DE19824476B4 - Otto internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents

Otto internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and method for operating such an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Otto-Brennkraftmaschine mit
– einem Abgasturbolader (2), dessen Verdichter (4) in einer Einlaßleitung (8) der Otto-Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist und drehfest mit einer Turbine (3) verbunden ist, welche in einer Abgasleitung (9) Otto-Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist,
– einem den Verdichter (4) umgehenden Verdichterbypass (6) der Einlaßleitung (8), welcher von einem Absperrorgan (16) freigebbar ist, welches zum Empfang von Stellbefehlen in Abhängigkeit des Lastzustandes der Otto-Brennkraftmaschine (1) über eine Steuerleitung (12) mit einer Steuereinheit (70) verbunden ist
– einem die Turbine (3) umgehenden Bypass (Waste-Gate 5) der Abgasleitung (9), in dem ein von der Steuereinheit (10) schaltbares Waste-Gate-Ventil (15) angeordnet ist,
– einer dem Abgasturbolader (2) zugeordneten Einrichtung zur Drehzahlmessung (11), deren Meßsignalleitung (14) mit der Eingangsseite der Steuereinheit (10) verbunden ist, wobei der Steuereinheit (10) eine maximale Laderdrehzahl als Kennwert zur Öffnung des Waste-Gate-Ventils (15) bei offenem Verdichterbypass (6) vorgegeben ist.Otto internal combustion engine with
- An exhaust gas turbocharger (2), the compressor (4) in an inlet line (8) of the Otto internal combustion engine (1) is arranged and non-rotatably connected to a turbine (3), which in an exhaust pipe (9) Otto internal combustion engine (1 ) is arranged
- A compressor (4) bypassing the compressor bypass (6) of the inlet line (8) which is releasable by a shut-off device (16) which for receiving control commands depending on the load state of the Otto internal combustion engine (1) via a control line (12). connected to a control unit (70)
A bypass (waste gate 5) of the exhaust gas line (9) bypassing the turbine (3), in which a waste gate valve (15) which can be switched by the control unit (10) is arranged,
- One of the exhaust gas turbocharger (2) associated with the device for speed measurement (11) whose Meßsignalleitung (14) is connected to the input side of the control unit (10), wherein the control unit (10) a maximum supercharger speed as a characteristic value for opening the waste gate valve (15) is specified with the compressor bypass open (6).

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Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Otto-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.The The invention relates to a supercharged Otto internal combustion engine in the preamble of claim 1 specified genus and a Method for operating an Otto internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger according to the preamble of Patent claim 6.

Die Leistungsabgabe einer Otto-Brennkraftmaschine ist proportional dem Luftdurchsatz, welcher proportional der Luftdichte ist, so daß die Leistung bekanntlich bei gleichem Hubvolumen und Drehzahl durch Vorverdichtung der Luft vor Eintritt in den bzw. die Zylinder, d.h. durch Aufladung, erhöht werden kann. Die Aufladung kann durch einen Abgasturbolader erfolgen, welcher im wesentlichen aus zwei drehfest miteinander verbundenen Strömungsmaschinen besteht. Eine Turbine ist in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet und wird vom Abgasstrom getrieben. Die Turbine treibt über die drehfeste Verbindung einer Laderwelle den Verdichter an, welcher in der Einlaßleitung zur Brennkraftmaschine einen Ladedruck erzeugt.The Power output of a gasoline engine is proportional to the Air flow, which is proportional to the air density, so that the power known at the same stroke volume and speed by pre-compression the air before entering the cylinder (s), i. by charging, increase can. The charging can be done by an exhaust gas turbocharger, which essentially of two rotatably connected flow machines consists. A turbine is in an exhaust pipe of the internal combustion engine arranged and driven by the exhaust stream. The turbine drives over the rotatable connection of a supercharger shaft to the compressor, which in the inlet pipe to the internal combustion engine generates a boost pressure.

Im Betrieb der Otto-Brennkraftmaschine wird der erforderliche Ansaugluft-Massenstrom für den jeweils vorliegenden Betriebspunkt durch vorgesehene Drosselorgane eingestellt. Bei einer Aufladung der Otto-Brennkraftmaschine im unteren Teillastbereich ergibt sich jedoch der Nachteil, daß der Verdichter gegen den Strömungswiderstand des Drosselorgans arbeiten muß. Dabei wird die Drehbewegung der Turbine behindert, so daß der Abgasstrom vor der Turbine aufgestaut wird. Die Kolben der Brennkraftmaschine müssen also während des Auslaßtaktes beim Gaswechselvorgang die Abgase gegen den durch Aufstauung erhöhten Abgasgegendruck ausschieben, so daß der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine herabgesetzt wird. Es ist bekannt, zur Verringerung des Abgasgegendruckes einen die Turbine umgebenden Bypass (Waste-Gate) der Abgasleitung freizugeben. Bei offenem Waste-Gate strömt das Abgas unter Umgehung der Turbine durch die Abgasleitung, wodurch die Laderdrehzahl aufgrund des auf den Verdichter rückwirkenden Ladedruckes rasch verringert wird. Bei einer Lasterhöhung muß der erforderliche Ladedruck erzeugt werden, wofür der Turbolader wieder beschleunigt werden muß. Die Ansprechzeit des Turboladers bis zur Beschleunigung auf die erforderlichen Drehzahlen mit der entsprechenden Verdichterleistung ist jedoch sehr lang, so daß die Otto-Brennkraftmaschine auf eine plötzliche Lastanforderung träge reagiert.in the Operation of the gasoline engine is the required intake air mass flow for the each operating point present through provided throttle bodies set. When charging the gasoline engine in the lower part load range, however, there is the disadvantage that the compressor against the flow resistance the throttle body must work. In this case, the rotational movement of the turbine is hindered, so that the exhaust gas flow is dammed in front of the turbine. The pistons of the internal combustion engine have to so while the exhaust stroke During the gas exchange process, the exhaust gases against the increased backpressure due to impoundment push out so that the Efficiency of the internal combustion engine is reduced. It is known, to reduce the exhaust back pressure surrounding the turbine Bypass (waste gate) of the exhaust pipe release. With open waste gate flows the exhaust gas, bypassing the turbine through the exhaust pipe, causing the supercharger speed due to the retroactive effect on the compressor Charge pressure is rapidly reduced. For a load increase the required Boost pressure are generated, for what the turbocharger must be accelerated again. The response time of the turbocharger until acceleration to the required speeds with the corresponding compressor power is very long, so that the gasoline engine on a sudden load request reacts slowly.

Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers schlägt die US 4,774,812 eine Anordnung vor, bei der die Einlaßleitung einen den Verdichter umgehenden Verdichterbypass aufweist, welcher im unteren Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine freigegeben werden soll. Sowohl in dem Verdichterbypass als auch in dem Leitungszweig der Einlaßleitung, in dem der Verdichter selbst angeordnet ist, ist bei der bekannten Anordnung jeweils eine Drosselklappe angeordnet, welche jeweils zum Empfang von Stellbefehlen über eine Steuerleitung mit einer Steuereinheit verbunden sind. Durch aufeinander abgestimmte Einstellung der beiden Drosselklappen werden die Teilströme der durch die beiden parallelen Leitungszweige strömenden Ansaugluft bestimmt.To improve the response of the turbocharger suggests the US 4,774,812 an arrangement in which the inlet conduit comprises a compressor bypassing the compressor, which is to be released in the lower part-load operation of the internal combustion engine. Both in the compressor bypass and in the line branch of the inlet conduit, in which the compressor itself is arranged, a throttle valve is arranged in the known arrangement, which are each connected to receive control commands via a control line to a control unit. By coordinated adjustment of the two throttle valves, the partial flows of the air flowing through the two parallel line branches intake air are determined.

Hinter der Einmündung der Verdichterbypassleitung ist eine dritte Drosselklappe angeordnet, welche dem Massenstrom der letztlich in die Brennkraftmaschine eintretenden Verbrennungsluft bestimmt. Gemeinsam bilden die beiden Drosselklappen in den parallelen Leitungszweigen Verdichterbypass/Verdichterleitungszweig das Stellglied einer Ladedruckregelung, deren Führungsgröße durch einen Ladedrucksensor ermittelt wird und der Steuereinheit eingegeben wird. Der Ladedrucksensor ist in der Einlaßleitung hinter der dritten, den Massenstrom beeinflussenden Drosselklappe angeordnet. Durch Variation des durch den Verdichter geleiteten Ansaugluft-Teilstroms ist der Ladedruck variierbar. Im unteren Teillastbereich der bekannten Otto-Brennkraftmaschine soll der Durchfluß durch den Verdichterbypass erhöht werden, während im Vollastbetrieb die Drosselklappe im Verdichterbypass geschlossen wird, so daß der gesamte Ansaugluftstrom durch den Verdichter, also mit hohem Ladedruck, bereitgestellt wird. Die Turbine wird auf diese Weise auch im unteren Teillastbereich vom Abgasstrom getrieben und nimmt den Verdichter mit, welcher aufgrund des geringen Luftdurchsatzes im Leerlauf arbeitet. Bei geringem Ladedruck wird somit der Abgasturbolader im Leerlauf mit jedoch höherer Drehzahl betrieben. Bei einer plötzlichen Lastaufschaltung ist dadurch nur eine geringfügige Beschleunigung auf die erforderliche Drehzahl notwendig, so daß die Ansprechzeit des Turboladers verkürzt ist.Behind the confluence the compressor bypass line is arranged a third throttle, which the mass flow of ultimately entering the internal combustion engine Combustion air determined. Together, the two throttle valves form in the parallel line branches compressor bypass / compressor line branch the actuator of a boost pressure control, the reference variable by a boost pressure sensor is determined and the control unit is entered. The boost pressure sensor is in the intake pipe behind the third, the mass flow affecting throttle arranged. By variation of the guided through the compressor Intake air partial flow, the boost pressure is variable. In the lower part load range the well-known gasoline engine of the flow through increases the compressor bypass be while in full load operation, the throttle valve in the compressor bypass is closed, so that the total intake air flow through the compressor, ie with high boost pressure, provided. The turbine is also in the lower in this way Part load range driven by the exhaust stream and takes the compressor with, which works because of the low air flow at idle. At low boost pressure thus the exhaust gas turbocharger is idling but with higher ones Speed operated. In a sudden Load switching is thereby only a slight acceleration on the Required speed necessary so that the response time of the turbocharger shortened is.

Die Drehzahl des Turboladers wird im Leerlauf von dem Abgasmassenstrom bestimmt. Mit hohem baulichen und regelungstechnischen Aufwand zur Koordination der Einstellungen der beiden Drosselklappen kann die gewünschte hohe Laderdrehzahl im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine nur sehr aufwendig aufrechterhalten werden. Darüber hinaus treten im Betrieb der bekannten Otto-Brennkraftmaschine immer wieder sehr rasch Verschleißerscheinungen des Laderlaufzeuges auf, was auf das häufige Vorliegen überhöhter Laderdrehzahlen während des Leerlaufes in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zurückzuführen ist.The The speed of the turbocharger is idling from the exhaust gas mass flow certainly. With high structural and control engineering effort for Coordination of the settings of the two throttle valves can be the desired high supercharger speed in the lower part load range of the internal combustion engine be maintained only very expensive. In addition, occur in operation the well-known Otto internal combustion engine again and again very quickly signs of wear of the supercharger, which indicates the frequent occurrence of excessive supercharger speeds while idling in certain operating conditions of the internal combustion engine is due.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, die einen zuverlässigen Betrieb des Abgasturboladers mit hoher Lebensdauer bei gutem Ansprechverhalten auf Lasterhöhungen und optimalen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ermöglicht, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine anzugeben.Of the The present invention is based on the object, an internal combustion engine to provide the type mentioned in the preamble of claim 1, the one reliable Operation of the exhaust gas turbocharger with high durability and good response on truck increases and optimum efficiency of the internal combustion engine allows and a method for operating such an internal combustion engine specify.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Otto-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.These The object is achieved by a Otto internal combustion engine with the features of claim 1 or by a method for operating an Otto internal combustion engine with a Exhaust gas turbocharger with the features of claim 6 solved.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, im unteren Teillastbereich den Verdichterbypass freizugeben, wobei eine Steuereinheit das Absperrorgan des Verdichterbypasses in Abhängigkeit des Lastzustandes der Brennkraftmaschine einstellt und bei Feststellung einer höheren Lastanforderung dem Absperrorgan einen Stellbefehl zum Schließen des Verdichterbypasses zuleitet. Nachdem der Verdichter im Leerlauf betrieb durch den Bypass überbrückt und von der mit Abgas beaufschlagten Turbine in Rotation gehalten wurde, kann nun mit der bereits vorhandenen Drehzahl augenblicklich Ladedruck in der Einlaßleitung erzeugt werden. Im Umluftbetrieb bei Teillast wird der Verdichter somit ohne Druckaufbau betrieben, und die Brennkraftmaschine saugt die benötigte Frischluft durch den Verdichterbypass an. Dem Ab gasturbolader ist eine Einrichtung zur Drehzahlmessung zugeordnet, deren Meßsignalleitung mit der Eingangsseite der Steuereinheit verbunden ist. Die Steuereinheit überwacht im Umluftbetrieb die Drehzahl des Laderlaufzeuges, welche ja im Leerlaufbetrieb im wesentlichen von dem Abgasmassenstrom bestimmt wird, der auf die Turbine wirkt. Der Steuereinheit ist eine maximale Laderdrehzahl als Kennwert vorgegeben, bei dessen Erreichen ein die Turbine umgebender Bypass (Waste-Gate) der Abgasleitung freigegeben wird. Läuft im Umluftbetrieb bei geöffnetem Verdichterbypass die Laderdrehzahl aufgrund höheren Luftdurchsatzes der Brennkraftmaschine und somit höherem Abgasdruck hoch, so wird bei Erreichen der Grenzdrehzahl das Waste-Gate-Ventil geöffnet, und das Abgas umgeht die Turbine. Einer weiteren Beschleunigung des Laders wird somit entgegengewirkt. Verschleißerscheinungen des Laderlaufzeuges sind somit reduziert und der bisher mögliche mechanische Bruch einzelner Bauteile des Abgasturboladers infolge deutlich überhöhter Laderdrehzahlen ausgeschlossen.According to the invention, it is provided in the lower part load range to release the compressor bypass, wherein a control unit the obturator of the compressor bypass in dependence of the load state of the internal combustion engine sets and upon detection a higher one Load request the shut - off a control command to close the Compressor bypass feeds. After the compressor is idling operation bridged by the bypass and by the exhaust gas turbine was kept in rotation, can now with the already existing speed immediately boost pressure in the inlet pipe be generated. In recirculation mode at partial load, the compressor thus operated without pressure buildup, and the engine sucks the needed Fresh air through the compressor bypass. The exhaust gas turbocharger is associated with a device for speed measurement, whose Meßsignalleitung with the input side of the control unit is connected. The control unit monitors In recirculation mode, the speed of the loader running gear, which yes in Idle operation essentially determined by the exhaust gas mass flow which acts on the turbine. The control unit is a maximum Charger speed specified as a characteristic value, when it reaches a the turbine surrounding bypass (waste gate) of the exhaust pipe released becomes. Running in recirculation mode with open Compressor bypass the supercharger speed due to higher air flow rate of the internal combustion engine and thus higher Exhaust gas pressure high, so when the limit speed reaches the waste gate valve open, and the exhaust bypasses the turbine. Another acceleration the loader is thus counteracted. Wear phenomena of the loader running gear are thus reduced and the previously possible mechanical fracture of individual components the exhaust gas turbocharger excluded due to significantly excessive supercharger speeds.

Das Absperrorgan der Einlaßleitung ist vorteilhaft ein Ventil, welches zwischen einer den Verdichter beaufschlagenden Stellung und einer den Einlaßbypass im Umluftbetrieb freigebenden Stellung umschaltbar ist. Durch das zwischen zwei Stellungen umschaltbare Umluftventil ist sichergestellt, daß im Leerlaufbetrieb die gesamte Ansaugluftmasse durch den Verdichterbypass zur Brennkraftmaschine strömt. Der den Verdichter aufweisende Leitungszweig der Einlaßleitung wird im Umlaufbetrieb abgesperrt, so daß der Verdichter ohne Widerstand umlaufen kann und dadurch der Wirkungsgrad des Abgasturboladers und der Wirkungsgrad der Otto-Brennkraftmaschine erhöht wird. Die Umschaltung des Umluftventils erfolgt in Abhängigkeit der Betriebslast der Brennkraftmaschine, welche die Steuereinheit aus mindestens einem Be triebsparameter der Brennkraftmaschine ermittelt. Als solche Betriebsparameter können die Motordrehzahl, das Motordrehmoment, der Zündzeitpunkt oder die Einstellung eines auf den Frischluftstrom wirkenden Drosselorgans herangezogen werden.The Shut-off valve of inlet pipe is advantageous a valve, which between a compressor beaufschlagenden position and the inlet bypass in the recirculation mode releasing Position is switchable. By switching between two positions Recirculation valve ensures that in idle mode, the entire Intake air mass through the compressor bypass to the engine flows. The compressor having the line branch of the inlet pipe is shut off in circulation mode, so that the compressor rotate without resistance can and thereby the efficiency of the exhaust gas turbocharger and the efficiency the Otto internal combustion engine increased becomes. The switching of the recirculation valve is dependent the operating load of the internal combustion engine, which is the control unit determined from at least one loading operating parameters of the internal combustion engine. As such operating parameters can the engine speed, the engine torque, the ignition timing or the setting of a be used on the fresh air flow acting throttle body.

Ist das Waste-Gate-Ventil bezüglich des Durchgangsquerschnittes einstellbar, so kann durch entsprechende Einstellung des Abgasmassenstroms durch das Waste-Gate auf die Laderdrehzahl Einfluß genommen werden.is the wastegate valve with respect the passage cross-section adjustable, so can by appropriate Setting the exhaust gas mass flow through the waste gate to the supercharger speed Influence become.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, im Aufladebetrieb mit geschlossenem Verdichterbypass bei höheren Betriebslasten der Brennkraftmaschine den Ladedruck hinter dem Verdichter durch Einstellung des Durchsatzes des Waste-Gates zu regeln. Die Steuereinheit umfaßt einen Regler für den Ladedruck der Brennkraftmaschine, wobei das Waste-Gate-Ventil das Stellglied der Ladedruckregelung bildet. Die Einregelung eines betriebspunktspezifisch vorgegebenen Ladedruckes erfolgt durch regelnde Stellmaßnahmen am Durchtrittsquerschnitt des Waste-Gate-Ventils und dem damit verbundenen Abblasen eines bestimmten Abgasteilstroms durch das Waste-Gate.In a development of the invention is provided in the charging mode with closed compressor bypass at higher operating loads of the internal combustion engine the boost pressure behind the compressor by adjusting the flow rate to regulate the wastegate. The control unit comprises a Regulator for the Boost pressure of the internal combustion engine, wherein the waste gate valve the Actuator of the boost pressure control forms. The adjustment of an operating point specific predetermined boost pressure is carried out by regulatory control measures at the passage cross section of the waste gate valve and the associated blow off a certain exhaust gas partial flow through the waste gate.

Im dynamischen Betrieb bei einem Lastsprung unter Zunahme der Betriebslast der Brennkraftmaschine werden das Waste-Gate-Ventil und das Umluftventil in die Schließstellung gebracht, so daß der notwendige Ladedruck zur Verfügung gestellt werden kann. Die Steuereinheit schließt bei einem 1asterhöhungsbedingten Wechsel vom Umluftbetrieb zum Aufladungsbetrieb zunächst das Umluftventil und aktiviert unmittelbar anschließend die Ladedruckregelung, bei der das Waste-Gate-Ventil angesteuert wird. Die Aktivierung der La dedruckregelung erfolgt in Abhängigkeit von der Laderdrehzahl.in the dynamic operation with a load jump with an increase in the operating load the internal combustion engine, the waste gate valve and the recirculation valve in the closed position brought so that the necessary boost pressure available can be made. The control unit closes at a 1-increment Change from recirculation mode to charging mode first Recirculation valve and immediately activates the boost pressure control, in which the wastegate valve is activated. The activation the La dedruckregelung takes place in dependence on the supercharger speed.

Die Erfindung eignet sich auch zur Verbesserung des Betriebsverhaltens von solchen Otto-Brennkraftmaschinen, bei denen der Ansaugluftstrom anstelle einer Drosselklappe von einem bezüglich Öffnungszeit und/oder Durchgangsquerschnitt variabel betreibbaren Ventiltrieb der Gaswechselventile eingestellt wird. Bei variablen Ventilsteuerungen, welche beispielsweise nach dem Prinzip des Feder-Masse-Schwingers arbeiten, kann somit auch ausgehend von höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine die Last bis in den niedrigen Teillastbereich reduziert werden, da ein sofortiger Abfall des Ladedrucks durch Öffnung des Umluftventils erfolgt. Entsprechend dem Zeitquerschnitt der Einlaßventile, welcher durch Öffnungsdauer und/oder Ventilhub bestimmt ist, kann für eine Lastregelung in der Teillast ein gleichmäßiges Druckniveau ohne Ladedruck dargestellt werden.The invention is also suitable for improving the performance of such Otto internal combustion engines, in which the intake air flow instead of a throttle valve of a respect to opening time and / or passage cross-section variable operable valve train of the gas exchange valves is set. In variable valve controls, which operate, for example, according to the principle of the spring-mass oscillator, thus starting from higher speeds of the engine, the load can be reduced to the low part load range, as an immediate drop in the boost pressure occurs by opening the air recirculation valve. According to the time cross-section of the intake valves, which is determined by the opening duration and / or valve lift, a uniform pressure level can be displayed without boost pressure for a load control in the partial load.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.One embodiment The invention is explained below with reference to the drawing.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine Otto-Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2, dessen Verdichter 4 in einer Einlaßleitung 8 der Brennkraftmaschine angeordnet ist und mittels einer Laderwelle 7 drehfest mit einer Turbine 3 verbunden ist. Die Turbine 3 ist in einer Abgasleitung 9 der Brennkraftmaschine angeordnet und wird somit im Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem Abgasstrom beaufschlagt. Der auf die Turbine 3 wirkende Abgasdruck wird über die starre Verbindung der Laderwelle 7 auf den Verdichter 4 übertragen, welcher, durch die Turbine 3 in Drehung versetzt, Frischluft in der Einlaßleitung 8 verdichtet und die Brennkraftmaschine 1 auflädt. Die Einlaßleitung 8 weist einen den Verdichter 4 umgehenden Verdichterbypass 6 auf, welcher von einem Umluftventil 16 freigebbar ist. Das Umluftventil 16 ist zwischen zwei Stellungen umschaltbar und bestimmt, ob der Ansaugluftstrom 17 im Umluftbetrieb der Brennkraftmaschine im unteren Teillastbereich durch den Bypass 6 oder im Aufladungsbetrieb durch den Verdichter 4 strömen soll. Die Abgasleitung 9 der Brennkraftmaschine weist einen Waste-Gate-Bypass 5 auf, durch den der Abgasstrom unter Umgehung der Turbine 3 zum Auslaß geleitet werden kann. Wird ein Waste-Gate-Ventil 15, welches den Waste-Gate-Bypass 5 beherrscht, geöffnet, so verringert sich der Abgasdruck auf die Turbine 3 und somit der Antrieb des Turboladers.The only drawing figure shows an Otto internal combustion engine 1 with an exhaust gas turbocharger 2 , its compressor 4 in an inlet pipe 8th the internal combustion engine is arranged and by means of a supercharger shaft 7 non-rotatable with a turbine 3 connected is. The turbine 3 is in an exhaust pipe 9 arranged the internal combustion engine and is thus applied during operation of the internal combustion engine with the exhaust stream. The on the turbine 3 acting exhaust pressure is via the rigid connection of the supercharger shaft 7 on the compressor 4 which, through the turbine 3 set in rotation, fresh air in the inlet pipe 8th compacted and the internal combustion engine 1 charging. The inlet pipe 8th has a compressor 4 immediate compressor bypass 6 on which of a recirculation valve 16 is releasable. The recirculation valve 16 is switchable between two positions and determines whether the intake air flow 17 in the recirculation mode of the internal combustion engine in the lower part load range through the bypass 6 or in charging mode by the compressor 4 should flow. The exhaust pipe 9 the internal combustion engine has a waste gate bypass 5 through which the exhaust gas flow bypassing the turbine 3 can be directed to the outlet. Becomes a waste gate valve 15 which is the wastegate bypass 5 controlled, open, the exhaust gas pressure on the turbine is reduced 3 and thus the drive of the turbocharger.

Das Umluftventil 16 und das Waste-Gate-Ventil 15 werden von einer elektronischen Steuereinheit 10 angesteuert. Der Steuereinheit 10 werden ein oder mehrere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine eingegeben, um daraus die Betriebslast der Brennkraftmaschine 1 zu bestimmen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden im Betrieb der Brennkraftmaschine die Motordrehzahl n, das Motordrehmoment Md, der Zündzeitpunkt ZZP sowie die Einstellung eines auf den Frischluftstrom 17 wirkenden Drosselorgans festgestellt und der Steuereinheit 10 eingegeben. Wird als Drosselorgan eine Drosselklappe in der Einlaßleitung 8 der Brennkraftmaschine verwendet, so wird als Kennwert αD dieses Betriebsparameters der Steuereinheit 10 der augenblickliche Drosselklappenwinkel eingegeben. Bei Otto-Brennkraftmaschinen, deren Ansaugluftmassenstrom durch einen bezüglich Öffnungszeit und/oder Durchgangsquerschnitt variabel einstellbaren Ventiltrieb der Gaswechselventile eingestellt wird, wird als Kennwert αD der Steuereinheit 10 die augenblickliche Position der Ventilsteuerkanten der variablen Ventilsteuerung eingegeben. Die Steuereinheit 10 hat Zugriff auf ein Motorkennfeld, in dem Kennwerte der Betriebsparameter und die zugehörige Betriebslast abgespeichert sind. Das Motorkennfeld umfaßt weitere Daten über die betriebspunktabhängigen Steuerzeiten der Gaswechselventile.The recirculation valve 16 and the wastegate valve 15 be from an electronic control unit 10 driven. The control unit 10 For example, one or more operating parameters of the internal combustion engine are input in order to calculate the operating load of the internal combustion engine 1 to determine. In the illustrated embodiment, the engine speed n, the engine torque Md, the ignition ZZP and the setting of one on the fresh air flow during operation of the internal combustion engine 17 acting throttle body detected and the control unit 10 entered. As a throttle body, a throttle valve in the inlet line 8th used as the characteristic value α D of this operating parameter of the control unit 10 the instantaneous throttle angle entered. In gasoline internal combustion engines, the intake air mass flow is adjusted by a variable with respect to opening time and / or passage cross-section valve gear of the gas exchange valves, is used as a characteristic value α D of the control unit 10 entered the instantaneous position of the valve control edges of the variable valve timing. The control unit 10 has access to an engine map, in which parameters of the operating parameters and the associated operating load are stored. The engine map includes further data on the operating point-dependent timing of the gas exchange valves.

Stellt die Steuereinheit 10 anhand der eingegebenen Betriebsparameter das Vorliegen niederer Lastanforderungen fest, so erzeugt sie öffnende Stellbefehle für das Umluftventil 16, welche diesem durch eine Steuerleitung 12 zugeleitet werden. Im Umluftbetrieb wird das Umluftventil 16 über die Steuerleitung 12 in die den Bypass 6 freigebende Stellung gebracht. Das Waste-Gate 5 wird im Umluftbetrieb weitgehend geschlossen gehalten, so daß die Turbine 3 vom Abgasstrom angetrieben wird. Der Verdichter 4 läuft belastungsfrei mit, ohne Ladedruck in der Einlaßleitung 8 zu erzeugen. Ändert sich die Betriebslast der Verbrennungskraftmaschine innerhalb der Teillast, so bleibt das Umluftventil weiterhin in Umluftstellung. Dadurch wird sichergestellt, daß kein Ladedruck aufgebaut wird, das heißt, es herrschen atmosphärische Saugbedingungen. Da die im Motorkennfeld applizierten Steuerzeiten der Gaswechselventile eines Teillastbetriebspunktes einer exakt angesaugten Luftmenge unter atmosphärischen Bedingungen entspricht, darf die Luftdichte nicht schwanken. Wird jedoch aus der Teillast die Betriebslast des Motors schlagartig auf Vollast erhöht, so wird das Umluftventil 16 umgeschaltet, um den Ladedruckaufbau durch den Verdichter zu ermöglichen. Der Verdichter 4 befindet sich zum Umschaltzeitpunkt bereits in Umlauf, so daß der Abgasturbolader 2 bei Lasterhöhung unmittelbar anspricht und augenblicklich der notwendige Ladedruck zur Verfügung gestellt wird. Neben der Umschaltung des Umluftventils und der damit verbundenen Absperrung des Verdichterbypasses wird auch das eventuell leicht geöffnete Waste-Gate 5 geschlossen, um den Ladedruckaufbau zu fördern.Represents the control unit 10 it determines the presence of low load requirements on the basis of the entered operating parameters, so it generates opening control commands for the recirculation valve 16 which this through a control line 12 be forwarded. In recirculation mode, the recirculation valve 16 over the control line 12 in the the bypass 6 releasing position. The waste gate 5 is kept largely closed in the recirculation mode, so that the turbine 3 is driven by the exhaust stream. The compressor 4 Runs load-free, with no boost pressure in the inlet pipe 8th to create. Changes the operating load of the internal combustion engine within the partial load, the air recirculation valve remains in Umluftstellung. This ensures that no charge pressure is built up, that is, there are atmospheric suction conditions. Since the applied in the engine map control times of the gas exchange valves of a partial load operating point of a precisely sucked amount of air under atmospheric conditions, the air density must not fluctuate. However, if from the partial load, the operating load of the engine suddenly increased to full load, so is the recirculation valve 16 switched to allow the boost pressure build-up by the compressor. The compressor 4 is at the switching time already in circulation, so that the exhaust gas turbocharger 2 immediately increases in load increase and immediately the necessary boost pressure is provided. In addition to the switching of the recirculation valve and the associated shut-off of the compressor bypass is also the possibly slightly open waste gate 5 closed to promote the boost pressure build-up.

Dem Abgasturbolader 2 ist eine Einrichtung zur Drehzahlmessung 11 zugeordnet. Eine Meßsignalleitung 14 des Drehzahlmessers 11 des Laderlaufzeuges ist mit der Eingangsseite der Steuereinheit 10 verbunden. Im Umluftbetrieb mit geöffnetem Verdichterbypass 6 überwacht die Steuereinheit 10 die Laderdrehzahl nATL, wobei eine maximale Laderdrehzahl als Kennwert zur Öffnung des Waste-Gate-Ventils 15 vorgegeben ist. Bei Erreichen der Grenzdrehzahl veranlaßt die Steuereinheit 10 ein öffnen des Waste-Gates 5 und leitet dem Waste-Gate-Ventil 15 durch eine Stellsignalleitung 13 die entsprechenden Steuerbefehle zu. Durch das geöffnete Waste-Gate 5 umgeht das Abgas die Turbine 3, so daß ohne weiteren Antrieb die Drehzahl des lastfrei umlaufenden Turboladers sich nicht mehr weiter erhöhen kann. Die Grenzdrehzahl, welche der Steuereinheit 10 zur Öffnung des Waste-Gates 5 vorgegeben wird, kann im voraus bestimmt werden und unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften des jeweils verwendeten Abgasturboladers 2, beispielsweise der Drehzahlempfehlungen des Herstellers oder der spezifischen Durchströmungsverhalten der Turbine 3 und des Verdichters 4, optimiert werden.The exhaust gas turbocharger 2 is a device for speed measurement 11 assigned. A measuring signal line 14 of the tachometer 11 of the charger rotor is with the input side of the control unit 10 connected. In recirculation mode with the compressor bypass open 6 monitors the control unit 10 the supercharger speed n ATL , wherein a maximum supercharger speed as a characteristic value for opening the waste gate Ven tils 15 is predetermined. Upon reaching the limit speed causes the control unit 10 an open the waste gate 5 and directs the waste gate valve 15 by a control signal line 13 the corresponding control commands. Through the opened waste gate 5 the exhaust bypasses the turbine 3 , so that without further drive the speed of the load-free rotating turbocharger can not increase further. The limit speed, which the control unit 10 to open the wastegate 5 is predetermined, can be determined in advance and taking into account the specific characteristics of the exhaust gas turbocharger used in each case 2 For example, the speed recommendations of the manufacturer or the specific flow characteristics of the turbine 3 and the compressor 4 , to be optimized.

Die Steuereinheit steuert über die Stellsignalleitung einen hier nicht dargestellten Stellantrieb des Waste-Gate-Ventils 15 an, welcher den Durchgangsquerschnitt des Waste-Gate-Ventils 15, d.h. des Bypasses 5, präzise einstellt. Im Aufladungsbetrieb der Brennkraftmaschine mit geschlossenem Verdichterbypass 6 erfolgt eine Regelung des Ladedruckes, wobei das Waste-Gate-Ventil 15 das Stellglied der Ladedruckregelung bildet. Die Steuereinheit 10 umfaßt einen Regler, dem der Istwert des Ladedruckes PL eingegeben wird.The control unit controls via the control signal line, not shown here actuator of the waste gate valve 15 on which the passage cross section of the waste gate valve 15 , ie the bypass 5 , precise setting. In the charging mode of the internal combustion engine with closed compressor bypass 6 there is a control of the boost pressure, the waste gate valve 15 forms the actuator of the boost pressure control. The control unit 10 includes a controller to which the actual value of the boost pressure P L is input.

Der Ladedruck PL wird mit einem entsprechenden Drucksensor in der Einlaßleitung 8 gemessen. Im Umluftbetrieb bei geringerer Betriebslast der Brennkraftmaschine wird die Ladedruckregelung ausgeschaltet und das Waste-Gate-Ventil 15 in einer den Durchströmungsquerschnitt des Waste-Gates 5 verringernden Stellung bzw. in der völligen Schließstellung gehalten. Soweit die Steuereinheit 10 anhand der eingegebenen Betriebsparameter n, Md, αD, ZZP das Erreichen eines Lastpunktes feststellt, für den Aufladungsbetrieb vorgesehen ist, so wird zunächst der Verdichterbypass 6 geschlossen und anschließend sofort die Ladedruckregelung, d.h. die variable Einstellbarkeit des Waste-Gate-Ventils 15 zum Abblasen des Abgases über den Waste-Gate-Bypass 5 aktiviert. Die Wiedereinschaltung der Ladedruckregelung erfolgt in Abhängigkeit von der Laderdrehzahl nATL.The boost pressure P L is provided with a corresponding pressure sensor in the intake passage 8th measured. In recirculation mode with a lower operating load of the internal combustion engine, the boost pressure control is switched off and the wastegate valve 15 in a the flow cross section of the waste gate 5 decreasing position or held in the fully closed position. As far as the control unit 10 Based on the input operating parameters n, Md, α D , ZZP determines the achievement of a load point, is provided for the charging operation, so first the compressor bypass 6 closed and then immediately the boost pressure control, ie the variable adjustability of the waste gate valve 15 for blowing off the exhaust gas via the waste gate bypass 5 activated. The reconnection of the boost pressure control takes place as a function of the supercharger speed n ATL .

Bei drosselfreien Laststeuerungen, beispielsweise durch den Einsatz eines variablen Ventiltriebs mit variablen Ventilöffnungsquerschnitten, werden in der Teillast konstante Druckverhältnisse ohne Ladedruckaufbau erreicht, um reproduzierbare Zylinderfüllungen darstellen zu können.at Throttle-free load controls, for example by the use a variable valve train with variable valve opening cross sections, are in the partial load constant pressure conditions without boost pressure build-up achieved in order to represent reproducible cylinder fillings.

Claims (12)

Otto-Brennkraftmaschine mit – einem Abgasturbolader (2), dessen Verdichter (4) in einer Einlaßleitung (8) der Otto-Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist und drehfest mit einer Turbine (3) verbunden ist, welche in einer Abgasleitung (9) Otto-Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, – einem den Verdichter (4) umgehenden Verdichterbypass (6) der Einlaßleitung (8), welcher von einem Absperrorgan (16) freigebbar ist, welches zum Empfang von Stellbefehlen in Abhängigkeit des Lastzustandes der Otto-Brennkraftmaschine (1) über eine Steuerleitung (12) mit einer Steuereinheit (70) verbunden ist – einem die Turbine (3) umgehenden Bypass (Waste-Gate 5) der Abgasleitung (9), in dem ein von der Steuereinheit (10) schaltbares Waste-Gate-Ventil (15) angeordnet ist, – einer dem Abgasturbolader (2) zugeordneten Einrichtung zur Drehzahlmessung (11), deren Meßsignalleitung (14) mit der Eingangsseite der Steuereinheit (10) verbunden ist, wobei der Steuereinheit (10) eine maximale Laderdrehzahl als Kennwert zur Öffnung des Waste-Gate-Ventils (15) bei offenem Verdichterbypass (6) vorgegeben ist.Otto internal combustion engine with - an exhaust gas turbocharger ( 2 ), whose compressor ( 4 ) in an inlet pipe ( 8th ) of the Otto internal combustion engine ( 1 ) and rotationally fixed with a turbine ( 3 ), which in an exhaust pipe ( 9 ) Otto internal combustion engine ( 1 ), - one the compressor ( 4 ) bypass compressor bypass ( 6 ) of the inlet pipe ( 8th ), which of a shut-off ( 16 ) which can be used to receive setting commands as a function of the load state of the Otto internal combustion engine ( 1 ) via a control line ( 12 ) with a control unit ( 70 ) - the turbine ( 3 ) bypass (Waste-Gate 5 ) of the exhaust pipe ( 9 ) in which one of the control unit ( 10 ) switchable wastegate valve ( 15 ), - one of the exhaust gas turbocharger ( 2 ) associated with the device for speed measurement ( 11 ), whose Meßsignalleitung ( 14 ) with the input side of the control unit ( 10 ), the control unit ( 10 ) a maximum supercharger speed as characteristic value for opening the wastegate valve ( 15 ) with open compressor bypass ( 6 ) is given. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (16) der Einlaßleitung (8) ein zwischen einer den Verdichter (4) beaufschlagenden Stellung und einer den Verdichterbypass (6) im Umlaufbetrieb freigebenden Stellung umschaltbares Umluftventil (16) ist.Otto internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the obturator ( 16 ) of the inlet pipe ( 8th ) between a compressor ( 4 ) and a compressor bypass ( 6 ) in circulating mode releasing position reversible recirculation valve ( 16 ). Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Waste-Gate-Ventil (15) bezüglich des Durchgangsquerschnitts einstellbar ist, wobei ein Stellantrieb des Waste-Gate-Ventil (15) von der Steuereinheit (10) über eine Stellsignalleitung (23) ansteuerbar ist.Otto internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the wastegate valve ( 15 ) is adjustable with respect to the passage cross section, wherein an actuator of the waste gate valve ( 15 ) from the control unit ( 10 ) via a control signal line ( 23 ) is controllable. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (10) einen Regler für den Ladedruck (PL) der Otto-Brennkraftmaschine (1) umfaßt, wobei das Waste-Gate-Ventil (15) das Stellglied der Ladedruckregelung bildet.Otto internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the control unit ( 10 ) a regulator for the boost pressure (P L ) of the Otto internal combustion engine ( 1 ), wherein the wastegate valve ( 15 ) forms the actuator of the boost pressure control. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen bezüglich Öffnungszeit und/oder Durchgangsquerschnitt variabel einstellbaren Ventiltrieb der Gaswechselventile.Otto internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized by a variable opening time and / or passage cross-section adjustable valve drive of the gas exchange valves. Verfahren zum Betrieb einer Otto-Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader (2), dessen Verdichter (4) in einer Einlaßleitung (8) der Otto-Brennkraftmaschine (1) angetrieben wird von einer Turbine (3), welche vom Abgasstrom der Otto-Brennkraftmaschine (1) beaufschlagt wird, wobei in einem Lastbereich der Otto-Brennkraftmaschine (1) zwischen Leerlauf und Teillast ein Verdichterbypass (6) der Einlaßleitung (8) durch Öffnung eines Absperrorgans (16) freigegeben wird und der Frischluftstrom (17) unter Umgehung des Verdichters (4) durch die Einlaßleitung (8) strömt, dadurch gekennzeichnet, daß im Umluftbetrieb bei geöff netem Verdichterbypass (6) die Laderdrehzahl (nATL) überwacht wird und bei Erreichen einer vorgegebenen Grenzdrehzahl ein die Turbine (3) umgehender Bypass (Waste-Gate 5) geöffnet wird.Method for operating an Otto internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger ( 2 ), whose compressor ( 4 ) in an inlet pipe ( 8th ) of the Otto internal combustion engine ( 1 ) is driven by a turbine ( 3 ), which from the exhaust gas stream of the Otto internal combustion engine ( 1 ) is acted upon, wherein in a load range of the Otto internal combustion engine ( 1 ) between idle and part load a compressor bypass ( 6 ) of the inlet pipe ( 8th ) by opening a shut-off ( 16 ) is released and the fresh air flow ( 17 ) bypassing the compressor ( 4 ) through the inlet pipe ( 8th ) flows, characterized in that in recirculation mode at geöff net compressor bypass ( 6 ) the supercharger speed (n ATL ) is monitored and on reaching a predetermined limit speed, the turbine ( 3 ) bypass (Waste-Gate 5 ) is opened. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Umluftbetrieb der den Verdichter (4) aufweisende Leitungszweig der Einlaßleitung (8) abgesperrt wird.Method according to claim 6, characterized in that in recirculation mode the compressor ( 4 ) having line branch of the inlet pipe ( 8th ) is shut off. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (10) ein in der Einlaßleitung (8) angeordnetes Umluftventil (16) zwischen einer den Verdichter (4) beaufschlagenden Stellung und einer Umluftstellung mit freigegebenem Verdichterbypass (6) umschaltet in Abhängigkeit der Betriebslast der Brennkraftmaschine (1).Method according to Claim 6 or 7, characterized in that a control unit ( 10 ) in the inlet pipe ( 8th ) arranged recirculation valve ( 16 ) between a compressor ( 4 ) acting position and a recirculation position with shared compressor bypass ( 6 ) switches as a function of the operating load of the internal combustion engine ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebslast aus mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird, insbesondere der Motordrehzahl (n), dem Motordrehmoment (Md), dem Zündzeitpunkt (ZZP) oder der Einstellung eines auf den Frischluftstrom wirkenden Drosselorgans.Method according to Claim 8, characterized in that the operating load comprises at least one operating parameter of the internal combustion engine ( 1 ) is determined, in particular the engine speed (n), the engine torque (Md), the ignition timing (ZZP) or the setting of an acting on the fresh air flow throttle body. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufladungsbetrieb mit geschlossenem Verdichterbypass (6) der Ladedruck (PL) durch Einstellung des Durchsatzes des Waste-Gates (5) mit einem in der Waste-Gate-Leitung angeordneten Waste-Gate-Ventil (15) als Stellglied geregelt wird. Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that in the charging mode with closed compressor bypass ( 6 ) the boost pressure (P L ) by adjusting the flow rate of the waste gate ( 5 ) with a waste gate valve arranged in the waste gate line ( 15 ) is regulated as an actuator. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (10) bei einem lasterhöhungsbedingten Wechsel vom Umluftbetrieb zum Aufladungsbetrieb zunächst das Umluftventil (16) umschaltet und den Verdichterbypass (6) schließt und anschließend die Ladedruckregelung und die Ansteuerung des Waste-Gate-Ventils (15) in Abhängigkeit von der Laderdrehzahl (nATL) aktiviert.Method according to claim 10, characterized in that the control unit ( 10 ) in the event of a load-increase-dependent change from the recirculation mode to the charging mode, the recirculation valve ( 16 ) and the compressor bypass ( 6 ) and then the boost pressure control and the control of the waste gate valve ( 15 ) depending on the supercharger speed (n ATL ). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im dynamischen Betrieb bei einem Lastsprung unter Zunahme der Betriebslast der Brennkraftmaschine der Verdichterbypass (6) und das Waste-Gate (5) geschlossen werden.Method according to one of claims 6 to 11, characterized in that in dynamic operation with a load jump with an increase in the operating load of the internal combustion engine, the compressor bypass ( 6 ) and the waste gate ( 5 ) getting closed.
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