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Die
Erfindung betrifft eine Turbolader-Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und ein Steuerverfahren für einen Turbolader mit einer
verstellbaren Düse
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3, und zwar jeweils zum veränderlichen
Steuern eines Eintrittsöffnungsquerschnitts
einer Abgasturbine des Turboladers, um dadurch das Warmlaufverhalten
eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
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Bei
einem Lkw, in den ein Dieselmotor eingebaut ist, wird zum raschen
Warmlaufen des Verbrennungsmotors nach einem Anlaßvorgang
des Verbrennungsmotors eine Drosselklappe einer Abgasbremsvorrichtung,
die in einem Abgasrohr des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, geschlossen, wenn
ein Gaspedal unwirksam ist (wenn das Gaspedal in seiner Ausgangsposition
steht) und der Verbrennungsmotor leerläuft.
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Der
Grund ist, daß dann,
wenn die Drosselklappe der Abgasbremsvorrichtung geschlossen wird,
ein Abgaswiderstand des Verbrennungsmotors ansteigt, so daß die Last
des Verbrennungsmotors höher
wird und damit eine Kraftstoffmenge, die in jeden von Zylindern
des Dieselmotors eingespritzt wird, größer wird (um eine Leerlaufdrehzahl
des Verbrennungsmotors konstantzuhalten) und eine Motordrehzahl
zum Warmlaufen des Verbrennungsmotors höher wird.
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Das
führt jedoch
zu den Problemen, daß aufgrund
von zu wenig Ansaugluft, die von dem Dieselmotor angesaugt wird,
leicht schwarzer Rauch erzeugt wird und daß Lärm erzeugt wird, wenn das Abgas
durch einen engen Zwischenraum zwischen einem Umfang der vollständig geschlossenen
Drosselklappe und einer inneren Oberfläche der Abgasleitung strömt.
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Um
das Warmlaufen des Verbrennungsmotors zu beschleunigen, ist daher
vorgeschlagen worden, einen Auflader bzw. Turbolader zu verwenden, der
an seiner Abgaseinleitungsöffnung
mit einer verstellbaren Düse
versehen ist (sie verstellt den Öffnungsquerschnitt
einer Abgaseinleitungsöffnung
entsprechend einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors), um den
Verbrennungsmotor ausgehend von seiner niedrigen Geschwindigkeit
aufzuladen.
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Durch
diesen Vorschlag wird der Abgaswiderstand in der die verstellbare
Düse aufweisenden Abgasleitung
des Turboladers im Leerlaufzustand des Verbrennungsmotors erhöht (ein
Abgasdruck wird erhöht),
und zwar ebenso wie in dem vorgenannten Fall, bei dem die Abgasbremsvorrichtung verwendet
wird.
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Wie
in der
JP 4-33384 Y2 angegeben
ist, wird dabei, wenn eine Motortemperatur gleich wie oder niedriger
als eine vorbestimmte Temperatur (eine Grenztemperatur zwischen
einem kalten und einem heißen
Verbrennungsmotor), z. B. 20°C
oder niedriger, ist und wenn sich der Verbrennungsmotor in einem
Niedriglastzustand befindet, der engste Düsenöffnungsgrad unter einer Vielzahl
von Düsenöffnungsgraden
der verstellbaren Düse
ausgewählt,
die normalerweise verwendet werden, wenn ein Kraftfahrzeug fährt, und
im übrigen
wird einer der anderen Düsenöffnungsgrade
entsprechend dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors ausgewählt.
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Es
wird heute gefordert, das Warmlaufen des Verbrennungsmotors möglichst
schnell zu beenden, so daß das
Fahrzeug möglichst
bald anfahren kann.
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Die
Vielzahl von Düsenöffnungsgraden
der verstellbaren Düse,
die normalerweise bei fahrendem Fahrzeug verwendet werden, ist jedoch
so vorgegeben, daß ein
geeigneter Ladedruck bei jeder Motordrehzahl erhalten werden kann,
d. h. in einem Niedrigdrehzahlzustand des Verbrennungsmotors, einem
Zwischendrehzahlzustand des Verbrennungsmotors und einem Hochdrehzahlzustand
des Verbrennungsmotors, so daß der
Turbolader den Verbrennungsmotor entsprechend dem Fahrzustand des
Fahrzeugs geeignet aufladen kann.
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Da,
wie vorstehend beschrieben wird, die Vielzahl von Düsenöffnungsgraden
keinen Düsenöffnungsgrad
umfaßt,
der für
einen Zustand extrem niedriger Motordrehzahl wie etwa einen Leerlaufzustand
geeignet ist, kann auch dann, wenn die verstellbare Düse auf den
kleinsten Düsenöffnungsgrad eingestellt
ist, ein ausreichender Warmlauf-Beschleunigungseffekt für den Verbrennungsmotor nicht
erreicht werden.
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Dabei
erzeugt der kleinste Düsenöffnungsgrad
der herkömmlichen
verstellbaren Düse,
der beim Warmlaufen eingestellt ist, einen Abgasdurchsatz, der für den Niedrigdrehzahlzustand
des Verbrennungsmotors am besten geeignet ist, erzeugt jedoch keinen
Abgasdurchsatz, der für
den extrem niedrigen Motordrehzahlzustand wie etwa den Leerlaufzustand
am besten geeignet ist, und daher wird der Abgaswiderstand (der
Abgasdruck) in der Abgasleitung nicht ausreichend erhöht. Ferner
ist der Aufladebetrieb des Turboladers unzureichend, die Saugluft
zum Zylinder ist ungenügend,
eine Zunahme der vom Verbrennungsmotor erzeugten Wärme kann nicht
erwartet werden, und ein ausreichender Warmlauf-Beschleunigungseffekt
kann nicht erhalten werden.
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Ein
Fahrer oder Beifahrer des Lkw macht häufig eine kurze Schlafpause,
während
der Verbrennungsmotor leer läuft
und eine Heizeinrichtung in Betrieb ist. Da jedoch die vom Verbrennungsmotor
erzeugte Wärme
im Leerlauf gering ist, wie oben beschrieben wird, ist es schwierig,
die Temperatur des Motorkühlmittels
auf einem vorbestimmten Wert zu halten, und eine ausreichende Heizleistung
kann nicht aufrechterhalten werden, wenn die Außenlufttemperatur extrem niedrig
ist.
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Daher
wird vorgeschlagen, zusätzlich
zu den herkömmlichen
Düsenöffnungsgraden
einen Düsenöffnungsgrad
vorzusehen, der für
die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors geeignet ist, wobei
der neu hinzugefügte
Düsenöffnungsgrad
kleiner als der herkömmliche Öffnungsgrad
ist, der für
die Niedrigdrehzahl des Verbrennungsmotors geeignet ist.
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Wenn
jedoch der Düsenöffnungsgrad
mit einem so extrem kleinen Wert neu hinzugefügt wird, kann zwar eine ausreichende
Warmlauf-Beschleunigungswirkung erhalten werden, aber die Abgasturbine
tendiert dazu, unmittelbar nach Beendigung des Warmlaufens des Verbrennungsmotors
zu schnell zu drehen, und das Fahrzeug beginnt zu fahren, weil zu diesem
Zeitpunkt der Düsenöffnungsgrad
für den Niedrigdrehzahlzustand
des Verbrennungsmotors anstelle des neu hinzugefügten Düsenöffnungsgrads für den Leerlauf
noch nicht eingestellt ist, während gleichzeitig
das Gaspedal betätigt
wird, um den Verbrennungsmotor in einen Niedriglastzustand zu bringen,
und der Abgasdurchsatz erhöht
wird.
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Das
Warmlaufen des Verbrennungsmotors kann also wohl beschleunigt werden,
aber die Lebensdauer des Turboladers kann verkürzt werden, oder zu viel Luft
kann durch das zu schnelle Drehen der Abgasturbine in den Zylinder
gelangen, wodurch der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors verschlechtert
wird.
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Die
Erfindung wurde aufgrund der oben angeführten Umstände gemacht, und die Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung einer Turbolader-Steuervorrichtung
und eines Verfahrens zum Steuern eines Turboladers mit einer verstellbaren Düse, wobei
die Vorrichtung und das Verfahren einen Verbrennungsmotor ausreichend
und rasch warmlaufen lassen können,
ohne die Lebensdauer eines Turboladers zu verkürzen, zu schnelles Drehen einer Abgasturbine
des Turboladers vermieden wird und die Verschlechterung eines Aufladebetriebs
des Turboladers, der für
einen Normalbetrieb des Verbrennungsmotors geeignet ist, verhindert
wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist eine Turbolader-Steuervorrichtung gemäß der Erfindung
folgendes auf: eine Abgasturbine mit einer Abgaseinleitungsöffnung,
in die aus einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors Abgase eingeleitet
werden, wobei die Abgaseinleitungsöffnung eine verstellbare Düse hat,
die einen Durchlassquerschnitt der Einleitungsöffnung durch Verstellen ihres Öffnungsgrads ändern kann,
und wobei die Abgasturbine von den Abgasen angetrieben wird, die
durch die Abgaseinleitungsöffnung
mit der verstellbaren Düse
eingeleitet werden; eine Motorlast-Detektiereinrichtung, die eine Last
des Verbrennungsmotors detektiert; eine Leerlaufzustand-Detektiereinrichtung,
die einen Leerlaufzustand des Verbrennungsmotors detektiert; und eine
Steuereinrichtung, die den Öffnungsgrad
der verstellbaren Düse
in einem Bereich einstellt, der gleich wie oder größer als
ein vorbestimmter Öffnungsgrad
ist, wenn die Motorlast-Detektiereinrichtung die Motorlast detektiert,
wobei die Leerlaufzustand-Detektiereinrichtung
folgendes aufweist: eine Motorwarmlauf-Detektiereinheit, die ein Beenden eines
Motorwarmlaufvorganges detektiert, und einen Motordrehzahlsensor,
der die Motordrehzahl erfasst, wobei die Leerlaufzustand-Detektiereinrichtung
den Leerlaufzustand detektiert, wenn die Motorwarmlauf-Detektiereinheit
das Beenden des Motorwarmlaufvorganges nicht detektiert hat und
der Motordrehzahlsensor eine Motordrehzahl gleich wie oder niedriger
als die vorbestimmte Motordrehzahl erfasst, und die Steuereinrichtung
den Öffnungsgrad
der verstellbaren Düse
in einem Bereich, der kleiner als der vorbestimmte Öffnungsgrad
ist, einstellt, wenn die Motorlast-Detektiereinrichtung den lastfreien
Zustand des Verbrennungsmotors und die Leelaufzustand-Detektiereinrichtung
den Leerlaufzustand des Verbrennungsmotors detektiert.
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Da
bei einer solchen Turbolader-Steuervorrichtung die Steuereinrichtung
den Öffnungsgrad
der verstellbaren Düse
der Abgasturbine in dem Bereich einstellt, der gleich wie oder größer als
der vorbestimmte Öffnungsgrad
ist, wenn sich der Verbrennungsmotor im Lastzustand befindet, und
weiterhin den Öffnungsgrad
der verstellbaren Düse
in dem Bereich einstellt, der kleiner als der vorbestimmte Öffnungsgrad
ist, wenn sich der Verbrennungsmotor im lastfreien Zustand befindet
und der Verbrennungsmotor im Leerlaufzustand ist, d. h. zum Zeitpunkt
des Warmlaufens des Verbrennungsmotors, kann der Düsenöffnungsgrad
der verstellbaren Düse
der Abgasturbine auf denjenigen Düsenöffnungsgrad eingestellt werden,
der im Vergleich mit einem Fall des normalen Betriebszustands gedrosselt
ist.
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Es
ist also möglich,
den Abgaswiderstand (den Abgasdruck) hinreichend zu erhöhen und
die ausreichende Saugluftmenge zu erhalten, so daß kein schwarzer
Rauch erzeugt wird und der ausreichende Warmlauf-Beschleunigungseffekt
erhalten werden kann, während
sich der Verbrennungsmotor im Leerlaufzustand befindet. Anders als
in dem Fall, in dem die Drosselklappe der Abgasbremsvorrichtung
geschlossen ist, gewährleistet
ferner die für
den Leerlaufzustand eingestellte verstellbare Düse einen solchen Durchlaßquerschnitt,
daß kein
starker Lärm erzeugt
wird, wenn die Abgase hindurchgeleitet werden.
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Wenn
ferner die Motordrehzahl auf einen Wert zunimmt, der höher als
derjenige im Leerlaufzustand ist, und die Last auf den Verbrennungsmotor aufgebracht
wird, sollte die Abgasturbine nicht zu schnell drehen, und daher
sollte nicht zu viel Luft aufgrund von zu schnellem Drehen der Abgasturbine
in die Zylinder einströmen,
weil der Düsenöffnungsgrad der
verstellbaren Düse
der Abgasturbine sich von dem Düsenöffnungsgrad
für die
Beschleunigung des Motorwarmlaufens, der geringer als der vorbestimmte
Düsenöffnungsgrad
ist, zu dem Düsenöffnungsgrad
geändert
hat, der für
den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors geeignet und gleich wie
oder größer als
der vorbestimmte Düsenöffnungsgrad
ist.
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Bei
der Turbolader-Steuervorrichtung gemäß der Erfindung besitzt die
Leerlaufzustand-Detektiereinrichtung bevorzugt eine Motorwarmlaufende-Detektiereinheit
besitzt, die das Ende des Motorwarmlaufbetriebs detektiert, und
einen Motordrehzahlsensor, der die Motordrehzahl erfaßt; und
die Leerlaufzustand-Detektiereinrichtung
detektiert den Leerlaufzustand, wenn die Motorwarmlauf-Detektiereinheit
das Beenden des Motorwarmlaufvorgangs nicht detektiert hat und der
Motordrehzahlsensor eine Motordrehzahl gleich wie oder niedriger
als die vorbestimmte Motordrehzahl erfasst, und, nachdem die Motorwarmlauf-Detektiereinheit
das Beenden des Motorwarmlaufs detektiert hat, die Steuereinrichtung verstellt
den Öffnungsgrad
der verstellbaren Düse auf
einen Wert gleich wie oder größer als
der vorbestimmte Öffnungsgrad,
wenn die Motordrehzahl nach dem Motorwarmlaufbetrieb gleich wie
oder niedriger als die vorbestimmte Motordrehzahl ist.
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Wenn
bei einer solchen Turbolader-Steuervorrichtung das Warmlaufen des
Verbrennungsmotors beendet ist, wird der Düsenöffnungsgrad der Abgasturbine
von dem das Warmlaufen beschleunigenden Öffnungsgrad zu dem für den Normalbetrieb
des Verbrennungsmotors geeigneten Düsenöffnungsgrad geändert. Nach
Beendigung des Warmlaufens des Verbrennungsmotors sollte daher die
Abgasturbine nicht zu schnell drehen, und somit sollte das Einströmen von
zu viel Luft in die Zylinder infolge eines zu schnellen Drehens
der Abgasturbine verhindert werden.
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Ein
Verfahren gemäß der Erfindung
zum Steuern eines Turboladers mit einer verstellbaren Düse eines
Verbrennungsmotors weist folgende Schritte auf: Detektion eines
Lastzustandes des Verbrennungsmotors; Detektion eines Leerlaufzustandes
des Verbrennungsmotors und Einstellen eines Öffnungsgrades einer verstellbaren
Düse, der
gleich wie oder größer als
ein vorbestimmter Öffnungsgrad ist,
wenn der Lastzustand des Verbrennungsmotors in dem Lastzustand-Detektierschritt
detektiert wird.
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Das
Verfahren nach der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die
Detektion des Motor-Leerlaufzustands folgende Schritte einschließt: Detektion
einer Beendigung eines Motorwarmlaufvorgangs des Verbrennungsmotors
und Detektion einer Motordrehzahl des Verbrennungsmotors, wobei der
Leerlaufzustand detektiert wird, wenn der Motorwarmlaufvorgang noch
nicht beendet und die Motordrehzahl gleich wie oder niedriger als
die vorbestimmte Motordrehzahl ist, Einstellen des Öffnungsgrades
der verstellbaren Düse
in einem Bereich, der kleiner als der vorbestimmte Öffnungsgrad
ist, wenn ein lastfreier Zustand und der Leerlaufzustand des Verbrennungsmotors
detektiert werden.
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Bei
einer weitführenden
Ausführungsform des
Verfahrens nach der Erfindung wird bevorzugt, daß der Detektierschritt eine
Position eines Gaspedals, eine Motordrehzahl und eine Kühlmitteltemperatur
detektiert; der Detektierschritt bestimmt ferner den Leerlaufzustand
und den lastfreien Zustand des Verbrennungsmotors, wenn die Position
des Gaspedals eine Ausgangsposition ist, wenn die Motordrehzahl
gleich wie oder niedriger als ein vorbestimmter Wert ist und wenn
die Kühlmitteltemperatur
gleich wie oder niedriger als ein vorbestimmter Wert ist; und der
Detektierschritt bestimmt ferner den Lastzustand des Verbrennungsmotors,
wenn die Position des Gaspedals nicht die Ausgangsposition ist,
wenn die Motordrehzahl höher
als der vorbestimmte Wert und die Kühlmitteltemperatur höher als
der vorbestimmte Wert ist.
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Bei
einer weitführenden
Ausführungsform des
Verfahrens nach der Erfindung ist der Verbrennungsmotor bevorzugt
in ein Fahrzeug eingebaut; der Detektierschritt detektiert ferner
eine Fahrzeuggeschwindigkeit und eine Position eines Schalthebels;
der Detektierschritt bestimmt weiterhin den Leerlaufzustand und
den lastfreien Zustand des Verbrennungsmotors, wenn die Position
des Gaspedals die Ausgangsposition ist, die Motordrehzahl gleich wie
oder niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit
Null ist, die Position des Schalthebels die Neutralstellung ist
und die Kühlmitteltemperatur
gleich wie oder niedriger als ein vorbestimmter Wert ist; und der
Detektierschritt bestimmt ferner den Lastzustand des Verbrennungsmotors, wenn
die Gaspedalposition nicht die Ausgangsposition ist, die Motordrehzahl
höher als
der vorbestimmte Wert ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht Null
ist, die Position des Schalthebels keine Neutralposition ist und
die Kühlmitteltemperatur
höher als
der vorbestimmte Wert ist.
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Bei
einer weitführenden
Ausführungsform des
Verfahrens nach der Erfindung wird bevorzugt, daß der Detektierschritt ferner
einen Motorbremszustand detektiert und der Einstellschritt ferner
den Öffnungsgrad
der verstellbaren Düse
in dem Bereich einstellt, der kleiner als der vorbestimmte Öffnungsgrad
ist, wenn der Motorbremszustand detektiert wird.
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Bei
einer weitführenden
Ausführungsform des
Verfahrens nach der Erfindung detektiert der Detektierschritt ferner
eine Position eines Motorbremsschalters und bestimmt den Motorbremszustand, wenn
die Position des Gaspedals eine Ausgangsposition ist und der Motorbremsschalter
eingeschaltet ist.
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Zusätzliche
angestrebte Wirkungen und Vorteile der Erfindung sind in der nachstehenden
Beschreibung angegeben und sind teilweise aus der Beschreibung ersichtlich
oder ergeben sich durch die praktische Anwendung der Erfindung.
Die Ziele und Vorteile der Erfindung können durch die Merkmale und
Kombinationen realisiert werden, die insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen angegeben
sind.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und
Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen
in:
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1A eine
vergrößerte schematische Schnittansicht
eines wesentlichen Bereichs eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader,
bei dem eine Turbolader-Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung angewandt wird;
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1B eine
vergrößerte schematische
Ansicht eines wesentlichen Bereichs der Turbolader-Steuervorrichtung
der Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
Normaltabelle zur Steuerung einer verstellbaren Düse einer
Abgasturbine in der in 1B gezeigten Vorrichtung, wenn
der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb ist;
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3 eine
Warmlauftabelle zur Steuerung der verstellbaren Düse der Abgasturbine
in der in 1B gezeigten Vorrichtung, wenn
der Verbrennungsmotor warmläuft;
und
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4 ein
Flußdiagramm
zur Erläuterung
der Steuerung der in 1B gezeigten Vorrichtung.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1A bis 4 beschrieben.
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1A zeigt
einen Bereich eines Hochleistungs-Dieselmotors, der eine Vielzahl
von Zylindern hat (von denen nur einer gezeigt ist) und in ein Kraftfahrzeug
wie beispielsweise einen Lkw eingebaut ist. In 1A bezeichnet 1 einen
Zylinder, in den ein Kolben 2 eingesetzt ist, 3 ist
ein Zylinderkopf, der am Kopf des Zylinders 1 vorgesehen
ist, und 4 bezeichnet einen Verbrennungsraum.
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Der
Zylinderkopf 3 besitzt eine Vielzahl von Einlaßventilen
(zwei Einlaßventile
sind an dem in 1A gezeigten Zylinderkopf 3 vorgesehen),
die nicht gezeigt sind, eine Vielzahl von Auslaßventilen 5 (zwei
Auslaßventile 5 sind
an dem in 1A gezeigten Zylinderkopf 3 vorgesehen)
und ein Einspritzventil (nicht gezeigt). Jedes von den Ein- und
Auslaßventilen
ist mit einer (nicht gezeigten) Nockenwelle beispielsweise durch
eine Ventilbrücke 6,
einen Kipphebel 7 und eine Stößelstange 8 verbunden,
und sie werden entsprechend einer Öffnungs/Schließsteuerung
und einer Hubstrecke, die durch Ein- und Auslaßnocken (beide nicht gezeigt)
der Nockenwelle vorgegeben ist, geöffnet und geschlossen.
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In 1A bezeichnet 10 einen
Turbolader, z. B. einen geometrisch variablen Turbolader (der nachstehend
als "VG-Turbolader" bezeichnet wird).
Der VG-Turbolader 10 besitzt ein Verdichterrad 12a und ein
Abgasturbinenrad 13a, die beide auf entgegengesetzten Enden
einer Welle 11 fest angebracht sind, und ferner ein Verdichtergehäuse 12b und
ein Turbinengehäuse 13b,
um diese Räder 12a und 13a drehbar
aufzunehmen. Eine Kombination aus dem Verdichterrad 12a und
dem Verdichtergehäuse 12b bildet
einen Saugluftverdichter 12, und eine Kombination aus dem
Abgasturbinenrad 13a und dem Turbinengehäuse 13b bildet
eine Abgasturbine 13.
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Eine
Abgaseinleitungsöffnung 13c des
Turbinengehäuses 13b ist
mit einem Abgaskanal 15 verbunden, der von einem Abgaskrümmer, der
sich von einem Abgasauslaß 14 des
Zylinderkopfs 3 erstreckt, einer Abgasleitung und dergleichen
gebildet ist. Das Abgasturbinenrad 13a wird von der Energie
von Abgasen gedreht, die aus der Abgaseinleitungsöffnung 13c in
das Turbinengehäuse 13b eingeleitet
werden. Eine Abgasauslaßöffnung des
Turbinengehäuses 13b ist
nicht dargestellt.
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Eine
Sauglufteinleitungsöffnung 12d des Verdichtergehäuses 12b ist
mit einem Saugluftkanal 17 verbunden, der von einem Saugluftkrümmer, der sich
von einer Saugluftöffnung 16 des
Zylinderkopfs 3 erstreckt, einer Saugluftleitung und dergleichen
gebildet ist. Über
einen Luftfilter (nicht gezeigt) und eine Sauglufteinleitungsöffnung (nicht
gezeigt) eingeleitete Luft wird von dem Verdichterrad 12a verdichtet, das
von dem Abgasturbinenrad 13a angetrieben wird, und die
verdichtete Luft wird durch die Einlaßventile (nicht gezeigt) des
Zylinderkopfs 3 in den Verbrennungsraum 4 geschoben.
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Die
Abgaseinleitungsöffnung 13c des
Turbinengehäuses 13b ist
mit einer verstellbaren Düse 18 versehen.
Die verstellbare Düse 18 besitzt
eine Vielzahl von Düsenflügeln, die
winkelmäßig verlagerbar und
kreisförmig
so angeordnet sind, daß sie
das Turbinenrad 13a umgeben, und die voneinander gleichbeabstandet
sind, und besitzt ferner einen Düsenstellantrieb 18b (der
beispielsweise ein Luftzylinder ist, der durch Druckluft aus einem
Luftbehälter
betätigt
wird), der einen Neigungswinkel jedes der Düsenflügel 18a bestimmt,
wie 1B zeigt. Ein zwischen den Düsenflügeln 18 gebildeter
Durchlaßquerschnitt 19 kann
verstellt werden, indem die Düsenflügel 18 schrittweise
in einer Richtung zur Verringerung oder Vergrößerung eines Abstands zwischen
der Vielzahl von Düsenflügeln 18 angetrieben
werden.
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Der
Düsenstellantrieb 18 ist
mit einem elektronischen Steuergerät (ECU) 20 (beispielsweise
einer einen Mikrocomputer aufweisenden Steuereinrichtung) verbunden,
und das ECU 20 ist mit verschiedenen Sensoren wie etwa
einem Geschwindigkeitssensor 21 zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit,
einem Gaspedalpositionssensor 22 (einer Motorlast-Detektiereinrichtung)
zum Er fassen der Motorlast, einem Kühlmitteltemperatursensor 23 (einer
Motorwarmlaufende-Detektiereinheit) zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur
des Verbrennungsmotors, einem Motordrehzahlsensor 24 zum Erfassen
einer Drehzahl des Verbrennungsmotors und einem Schalthebelpositionssensor 25 zum
Erfassen einer Position des Schalthebels eines Getriebes des Verbrennungsmotors
verbunden. Ein Abgasbremsschalter 26 zum Ein- oder Ausschalten
einer Abgasbremseinheit ist ebenfalls mit dem ECU 20 verbunden.
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Ein
Leerlaufzustand während
der Durchführung
des Motorwarmlaufvorgangs wird aus einem Ausgangssignal des Kühlmitteltemperatursensors 23 und
des Motordrehzahlsensors 24 erfaßt, und zwar speziell aus einem
Zustand, in dem die Kühlmitteltemperatur
gleich wie oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur (z. B.
82°C) und
die Motordrehzahl gleich wie oder niedriger als eine vorbestimmte Drehzahl
(z. B. 900 U/min) ist. Das heißt
also, der Kühlmitteltemperatursensor 23 und
der Motordrehzahlsensor 24 bilden eine Leerlaufzustands-Detektiereinheit,
die den Leerlaufzustand detektiert, während der Motorwarmlaufvorgang
durchgeführt
wird.
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Eine
Normaltabelle (in 2 gezeigt), die für normales
Fahren eines Kraftfahrzeugs, in das der Verbrennungsmotor eingebaut
ist, genutzt wird, d. h. eine Tabelle zum Einstellen des Öffnungsgrads
der verstellbaren Düse 18 innerhalb
eines Bereichs, der gleich wie oder größer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad
zum Aufladen des Verbrennungsmotors entsprechend einem Fahrzustand
des Fahrzeugs ist, ist in dem ECU 20 gespeichert. Sechs
Stufen von Düsenöffnungsgraden,
die aufeinanderfolgend von beispielsweise "3" bis "8" als ein Bereich, der gleich wie oder
größer als
ein vorbestimmter Öffnungsgrad
ist, ansteigen, sind in dieser Normaltabelle vorgegeben, und die
sechs Düsenöffnungsgrade
sind in Übereinstimmung
mit einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, und zwar speziell
mit der Motordrehzahl NE und der Gaspedalposition O. Ne0 bezeichnet die
vorbestimmte Motordrehzahl im Leerlaufbereich, z. B. 900 U/min,
und Θ0
bezeichnet die Gaspedalposition 0 ebenfalls im Leerlaufbereich.
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Ein
Warmlauftabelle (in 3 gezeigt), die zum Warmlaufen
des Verbrennungsmotors genutzt wird, ist ebenfalls in dem ECU 20 gespeichert.
Ein Düsenöffnungsgrad,
der einen Bereich hat, der kleiner als der vorgenannte Düsenöffnungsgrad "3" ist, d. h. der kleinste Düsenöffnungsgrad "1" als derjenige Düsenöffnungsgrad, der für den Leerlaufzustand geeignet
ist, ist in einem Leerlaufbereich (schraffierter Bereich) vorgegeben,
der von einer Horizontallinie beginnend bei Θ0 und einer Vertikallinie beginnend
bei Ne0 in der Warmlauftabelle umschlossen ist. Dabei kann zum Zeitpunkt
des Warmlaufens des Verbrennungsmotors der Düsenöffnungsgrad auf den speziellen
kleinen Düsenöffnungsgrad "1" zum Beschleunigen des Warmlaufens eingestellt
werden, der sich von den Düsenöffnungsgraden "3" bis "8" unterscheidet.
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Ferner
sind Drosselklappenöffnungsgrade des
VG-Turboladers 10 zur Durchführung einer Abgasbremsung ebenfalls
in zwei Bereichen in der Normaltabelle (umgeben von Strichlinien)
vorgegeben, und zwar ist die Gaspedalposition Θ in den beiden Bereichen "0", und die Motordrehzahl Ne ist ein Zwischendrehzahlbereich
oder ein Hochdrehzahlbereich des Verbrennungsmotors. Insbesondere
ist von den vorgenannten beiden Bereichen derjenige, der dem Zwischendrehzahlbereich
entspricht, als ein Düsenöffnungsgrad "1" vorgegeben, der der kleinste Öffnungsgrad
der verstellbaren Düse 18a ist,
und der dem Hochdrehzahlbereich entsprechende andere Bereich ist
als ein Düsenöffnungsgrad "2" vorgegeben.
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Weiterhin
sind in dem ECU 20 die folgenden Funktionen vorgegeben:
- (1) eine Funktion zur Steuerung des Düsenöffnungsgrads
der verstellbaren Düse 18 in
dem Bereich zwischen "3" und "8" in der Normaltabelle, wenn ein Zustand
detektiert wird, in dem ein Gaspedal betätigt wird, um aus seiner Ausgangsposition
bewegt zu werden (d. h. wenn die Motorlast detektiert wird);
- (2) eine Funktion zur Steuerung des Düsenöffnungsgrads der verstellbaren
Düse 18 auf "1" der Warmlauftabelle, wenn ein Nullastzustand
des Verbrennungsmotors, in dem das Gaspedal in seiner Ausgangsposition
ist (d. h. wenn keine Motorlast detektiert wird), und der Leerlaufzustand,
in dem die Motordrehzahl gleich wie oder niedriger als die vorbestimmte
Motordrehzahl (z. B. 900 U/min oder niedriger) ist, detektiert werden;
- (3) eine Funktion zum Verstellen des Düsenöffnungsgrads der verstellbaren
Düse 18 von "1" auf einen Wert, der gleich wie oder
größer als
ein vorbestimmter Öffnungsgrad
(speziell der Düsenöffnungsgrad "3") ist, wenn der Leerlaufzustand, in dem
die Motordrehzahl gleich wie oder niedriger als die vorbestimmte
Motordrehzahl (z. B. 900 U/min oder niedriger) ist, und das Warmlaufende (d.
h. wenn die Motorkühlmitteltemperatur
eine vorbestimmte Wassertemperatur (z. B. 82°C) überschreitet) detektiert werden;
- (4) eine Funktion, um zu detektieren, ob das Fahrzeug fährt oder
nicht, und zwar auf der Grundlage der Erfassung, ob das Getriebe
in der Neutralposition steht oder nicht; und
- (5) eine Funktion (Steuerfunktion) zum Umschalten des Düsenöffnungsgrads
der verstellbaren Düse 18 auf
den Bereich "1", der von der Strichlinie
umgeben ist, wenn der Abgasbremsschalter 26 eingeschaltet
ist und die Motordrehzahl sich im Zwischendrehzahlbereich befindet,
während gleichzeitig
das Gaspedal unbetä tigt
und in seiner Ausgangsposition "0" ist, und zum Umschalten des
Düsenöffnungsgrads
der verstellbaren Düse 18 auf
den Bereich "2", der von der Strichlinie
umgeben ist, wenn der Abgasbremsschalter 26 eingeschaltet
ist und die Motordrehzahl in dem Hochdrehzahlbereich ist, während gleichzeitig
das Gaspedal unbetätigt
und in seiner Ausgangsposition "0" positioniert ist.
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Durch
diese Funktionen, die in dem ECU 20 vorgegeben sind, können sowohl
die Aufladebetriebsart, die für
den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors geeignet ist, als auch
der Warmlaufvorgang zum Beschleunigen des Warmlaufens des Verbrennungsmotors
zufriedenstellend durchgeführt werden.
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Ein
Verfahren zum Steuern eines Aufladers, mit dem beide Betriebsarten
durchführbar
sind, ist in dem Flußdiagramm
von 4 gezeigt.
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Der
Ablauf dieses Flußdiagramms
beginnt, wenn ein in dem Fahrzeug befindlicher Dieselmotor aus dem
kalten Zustand angelassen wird. Der Verbrennungsmotor wird angelassen,
während
sich ein Schalthebel in der Neutralstellung befindet.
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Das
ECU 20 detektiert einen Motorzustand aus verschiedenen
Signalen, die von den vorgenannten verschiedenen Sensoren abgegeben
werden.
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Wenn
dabei das Gaspedal unbetätigt
und in seiner Ausgangsposition "0" ist und das Fahrzeug nicht
fährt,
d. h., wenn das Fahrzeug geparkt ist, geht der Ablauf des Flußdiagramms
von einem Schritt S1 über
einen Schritt S2 zu Schritt S3.
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Dabei
ist die Motordrehzahl des Dieselmotors der vorbestimmte Wert (Ne0:
900 U/min) oder niedriger, d. h. die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors,
das Fahrzeug ist abgestellt, und somit ist die Fahrzeuggeschwindigkeit
0, und der Schalthebel des Getriebes (T/M) ist in der Neutralposition.
Daher geht der Ablauf von Schritt S3 über die Schritte S4 und S5
zu Schritt S6.
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Da
sich der Verbrennungsmotor im kalten Zustand befindet, bis die Kühlmitteltemperatur
den vorbestimmten Wert (82°C) überschreitet,
beurteilt das ECU 20 in Schritt S6, daß sich der Dieselmotor im lastfreien
Zustand und im Leerlaufzustand befindet, bevor das Warmlaufen des
Verbrennungsmotors beendet ist, und der Ablauf geht von Schritt
S6 zu Schritt S7.
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In
Schritt S7 steuert das ECU 20 die verstellbare Düse 18 der
Abgaseinleitungsöffnung 13c in Übereinstimmung
mit der Warmlauftabelle. Dabei treibt das ECU 20 den Düsenstellantrieb 18b,
der in 1B gezeigt ist, in Übereinstimmung
mit dem schraffierten Bereich der in 3 gezeigten
Warmlauftabelle, um die verstellbare Düse 18 auf den speziellen Öffnungsgrad,
der für
das Warmlaufen des Verbrennungsmotors geeignet ist, d. h. auf den kleinsten Öffnungsgrad "1", herunterzudrosseln.
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Durch
den obigen Vorgang wird während
des Warmlaufens des Dieselmotors die verstellbare Düse 18 der
Abgasturbine 13 auf den Öffnungsgrad, der für das Warmlaufen
des Verbrennungsmotors geeignet ist, d. h. auf den kleinsten Öffnungsgrad "1", eingestellt, so daß der Abgaswiderstand (der
Abgasdruck) des Dieselmotors ausreichend erhöht wird, um die Abgasturbine 13 mit
relativ hoher Geschwindigkeit auch bei niedrigem Abgasdurchsatz
zu drehen.
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Zu
diesem Zeitpunkt erhöht
die Zunahme des Abgaswiderstands die Motorlast, und daher wird die
Menge des aus dem Einspritzventil eingespritzten Kraftstoffs erhöht, um die
Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors konstantzuhalten.
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Der
Saugluftverdichter 12 wird infolge einer schnellen Rotation
der Abgasturbine 13 mit schneller Rotation angetrieben,
und die Saugluftmenge in den Verbrennungsraum 4 des Zylinders 1 wird
erhöht.
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Daher
nimmt die von dem Verbrennungsmotor erzeugte Wärme zu, und dadurch wird das
Warmlaufen des Verbrennungsmotors beschleunigt, und ein ausreichender
Motorwarmlauf-Beschleunigungseffekt
kann erzielt werden. Selbstverständlich
wird kein schwarzer Rauch erzeugt.
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Weiterhin
gewährleistet
die verstellbare Düse 18,
deren Düsenöffnungsgrad
auf "1" eingestellt ist,
einen Öffnungsquerschnitt 19,
der größer als derjenige
ist, der erhalten wird, wenn die Drosselklappe der Abgasbremsvorrichtung
geschlossen ist, und daher ist der von den Abgasen erzeugte Lärm beim
Durchgang durch die verstellbare Düse 18 extrem gering.
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Es
soll angenommen werden, daß während dieses
Warmlaufbetriebs des Verbrennungsmotors der Schalthebel aus der
Neutralposition in irgendeine Fahrposition bewegt wird, das Gaspedal
betätigt
und aus seiner Ausgangsposition bewegt wird und das Fahrzeug zu
fahren beginnt.
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Dann
beurteilt das ECU 20, daß der Verbrennungsmotor eine Änderung
aus dem lastfreien Zustand in einen Lastzustand erfahren hat, das
Flußdiagramm
geht von Schritt S1 oder S5 zu einem Schritt S8, und die verstellbare
Düse 18 wird
nach der in 2 gezeigten Normaltabelle anstatt
nach der durch den schraffierten Bereich in 3 gezeigten Warmlauftabelle
gesteuert.
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Dabei
wird die verstellbare Düse 18 mit
dem Düsenöffnungsgrad
eingestellt, der für
den Normalbetrieb geeignet ist, d. h. den sechs Stufen von Düsenöffnungsgraden
von "3" bis "8" entspre chend dem Betriebszustand des
Fahrzeugs, so daß der
VG-Turbolader 10 den Verbrennungsmotor entsprechend dem
Betriebszustand richtig aufladen kann.
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Wenn
also der Verbrennungsmotor in den Lastzustand gebracht wird, sollte
ein übermäßiges Drehen
der Abgasturbine 13 aufgrund einer zu starken Drosselung
der verstellbaren Düse 18 nicht
erzeugt werden, und somit sollte nicht zu viel Saugluft in den Zylinder 1 des
Verbrennungsmotors gelangen.
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Wenn
das Fahrzeug bergab fährt
und der Abgasbremsschalter 26 eingeschaltet ist, beurteilt das
ECU 20, daß eine
Bremskraft erforderlich ist, und der Ablauf geht von Schritt S2
zu einem Schritt S9. Der Düsenöffnungsgrad
der verstellbaren Düse 18 wird
auf "1" oder "2" entsprechend der Motordrehzahl des
Fahrzeugs durch die Steuerung des Düsenöffnungsgrads für die Abgasbremse
in Schritt S9 gedrosselt, und durch die Zunahme des Abgasdrucks des
Verbrennungsmotors wird eine Bremskraft erzeugt.
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Wenn
der Warmlaufbetrieb des Verbrennungsmotors fortgeschritten ist und
die Kühlmitteltemperatur
den vorgegebenen Wert (z. B. 82°C) überschreitet,
auf dessen Basis beurteilt wird, ob der Warmlaufbetrieb beendet
ist, während
gleichzeitig der Leerlaufzustand beibehalten wird (d. h. die Motordrehzahl
einen vorbestimmten Wert (900 U/min) oder weniger behält), beurteilt
das ECU 20, daß der
Motorwarmlaufbetrieb beendet ist, und der Ablauf geht von Schritt
S6 zu Schritt S8, in dem die verstellbare Düse 18 nach der Normaltabelle
anstelle der Warmlauftabelle gesteuert wird. Der Düsenöffnungsgrad
der verstellbaren Düse
wird nicht für
das Warmlaufen des Verbrennungsmotors, sondern für den Normalbetrieb, d. h.
auf einen der sechs Düsenöffnungsgrade von "3" bis "8" eingestellt.
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Selbst
wenn also der Abgasdurchsatz unmittelbar nach Beendigung des Warmlaufvorgangs
des Verbrennungsmotors erhöht
und das Fahrzeug angefahren wird, sollte die Abgasturbine 13 nicht
zu schnell drehen, und zu viel Luft infolge einer übermäßigen Rotation
der Abgasturbine 13 sollte nicht in den Verbrennungsraum 4 des
Zylinders 1 strömen.
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Da
die für
den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors geeignete Aufladebetriebsart
und die zur Erzielung des Motorwarmlauf-Beschleunigungseffekts geeignete Warmlaufbetriebsart
ausgewählt werden,
ist es möglich,
eine ausreichende Warmlauf-Beschleunigungswirkung
zu erzielen, ohne daß die
Aufladebetriebsart verschlechtert wird. Wenn ferner der Abgasdurchsatz
unmittelbar nach Beendigung des Warmlaufvorgangs erhöht und das
Fahrzeug angefahren wird, dreht die Abgasturbine 13 nicht
zu schnell, und es ist daher möglich,
eine Verschlechterung des Kraftstoffwirkungsgrads zu verhindern.
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Der
Motorwarmlauf-Beschleunigungseffekt ist auch für eine im Lkw befindliche Person
ausreichend wirksam. Wenn also die im Lkw befindliche Person den
Verbrennungsmotor im Leerlauf laufen läßt, die Heizeinrichtung einschaltet
und eine Ruhepause einlegt, läuft
der Verbrennungsmotor im Warmlauf-Beschleunigungszustand. Auch wenn also die
Außentemperatur
sehr niedrig ist, erzeugt der Verbrennungsmotor mit Sicherheit ausreichend
Wärme,
so daß die
Kühlmitteltemperatur
gleich wie oder höher
als der vorbestimmte Wert gehalten wird, so daß eine ausreichende Heizleistung
gegeben ist.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform
basiert zwar auf einem Dieselmotor, der in dem Lkw angeordnet ist,
die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen speziellen Fall beschränkt und
kann auch bei einem Dieselmotor Anwendung finden, der in eine anderen Fahrzeugtyp
angeordnet ist, oder sie kann bei einem von einem Dieselmotor verschiedenen
Verbrennungsmotor angewandt werden.