DE10297129B4

DE10297129B4 - Verfahren zum Steuern des Ladedrucks eines turbogeladenen Verbrennungsmotors und zugehöriger Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10297129B4
Application number: DE10297129T
Authority: DE
Inventors: Martin Ekenberg
Original assignee: Saab Automobile AB
Current assignee: Saab Automobile AB
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: WO2002079624A1; US6883319B2; DE10297129T5; US20040089278A1; SE0101143D0; SE518687C2; SE0101143L

Abstract

Verfahren zum Erreichen einer wirksamen Abgasreinigung der Abgase eines mit einem abgasgetriebenen Turbokompressors (10) verbundenen Verbrennungsmotors, wobei der Motor mehrere Zylinder und einen geteilten Abgasstrom hat und auch zumindest zwei Auslassventile (2, 3) und ein Einlassventil (14) pro Zylinder, nämlich ein durch einen ersten Abgaskrümmer (4) mit der abgasgetriebenen Turbine (11) des Turbokompressors verbundenes erstes Auslassventil (2) und ein durch einen zweiten Abgaskrümmer (5) mit der Abgasanlage des Motors stromabwärts der Abgasturbine verbundenes zweites Auslassventil (3), wobei die Öffnungszeiten der Auslassventile (2, 3) in Bezug aufeinander variiert werden, um den Abgasstrom durch die Abgasturbine (11) auf einen Wert zu bringen, der den gewünschten Ladedruck in dem Motor ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ferner einen ersten Katalysator (6) umfasst, der über eine erste Abgasleitung (7) mit dem ersten Abgaskrümmer (4) und über eine zweite Abgasleitung (8) mit dem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist, sowie einen zweiten Katalysator (9), der in...

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren zum Erreichen einer wirksamen Abgasreinigung in einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und zum anderen einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnologie wird häufig Gebrauch gemacht von der Aufladung von Verbrennungsmotoren, um bei hoher Drehzahl eine größere Motorleistung zu erreichen. Dabei wird eine Aufladung mittels eines von dem Motor angetriebenen Kompressors erreicht. Eine gängige Lösung besteht darin, solch einen Kompressor durch eine von den Abgasen des Motors getriebene Abgasturbine anzutreiben. Ein Problem im Zusammenhang mit dieser Lösung ist, dass mit einem kräftigen Abgasstrom ein hoher Ladedruck erhalten wird, mit dem damit einhergehenden Risiko eines Motorschadens, wenn der Ladedruck zu hoch wird.
Gemäß einer bekannten Lösung dieses Problems ist die Abgasturbine mit einem Sicherheitsventil ausgestattet, das als Wastegate (Ablassventil) bekannt ist, welches bei einem vorgegebenen Druck in dem Kompressorauslass im Einlasssystem des Motors den Druck in der Abgasturbine durch Öffnen und Ablassen eines bestimmten Abgasstromes aus der Abgasturbine in die Abgasanlage verringert. Auf diese Weise wird die Kapazität des Kompressors verringert, so dass die Aufladung auf ein sicheres Maß herabgesetzt wird. Ein Problem besteht dabei darin, dass das verwendete Ventil den eingesetzten Turbokompressor verkompliziert und in einer Hochtemperaturumgebung arbeiten muss. Darüber hinaus kann eine Fehlfunktion für den Motor katastrophale Folgen haben.
Ein Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösung zu eliminieren und eine bessere und sichere Lösung bereitzustellen. Ein weiteres Ziel ist es, dies mit einfacheren Mitteln zu erreichen.
Diese Ziele sind zum einen mittels eines Verfahrens, das die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und zum anderen mittels eines Verbrennungsmotors erreicht, der die im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale aufweist.
Durch Einsatz des geteilten Abgasstromprinzips, das für sich gemäß der Patentschrift GB 2 185 286 bekannt ist, bei dem der Abgasstrom mittels doppelter Auslassventile in zwei unterschiedliche Ströme aufgeteilt wird, von denen ein Strom zu der Abgasturbine und ein Strom an der Abgasturbine vorbei fließt, und Ändern der Anteile zwischen diesen beiden Strömen während des Betriebs ist es möglich, den Ladedruck im Motor ohne die Hilfe eines Wastegate-Ventils in der Abgasturbine zu ändern und zu begrenzen. Dies wird geeigneterweise durch Ändern der Öffnungsdauer desjenigen Auslassventils erreicht, das einen Strom an der Abgasturbine vorbei leitet. Durch Erhöhen dieses Abgasstromes kann der durch die Abgasturbine fließende Abgasstrom reduziert werden, unter damit einhergehendem Herabsetzen des Ladedrucks im Motor.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise auch aus der Offenlegungsschrift DE 38 21 935 A1 bekannt, bei der zwei Auslasskanäle pro Zylinder jeweils mit einem Auslassventil ausgestattet sind, wobei die beiden Auslassventile unterschiedliche Steuerzeiten haben, so dass das zweite Ventil sich gegenüber dem ersten Ventil später öffnen kann.
Die EP 0 275 245 A1 offenbart ferner eine Anordnung, bei der jeder Zylinder eines Verbrennungsmotors mit einem Auslassventil und einem Drucksteuerungsventil versehen ist, wobei sich das Drucksteuerungsventil öffnen soll, wenn sich der Kolben während des Kompressionshubs des Motorzyklus in dem Zylinder in einer ersten vorbestimmten Stellung befindet. Somit wird das Drucksteuerungsventil zu einem anderen Zeitpunkt geöffnet, als das reguläre Auslassventil der jeweiligen Zylinder.
Eine vergleichbare Anordnung ist zudem aus der JP 05263671 AA bekannt.
Durch die Anordnung eines ersten Katalysators, der über eine erste Abgasleitung mit dem ersten Abgaskrümmer und über eine zweite Abgasleitung mit dem zweiten Abgaskrümmer verbunden ist, und eines zweiten Katalysators, der in der zweiten Abgasleitung nahe dem Motor angeordnet ist, wird es dann, wenn das erste Auslassventil für eine kurze Zeitdauer geschlossen gehalten wird, allen Abgasen ermöglicht, durch den zweiten Katalysator zu strömen und Letzteren rasch aufzuheizen und auf diese Weise eine wirksame Abgasreinigung zu erreichen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den Patentansprüchen hervor.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den beigefügten Figuren gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Figurenbeschreibung
In der Zeichnung zeigt
1 einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, und
2 das Öffnungsverhältnis zwischen zwei Auslassventilen in einem Zylinder bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Mehrzylinderverbrennungsmotor 1 in Gestalt eines Ottomotors. Die Zylinder des Motors haben je zumindest zwei Auslassventile 2 und 3. Abgase werden von den ersten Auslassventilen 2 der Zylinder in einen den Zylindern gemeinsamen ersten Abgaskrümmer 4 ausgeleitet. Abgase werden von den zweiten Auslassventilen 3 der Zylinder in einen den Zylindern gemeinsamen zweiten Abgaskrümmer 5 ausgeleitet. Der erste Abgaskrümmer 4 ist über eine erste Abgasleitung 7 mit einem ersten Katalysator 6 verbunden, und der zweite Abgaskrümmer 5 ist über eine zweite Abgasleitung 8, die hier einen zweiten Katalysator 9 enthält, mit dem ersten Katalysator 6 verbunden. Ein oder mehrere Schalldämpfer (nicht gezeigt) ist bzw. sind stromabwärts des Katalysators 6 auf herkömmliche Art und Weise angeordnet.
Der Motor 1 ist ferner zum Aufladen ausgerüstet mittels eines abgasgetriebenen Turbokompressors 10 (oder Turbolader), dessen Turbine 11 in die erste Abgasleitung 7 geschaltet ist und deshalb von dem ersten Abgaskrümmer 4 und den ersten Auslassventilen 2 versorgt wird. Ein von der Turbine 11 getriebener Kompressor 12 versorgt den Motor mit Ladeluft, die, falls notwendig, in einem Kühler 13 gekühlt wird. Diese Ladeluft wird auf herkömmliche Weise durch ein oder mehrere Einlassventile 14 (nicht genauer dargestellt) jedem Zylinder zugeführt.
Der hier beschriebene Motor hat deshalb einen geteilten Abgasstrom entsprechend dem in der erwähnten Patentschrift GB 2 185 286 beschriebenen Prinzip. Die Wechselwirkung zwischen den zwei Auslassventilen 2 und 3 in jedem Zylinder ist in schematischer Form in 2 dargestellt. Die horizontale Achse gibt den Motorkurbelwellenwinkel CA wieder, während die vertikale Achse den Wert des Ventilhubs VL wiedergibt. Die normale Bewegung der beiden Auslassventile ist durch Kurven 2, 3 (ausgezogene Linien) dargestellt. Wie zu ersehen ist, sind die zwei Auslassventile 2 und 3 mit einem gewissen Versatz zueinander während des Auslasshubs des Kolbens zwischen einer unteren Totpunktstellung A und einer oberen Totpunktstellung B offen. Das erste Auslassventil 2 öffnet bevor der Kolben seine untere Totpunktstellung A erreicht hat und schließt bevor der Kolben seine obere Totpunktstellung B erreicht hat. Demgegenüber öffnet, in dem durch die ausgezogene Linie dargestellten Normalfall, das zweite Auslassventil 3 nicht, bevor der Kolben seine untere Totpunktstellung A passiert hat und bleibt offen für eine Zeitdauer nachdem der Kolben seine obere Totpunktstellung B passiert hat.
Erfindungsgemäß kann die Öffnungsdauer des zweiten Auslassventils so geändert werden, dass es, wenn notwendig, früher und mehr öffnet als in dem durch die ausgezogene Linie dargestellten Normalfall. Beispiele für eine solchermaßen geänderte Öffnungsdauer sind durch die Kurven 3', 3'' und 3''' (unterbrochene Linien) dargestellt, wobei die Kurven wiederum eine zunehmend längere Öffnungsdauer wieder geben. Durch Vergrößern der Öffnungsdauer des zweiten Auslassventils 3 kann auf diese Weise eine zunehmende Menge Abgase aus dem Motor an der Turbine 11 vorbei geleitet werden, mit der Folge, dass die Leistung von Letzterer verringert wird und eine kleinere Luftmenge mittels des Kompressors 2 dem Motor zugeführt wird. Dies wiederum führt zur Möglichkeit des Regelns des Ladedrucks im Motor auf ein bestimmtes Niveau durch geeignete Wahl der Öffnungsdauer des zweiten Auslassventils 3. Auf diese Weise ist es möglich, den Ladedruck ohne den Einsatz eines bisher üblichen Wastegate-Ventils in der Turbine zu regeln.
Ein Verändern der Bewegung des zweiten Auslassventils 3 kann auf eine Reihe verschiedener Arten stattfinden, wie erforderlich und gewünscht. Eine Möglichkeit ist beispielsweise, eine variable Geometrie auf einer für die Auslassventile bestimmten Nockenwelle zu benutzen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, elektromechanisch arbeitende Ventilbetätiger einzusetzen, die wie erforderlich elektrisch gesteuert werden können. Falls vorteilhaft, können diese Lösungen kombiniert oder durch andere Lösungen ersetzt werden, die einem Fachmann zur Verfügung stehen, alles innerhalb des Bereichs der Erfindung.
Zusätzlich zu der hier gezeigten Lösung des früheren Öffnens des zweiten Auslassventils 3 ist es auch möglich, das Schließen des ersten Auslassventils 2 zu variieren. Falls vorteilhaft, können diese Lösungen kombiniert werden. In diesem Zusammenhang kann eine ähnlich der für das zweite Auslassventil 3 benutzten Technik dazu eingesetzt werden, auf das erste Auslassventil 2 zu wirken.
Gemäß der Erfindung ist es deshalb eine Sache des Regelns der Öffnungsdauer der beiden Auslassventile 2, 3 in Relation zueinander, so dass der Abgasstrom durch die Abgasturbine auf einen Wert gebracht wird, der den im Motor gewünschten Ladedruck ergibt.
Aus verschiedenen Gründen wird es zunehmend üblicher, Motoren bei hoher Leistungsabgabe mit einem zunehmend geringeren Kraftstoffüberschuss zu betreiben, mit der Folge, dass eine hohe Abgastemperatur erhalten wird. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eliminiert die Schwierigkeit des Bereitstellens einer guten Kühlung eines Wastegate-Ventils in der Turbine, die zunehmend höherer Abgastemperatur ausgesetzt ist. Eine gute Kühlung des ersten Auslassventils 2 kann stattdessen durch eine geeignete Auslegung von Wasserkühlkanälen um dieses Ventil im Motor sichergestellt werden.
Der zweite Katalysator 9 ist geeigneterweise nahe dem Motor angeordnet und ist für einen begrenzten Abgasstrom vorgesehen. Wird der Motor gestartet, wird vorteilhaft das erste Auslassventil 2 für eine kurze Zeitdauer geschlossen gehalten, um allen Abgasen zu erlauben, durch den zweiten Katalysator 9 zu strömen und Letzteren rasch aufzuheizen und auf diese Weise eine wirksame Abgasreinigung zu erreichen. Damit es erfindungsgemäß im Falle hoher Motorlast dem zweiten Katalysator 9 möglich ist, eine erhöhte Abgasmenge aufzunehmen, muss er eine einem solchen erhöhten Abgasstrom angepasste Größe haben.
Die Erfindung kann selbstverständlich auch in einem Ausführungsbeispiel angewendet werden, in dem es keinen zweiten Katalysator 9 gibt.

Claims

Verfahren zum Erreichen einer wirksamen Abgasreinigung der Abgase eines mit einem abgasgetriebenen Turbokompressors (10) verbundenen Verbrennungsmotors, wobei der Motor mehrere Zylinder und einen geteilten Abgasstrom hat und auch zumindest zwei Auslassventile (2, 3) und ein Einlassventil (14) pro Zylinder, nämlich ein durch einen ersten Abgaskrümmer (4) mit der abgasgetriebenen Turbine (11) des Turbokompressors verbundenes erstes Auslassventil (2) und ein durch einen zweiten Abgaskrümmer (5) mit der Abgasanlage des Motors stromabwärts der Abgasturbine verbundenes zweites Auslassventil (3), wobei die Öffnungszeiten der Auslassventile (2, 3) in Bezug aufeinander variiert werden, um den Abgasstrom durch die Abgasturbine (11) auf einen Wert zu bringen, der den gewünschten Ladedruck in dem Motor ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ferner einen ersten Katalysator (6) umfasst, der über eine erste Abgasleitung (7) mit dem ersten Abgaskrümmer (4) und über eine zweite Abgasleitung (8) mit dem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist, sowie einen zweiten Katalysator (9), der in der zweiten Abgasleitung (8) nahe dem Motor angeordnet ist, und dass beim Starten des Motors das erste Auslassventil für eine kurze Zeitdauer geschlossen gehalten wird, damit der zweite Katalysator (9) von dem gesamten Abgasstrom durchströmt und hierdurch aufgeheizt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) zunehmend früher geöffnet wird, je niedriger der gewünschte Ladedruck ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub des zweiten Ventils (3) vergrößert wird, je früher es öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) unabhängig vom gewünschten Ladedruck zum selben Zeitpunkt geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Auslassventil (2) unabhängig vom gewünschten Ladedruck auf die selbe Weise öffnet und schließt.
Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und mit einem geteilten Abgasstrom, der zumindest zwei Auslassventile (2, 3) und ein Einlassventil (14) pro Zylinder aufweist, nämlich ein durch einen ersten Abgaskrümmer (4) mit dem Einlass einer abgasgetriebenen Turbine (11) eines Turbokompressors (10) zum Aufladen des Motors verbundenes erstes Auslassventil (2) und ein durch einen zweiten Abgaskrümmer (5) mit der Abgasanlage des Motors stromabwärts der Abgasturbine (11) verbundenes zweites Auslassventil (3), wobei die Auslassventile (2, 3) Öffnungszeiten haben, die in Relation zueinander variabel sind, um es zu ermöglichen, den Abgasstrom durch die Abgasturbine auf einen Wert zu bringen, der den gewünschten Ladedruck im Motor ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ferner einen ersten Katalysator (6) umfasst, der über eine erste Abgasleitung (7) mit dem ersten Abgaskrümmer (4) und über eine zweite Abgasleitung (8) mit dem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist, sowie einen zweiten Katalysator (9), der in der zweiten Abgasleitung (8) nahe dem Motor angeordnet ist, und dass das erste Auslassventil dazu ausgebildet ist, beim Starten des Motors für eine kurze Zeitdauer geschlossen gehalten zu werden, damit der zweite Katalysator (9) von dem gesamten Abgasstrom durchströmt und hierdurch aufgeheizt werden kann.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur das zweite Auslassventil (3) eine variable Öffnungsdauer hat und so angeordnet ist, dass es für einen höheren Ladedruck eine kürzere Öffnungsdauer hat als für einen niedrigeren Ladedruck.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) so angeordnet ist, dass es für einen abnehmenden Ladedruck zunehmend früher öffnet.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) so angeordnet ist, dass es für einen abnehmenden Ladedruck eine zunehmende Hubbewegung hat.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Auslassventil (3) einen Schließpunkt hat, der für unterschiedliche Ladedrücke unverändert ist.