DE19705422C1

DE19705422C1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE19705422C1
Application number: DE19705422A
Authority: DE
Inventors: Erwin Schmidt; Siegfried Lamsbach; Marco Schade; Siegfried Dipl Ing Sumser
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: ITRM980078A1; GB2322163B; ITRM980078A0; GB9802932D0; FR2759413B1; GB2322163A; IT1298897B1; US6035638A; FR2759413A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach der im Oberbegriff von An spruch 1 näher definierten Art.

Aus der DE 42 32 400 C1 ist ein Abgasturbolader mit veränderbarer Turbinengeometrie bekannt. Dabei wird ein ringförmiger Einsatz zwischen einem spiralförmigen Leitkanal der Turbine des Abgasturboladers und einem Laufrad derart verschiebbar angeordnet, daß ein Strö mungsquerschnitt für das Abgas in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine einstellbar ist.

Nachteilig ist dabei jedoch, daß beim Erreichen einer maximalen Belastungsgrenze der Einströmquerschnitt des Laufrades derart verengt wird, daß die Turbine des Abgasturboladers nicht mehr bzw. nur noch von einer geringen Abgasmenge beaufschlagt wird und damit keine bzw. nur noch wenig Leistung von der Turbine auf einen Verdichter des Abgasturboladers übertragen wird.

Die DE 29 01 041 C2 beschreibt einen Abgasturbolader, der mittels einer Abgasbypassleitung und einer Druck steuerklappe an den Betriebszustand einer Brennkraft maschine anpaßbar ist. Dadurch sollen die Brennkraft maschine sowie der Abgasturbolader mit der Abgas bypassleitung und der Drucksteuerklappe vor Überbela stungen geschützt werden.

Dabei ist jedoch nachteilig, daß die Vorrichtung einen hohen konstruktiven und regelungstechnischen Aufwand benötigt. Darüber hinaus weist die Strömungsführung des Abgases bei dieser Lösung einen komplexen Verlauf auf, wodurch unerwünschte Verwirbelungen im Abgasstrom und somit Leistungsverluste des Abgasturboladers auf treten können.

Aus der Praxis sind Abblaseventile bekannt, die zur Abblasung von Abgas aus einem Abgasleitungssystem vor gesehen sind. Damit sollen Belastungsspitzen der Brennkraftmaschine und des Abgasturboladers vermieden werden.

Nachteilhafterweise kann mit diesen Abblaseventilen nur eine Druckbegrenzung im Abgasleitungssystem vorge nommen werden. Die Abblaseventile öffnen beim Errei chen einer bestimmten Belastungsgrenze und führen da bei Abgas aus dem Abgasleitungssystem ab. Dies bewirkt einen plötzlichen Druckabfall im Abgasleitungssystem, welcher einen Leistungsabfall des Abgasturboladers zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgastur bolader derart zu schaffen, daß eine Überbeanspruchung des Abgasleitungssystems und der Brennkraftmaschine durch einen zu hohen Ladeluftdruck vermieden wird und der Brennkraftmaschine sowohl während dem Motorbrems betrieb als auch während dem befeuerten Betrieb je weils die Luftmasse zugeführt wird, die für einen op timalen Betrieb der Brennkraftmaschine benötigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn zeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung eines variablen Flächenquerschnittes, welcher zwischen einem Ventil körper und einem dazugehörigen Ventilsitz einer Abbla seeinrichtung vorhanden ist, kann vorteilhafterweise eine an die Betriebszustände Motorbremsbetrieb und befeuerter Betrieb der Brennkraftmaschine anpaßbare genau definierte Abgasmenge aus einem Abgasleitungssy stem durch den Flächenquerschnitt abgeführt werden.

Daraus ergibt sich der Vorteil, daß dabei ein Ab gasturbolader schon bei wesentlich geringeren Motor drehzahlen seine volle Leistung entfalten kann, da aufgrund der genauen Abregelung mittels der Abblase einrichtung der Abgasturbolader entlang einer Grenz kurve von einem Unterlast- zu einem Überlastbereich betrieben werden kann. Damit kann eine Brennkraftma schine mit einem optimalen Ladedruck beaufschlagt wer den, wodurch in einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein für einen niedrigen Kraftstoffverbrauch optimales Luft/Kraftstoffverhältnis Lambda entsteht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be schriebenen Ausführungsbeispielen:

Es zeigt:

Fig. 1 ein Abgasleitungssystem mit einem Abgasturbola der, einer Brennkraftmaschine und einer Abbla seeinrichtung.

Fig. 2 einen Ventilkörper einer Abblaseeinrichtung mit einer Ventilkörpersitzfläche und mit einem sich daran anschließenden Endabschnitt; und

Fig. 3 einen inneren und einen äußeren Ventilkörper einer Abblaseeinrichtung, die in einem Abgas leitungssystem angeordnet ist.

In Fig. 1 ist ein Abgasleitungssystem 1 mit einem Ab gasturbolader 2, einer Brennkraftmaschine 3 und einer Abblaseeinrichtung 4 dargestellt. Der Abgasturbolader 2 weist eine Abgasturbine 5 und einen Verdichter 6 auf, wobei die Abgasturbine 5 von dem Abgas der Brenn kraftmaschine 3 beaufschlagt wird. Die Abgasturbine 5 treibt über eine Welle 7 den Verdichter 6 an, der der Brennkraftmaschine 3 verdichtete Frischluft mit einem Ladedruck bzw. Ausgangsdruck P_VA des Verdichters 6 zuführt. Der Ausgangsdruck P_VA wird mittels einer Meßeinrichtung 8 gemessen und in einem Steuerkreis 9 mit einem Sollausgangsdruck P_VSA des Verdichters 6, der die Steuergröße in diesem Steuerkreis ist, vergli chen. Dieser Sollausgangsdruck P_VSA wird mittels ei ner Funktion berechnet, welche aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 3 wie beispielsweise der Motor drehzahl oder dem Lastzustand der Brennkraftmaschine 3 gebildet ist. Die Betriebsparameter werden in Kennfel dern in einer nicht näher dargestellten elektronischen Motorsteuerung hinterlegt.

Ein Eingangsdruck P_TE des Abgases der Abgasturbine 5, ist Grundlage für die Leistung, die von der Abgastur bine 5 auf den Verdichter 6 übertragen wird. Das be deutet, daß der Ausgangsdruck P_VA des Verdichters von dem Eingangsdruck P_TE der Abgasturbine 5 abhängt.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 wird der Ein gangsdruck P_TE der Abgasturbine 5 mittels einem va riablen Flächenquerschnitt 10 gesteuert. Der Flächen querschnitt 10 entsteht zwischen einem Ventilkörper 11 und einem dazugehörigen Ventilsitz 12 der Abblaseein richtung 4 durch ein Abheben des Ventilkörpers 11 von dem Ventilsitz 12. Zur Steuerung von P_TE wird eine an die Betriebszustände Motorbremsbetrieb und befeuerter Betrieb der Brennkraftmaschine 3 anpaßbare genau defi nierte Abgasmenge aus dem Abgasleitungssystem 1 durch den Flächenquerschnitt 10 hindurch abgeführt. Damit kann die von der Abgasturbine 5 auf den Verdichter 6 übertragene Leistung derart gesteuert werden, daß der Ausgangsdruck P_VA dem Sollausgangsdruck P_VSA ent spricht.

Gemäß Fig. 2 weist der Ventilkörper 11 hierfür eine Ventilkörpersitzfläche 13 auf, welche kegelförmig aus gebildet ist. An diese schließt sich ein Endabschnitt 14 an, welcher in eine Ventilsitzöffnung 15 hineinragt und dessen Meridiankurve 16 an die Betriebscharakteri stik der Brennkraftmaschine 3 angepaßt ist.

Die Anpassung der Meridiankurve 16 erfolgt dahinge hend, daß die Krümmung bzw. der Verlauf der Meridian kurve 16 von der Ventilkörpersitzfläche 13 bis hin zur Spitze des Ventilkörpers 11 derart ausgebildet ist, daß bei einem bestimmten Hub des Ventilkörpers 11 ein genau definierter Flächenquerschnitt 10 freigegeben werden kann. Dadurch kann eine sensible Abführung des Abgases, welche exakt an die experimentell ermittelte Betriebscharakteristik der Brennkraftmaschine 3 ange paßt ist, aus dem Abgasleitungssystem 1 erfolgen. Da mit wird eine stufenlose Steuerung der von der Ab gasturbine 5 abzugebenden Leistung möglich.

Der Endabschnitt 14 des Ventilkörpers 11 ist in zwei Bereiche aufgeteilt, wobei ein erster Bereich 17, wel cher sich an die Ventilkörpersitzfläche 13 anschließt, hauptsächlich für den Motorbremsbetrieb vorgesehen ist und ein zweiter Bereich 18, welcher sich an den ersten Bereich 17 anschließt, im wesentlichen für den befeu erten Betrieb der Brennkraftmaschine 3 vorgesehen ist.

Der Steigungswinkel der Tangenten der Meridiankurve 16 ist im ersten Bereich 17 größer ausgebildet als im zweiten Bereich 18, womit bei gleichen Hüben des Ven tilkörpers 11 im ersten Bereich 17 geringere Verände rungen des Flächenquerschnittes 10 erzielt werden als im zweiten Bereich 18.

Der zweibereichige Aufbau des Endabschnittes 14 des Ventilkörpers 11 berücksichtigt die unterschiedlichen Abgasmengen, die während dem Motorbremsbetrieb und dem befeuerten Betrieb von der Brennkraftmaschine 3 produ ziert werden. Da im Motorbremsbetrieb geringere Abgas mengen als im befeuerten Betrieb entstehen, ist wäh rend des Motorbremsbetriebes eine weitaus sensiblere Dosierung des Abgasausstoßes aus dem Abgasleitungssy stem 1 notwendig, um einen Leistungsabfall des Ver dichters 6 und somit eine Verringerung der Motorbrems leistung der Brennkraftmaschine 3 zu vermeiden.

Im befeuerten Betrieb bzw. Vollastbetrieb der Brenn kraftmaschine 3 werden zur Steuerung des Ausgangs druckes P_VA des Verdichters 6 größere Flächenquerschnitte 10 zur Einstellung des Eingangsdruckes P_TE der Ab gasturbine 5 benötigt.

Durch die Anpassung der Meridiankurve 16 des Ventil körpers 11 an die Betriebscharakteristik der Brenn kraftmaschine 3 wird erreicht, daß der Abgasturbolader 2 permanent an seinem maximalen Leistungsniveau arbei tet. Dieses Leistungsniveau ist derart definierbar, daß insbesondere während des Motorbremsbetriebes die nicht näher dargestellten Ein- und Auslaßventile der Brennkraftmaschine aufgrund eines Abgasgegendruckes in dem der Brennkraftmaschine 3 nachfolgenden Abgaslei tungssystem 1 gerade nicht abheben und die Motorbrems leistung einen maximal möglichen Wert erreicht.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Ab blaseeinrichtung 4 dargestellt. Dabei weist die Abbla seeinrichtung 4 einen äußeren Ventilkörper 19 und ei nen inneren Ventilkörper 20 auf, wobei der innere Ven tilkörper 20 in dem äußeren Ventilkörper 19 koaxial geführt ist. Der innere Ventilkörper 20 ist im wesent lichen für den Motorbremsbetrieb und der äußere Ven tilkörper 19 im wesentlichen für den befeuerten Be trieb der Brennkraftmaschine 3 vorgesehen.

Bei dieser Lösung ist ebenfalls berücksichtigt, daß während des Motorbremsbetriebes eine sensiblere Steue rung der austretenden Abgasmenge aus dem Abgaslei tungssystem 1 notwendig ist. Die oben beschriebene Aufteilung des Endabschnittes 14 des Ventilkörpers 11 ist in dieser Ausführungsform durch die zwei verschie den großen Ventilkörper 19 und 20 realisiert.

Für den inneren Ventilkörper 20 ist ein Ventilkörper innensitz 21 in dem äußeren Ventilkörper 19 vorgese hen. So wird während dem Motorbremsbetrieb das Abgas durch einen Ausströmungsquerschnitt 22 zwischen einer Ventilsitzfläche 23 des inneren Ventilkörpers 20 und dem Ventilkörperinnensitz 21 durch einen Ringspalt 24, der zwischen dem inneren Ventilkörper 20 und dem äuße ren Ventilkörper 19 ausgebildet ist, und eine Bohrung 25 in dem äußeren Ventilkörper 19 aus dem Abgaslei tungssystem 1 abgeführt.

Während dem befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine 3 wird das Abgas durch einen Ausströmungsquerschnitt 26 zwischen einer Ventilsitzfläche 27 des äußeren Ven tilkörpers 19 und einem Ventilkörperaußensitz 28 aus dem Abgasleitungssystem 1 abgeführt.

Beiden Ausführungsformen der Abblaseeinrichtung gemäß den Fig. 2 und 3 ist gemeinsam, daß in der Abblase einrichtung 4 eine, nicht näher dargestellte, Stel leinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher der Ven tilkörper 11, der äußere Ventilkörper 19 und der inne re Ventilkörper 20 gegenüber dem Ventilsitz 12, dem Ventilkörperaußensitz 28 und dem Ventilkörperinnensitz 21 verschiebbar sind. Diese Verschiebung kann auf elektrischem, elektronischem, pneumatischem oder hy draulischem Weg erfolgen.

Zusätzlich zu den Kennfeldern, die bestimmte Betriebs parameter enthalten, kann auch ein Kennfeld als Grund lage zur Verarbeitung von Impulsen eines ABS-Systemes verwendet werden.

So kann beispielsweise mit der Grundlage der Kennfel der für eine Bedienperson der Brennkraftmaschine 3 bzw. das die Brennkraftmaschine 3 enthaltende Nutz fahrzeug in einem Fahrgastinnenraum ein Wahlhebel vor gesehen sein, mittels welchem der Bediener stufenlos ein maximales Leistungsniveau der Brennkraftmaschine 3 derart einstellen kann, daß ein dem Leistungsniveau entsprechender maximaler Verdichterausgangsdruck P_VAS nicht überschritten wird. Dies hat zur Folge, daß be sonders während dem Motorbremsbetrieb bei glatter oder regennasser Fahrbahn das Fahrverhalten des Nutzfahr zeuges in Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine 3 variabler von dieser Bedien person einstellbar ist.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, mit einer in einem Abgasleitungssystem angeordneten Abgastur bine, und mit einer in Strömungsrichtung des Abga ses im Abgasleitungssystem vor der Abgasturbine oder in einem Spiralgehäuse der Abgasturbine ange ordneten Abblaseeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein variabler Flächenquerschnitt (10 bzw. 22, 26) zwischen wenigstens einem Ventilkörper (11 bzw. 19, 20) und einem dazugehörigen Ventilsitz (12 bzw. 21, 28) der Abblaseeinrichtung (4) derart ausgebil det ist, daß eine an die Betriebszustände Motor bremsbetrieb und befeuerter Betrieb anpaßbare Ab gasmenge aus dem Abgasleitungssystem (1) durch den Flächenquerschnitt (10) hindurch abführbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblaseeinrichtung (4) wenigstens einen Ventil körper (11) mit einer Ventilkörpersitzfläche (13) und einen sich daran anschließenden Endabschnitt (14) aufweist, welcher in eine Ventilsitzöffnung (15) hineinragt und dessen Meridiankurve (16) an die Betriebscharakteristik der Brennkraftmaschine (3) angepaßt ist, aufweist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (14) des Ventilkörpers (11) mit zwei Bereichen versehen ist, wobei ein erster Be reich (17), welcher sich an die Ventilkörpersitz fläche (13) anschließt, im wesentlichen für den Mo torbremsbetrieb vorgesehen ist und ein zweiter Be reich (18), welcher sich an den ersten Bereich (17) anschließt, im wesentlichen für den befeuerten Be trieb vorgesehen ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblaseeinrichtung (4) wenigstens eine Stell einrichtung aufweist, mittels welcher der Ventil körper (11) gegenüber dem Ventilsitz (12) ver schiebbar ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblaseeinrichtung (4) einen äußeren Ventilkör per (19) und einen inneren Ventilkörper (20) auf weist, wobei der innere Ventilkörper (20) in dem äußeren Ventilkörper (19) koaxial führbar ist und der innere Ventilkörper (20) im wesentlichen für den Motorbremsbetrieb und der äußere Ventilkörper (19) im wesentlichen für den befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine (3) vorgesehen ist, wobei der variable Flächenquerschnitt durch einen variablen ersten Ausströmungsquerschnitt (22), welcher zwi schen einer Ventilsitzfläche (23) des inneren Ven tilkörpers (20) und einem Ventilkörperinnensitz (21) angeordnet ist, und einen variablen zweiten Ausströmungsquerschnitt (26), welcher zwischen ei ner Ventilsitzfläche (27) des äußeren Ventilkörpers (19) und einem Ventilkörperaußensitz (28) angeord net ist, ausgebildet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörperinnensitz (21) für den inneren Ven tilkörper (20) in dem äußeren Ventilkörper (19) vorgesehen ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas während dem Motorbremsbetrieb im wesent lichen durch den Ausströmungsquerschnitt (22), durch einen Ringspalt (24), der zwischen dem inne ren Ventilkörper (20) und dem äußerem Ventilkörper (19) ausgebildet ist, und eine Bohrung (25) in dem äußerem Ventilkörper (19) aus dem Abgasleitungssy stem (1) abführbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas während dem befeuerten Betrieb im wesent lichen durch den Ausströmungsquerschnitt (26) aus dem Abgasleitungssystem (1) abführbar ist.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblaseeinrichtung (4) einen Steuerkreis (9) mit einer Meßeinrichtung (8), mittels der ein Aus gangsdruck P_VA eines Verdichters (6) des Abgastur boladers (2) meßbar ist, aufweist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuerkreis (9) der Ausgangsdruck P_VA mit einem Sollausgangsdruck P_VSA des Verdichters (6) vergleichbar ist und ein Eingangsdruck der Ab gasturbine (5) P_TE mittels der Abblaseeinrichtung (4) derart steuerbar ist, daß P_VA gleich P_VSA ist.