventil, welches mit dem Turbolader fluidisch in Verbindung steht, eine Steuereinrichtung und eine Erkennungseinrichtung zum Erkennen eines momentanen Lastzustands des Turboladers aufweist, wobei die Steuereinrichtung zumindest signaltechnisch mit einer Nockenwellenvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Öffnungsprofil verbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung dazu vorgesehen und ausgebildet ist, einen Öffnungswinkel des Auslassventils und die Nockenwellenvorrichtung im Hinblick auf ein Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Öffnungsprofil zu steuern.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Erkennungseinrichtung mit der Steuereinrichtung verbunden, so dass bei einer Erkennung einer Schwachlast des Turboladers ein Signal an die Steuereinrichtung versendbar ist, um das Auslassventil und/oder die Nockenwellenvorrichtung zu steuern.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden von der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:
- 1 Bestimmung des voreingestellten Öffnungswinkels des Auslassventils;
- 2 Wirkungsprinzip im Vergleich zum Stand der Technik;
- 3 Wirkung der Veränderung des Öffnungswinkels durch Verschieben des Winkels;
- 4 Wirkung der Veränderung des Öffnungswinkels durch Veränderung der Öffnungszeit des Auslassventils;
- 5 Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zur Turboloch-Reduzierung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
-
In der 1 ist die Bestimmung des voreingestellten Öffnungswinkels des Auslassventils zu erkennen. Dieser hängt von unterschiedlichen Parametern ab, wie im Nachfolgenden genauer beschrieben wird.
-
Im ersten Schritt S1 werden zunächst der angestrebte Ansaugstrom und der Ladedruck für einen Volllastbetrieb bei der aktuellen Motordrehzahl ermittelt. Im anschließenden Schritt S2 wird entsprechend die benötigte Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers bei Volllast bestimmt. Hier fließen beispielsweise Parameter mit ein wie zum Beispiel die maximale Rotationsgeschwindigkeit des Turbos und der Umgebungsdruck.
-
Im weiter nachfolgenden Schritt S3, welcher ein Turbolader-Turbinenmodell enthält, wird ebenso unter weiterer Berücksichtigung von Parametern, beispielsweise wie Abgastemperatur, Zündwinkel, Einspritzparameter, Abgasstrom und Wastegate-Position, der angestrebte Öffnungswinkel des Auslassventils im Schritt S4 bestimmt.
-
Aus dem angestrebten Öffnungswinkel des Auslassventils kann dann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der veränderte Öffnungswinkel ermittelt werden. Dies kann durchgeführt werden einerseits, wie bereits beschrieben, mittels einer Verschiebung des Öffnungswinkels (S5), oder andererseits mittels einer Veränderung des Nockenwellenprofils (S6), oder einer Kombination aus beiden, einer Verschiebung des Öffnungswinkels und einer Veränderung des Nockenwellenprofils (S7).
-
In der 2 ist das grundlegende Wirkungsprinzip der vorliegenden Anmeldung im Vergleich zum bekannten Stand der Technik aufgezeigt.
-
Hierbei wird das Wirkungsprinzip anhand eines Beispiels aufgezeigt, bei welchem der Fahrer vollständig vom Gas geht und später wieder Gas gibt.
-
Von links nach rechts gesprochen in der 2 ist zunächst die Situation gegeben, dass der Fahrer Gas gibt, das Drehmoment des Motors entsprechend hoch ist und ebenso die Rotationsgeschwindigkeit so hoch ist, dass der Turbolader bei voller Leistung betrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei inaktiv.
-
Gibt der Fahrer nun plötzlich kein Gas mehr, angezeigt durch den Pfeil mit entsprechender Beschriftung, so wird eine Schwachlast hervorgerufen und die Rotationsgeschwindigkeit des Turbos verringert sich aufgrund der geänderten Drehmomentanforderung des Motors.
-
Ohne das erfindungsgemäße Verfahren fällt die Rotationsgeschwindigkeit erheblich ab, so dass bei erneutem Gasgeben ein Turboloch die Folge ist.
-
Im Gegensatz hierzu wird aufgrund der Veränderung des Öffnungswinkels des Auslassventils gemäß der vorliegenden Erfindung die Rotationsgeschwindigkeit zwar geringer, jedoch nur geringfügig. Die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers wird durch die Veränderung des Öffnungswinkels während einer Schwachlast deutlich höher gehalten als aus dem Stand der Technik bekannt.
-
Gibt nun der Fahrer wieder Gas, ebenso dargestellt durch den entsprechenden Pfeil mit Kennzeichnung, so wird die Drehmomentanforderung des Motors erhöht; ebenso erhöht sich nun wieder der Abgasstrom in Bezug auf Temperatur und Fluss.
-
Gemäß dem Stand der Technik wird nun im Vergleich zur vorliegenden Erfindung eine deutlich längere Zeit benötigt, um die erforderliche Rotationsgeschwindigkeit des Turbos zu erreichen.
-
In der 3 wird das Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt, insbesondere wird hierbei der Öffnungswinkel des Auslassventils verschoben.
-
Die gestrichelten Linien stellen dabei den voreingestellten Öffnungswinkel des Auslassventils mit der zugehörigen Öffnungsdauer dar. Ist das Verfahren inaktiv, so wird das Auslassventil bei etwa 20° der Kurbelwelle (CRK) vor dem TDC geöffnet. Wird der Öffnungswinkel des Auslassventils verändert, insbesondere zu einem Öffnungswinkel, welcher zeitlich vor dem voreingestellten Öffnungswinkel erreicht wird, so wird das Folgende erreicht.
-
Der voreingestellte Öffnungswinkel wird zeitlich spät erreicht, so dass der Druck im Zylinder bereits klein ist. Durch eine Verschiebung des Öffnungswinkels auf einen anderen Öffnungswinkel, insbesondere einem Öffnungswinkel, welcher zeitlich früher erreicht wird, ist der Druck innerhalb des Zylinders deutlich gegenüber dem Druck beim voreingestellten Öffnungswinkel erhöht. Wird das Auslassventil bei einem höheren Zylinderdruck geöffnet, so ist entsprechend der Abgasstrom energiereicher, wodurch dem Turbolader mehr Energie zugeführt werden kann.
-
Aus der 3 ist insbesondere ein Verlauf des Zylinderdrucks zu erkennen.
-
Gemäß der 4 ist das Verfahren gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Hierbei wurde das Profil der Nockenwelle geändert, so dass nun eine längere Öffnungszeit des Auslassventils erreicht wird, weiter bevorzugt unter Beibehaltung des Schließzeitpunkts des Auslassventils. Durch die Veränderung des Profils und resultierend daraus der Öffnungszeit des Auslassventils ergibt sich eine Verschiebung des Öffnungswinkels des Auslassventils, so dass ebenso ein erhöhter Zylinderdruck zum Betreiben des Turboladers genutzt werden kann.
-
Weiter ist auch eine Kombination der beiden Ausführungsformen denkbar, so dass sowohl der Öffnungswinkel als auch die Öffnungszeit verändert werden.
-
TDC („top dot center“) heißt im Zusammenhang mit den Figuren, dass der Kolben des Zylinders in seiner obersten Position ist; bdc („bottom dot center“) entsprechend, dass der Kolben des Zylinders in seiner untersten Position ist. VVT („variable valve timing“) entspricht dem Verfahren gemäß der Ausführungsform, in welcher der Öffnungswinkel des Auslassventils verändert wird.
-
In der 5 ist eine Vorrichtung 1 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wobei die Vorrichtung 1 einen Turbolader 2, mindestens einen Zylinder 3 mit einem Auslassventil 4, welches mit dem Turbolader fluidisch in Verbindung steht, eine Steuereinrichtung 5 und eine Erkennungseinrichtung 6 aufweist. Die Steuereinrichtung 5 ist dabei zumindest signaltechnisch mit dem Auslassventil 4 und einer Nockenwellenvorrichtung 7 verbunden, wobei die Nockenwellenvorrichtung ein erstes und ein zweites Profil bzw. Nockenwellenprofil aufweist. Die Steuereinrichtung 5 ist dabei dazu vorgesehen und ausgebildet, das Auslassventil 4 im Hinblick auf den Öffnungswinkel zu steuern und die Nockenwellenvorrichtung im Hinblick auf ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Profil zu steuern.
-
Die Erkennungseinrichtung 6 ist dabei mit dem Fahrzeug, insbesondere der Steuereinheit 8 (ECU) verbunden, wobei die Erkennungseinrichtung 6 dazu vorgesehen und ausgebildet ist, die Last des Fahrzeugs bzw. des Motors zu erkennen. Weiter ist die Erkennungseinrichtung 6 mit der Steuereinrichtung 5 verbunden, so dass bei Erkennen einer Schwachlast ein Signal 9 an die Steuereinrichtung versendet wird, um das Auslassventil 4 und/oder die Nockenwellenvorrichtung 7 entsprechend anzusteuern.
-
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Turbolader
- 3
- Zylinder
- 4
- Auslassventil
- 5
- Steuereinrichtung
- 6
- Erkennungseinrichtung
- 7
- Nockenwellenvorrichtung
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Signal
