DE2647836A1 - DEVICE FOR CHARGING A COMBUSTION ENGINE BY MEANS OF AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER - Google Patents
DEVICE FOR CHARGING A COMBUSTION ENGINE BY MEANS OF AN EXHAUST GAS TURBOCHARGERInfo
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Description
Anmelderin: Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp + Kausch, Frankenthal, Bundesrepublik DeutschlandApplicant: Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp + Kausch, Frankenthal, Federal Republic of Germany
Vorrichtung zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines Abgasturboladers.Device for charging an internal combustion engine by means of an exhaust gas turbocharger.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine (Motor') mittels tunes Abgasturbolader mit Turbine und Verdichter, welcher so ausa-ileüt ist, daß der Verdichter bei voller Belastung des Motors im unLoriTi Drehzahlbereich die erforderliche Ladeluftmenge liefert u:.:i wobei zwischen Verdichteraustritt und Motor ein N'ebenwegvent. 11. zum Öffnen bzw. Sperren einer ersten Abzweigleitung zum Tarbineneintritt und einer zweiten Abzweigleitung zum Turbinenaustritt geschaltet ist. Sie findet Anwendung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens von Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturbolader, insbesondere bei Belastungszunahme oder Beschleunigung.The invention relates to a device for charging an internal combustion engine (engine) by means of a tuned exhaust gas turbocharger with turbine and compressor, which is so ausa-ileüt, that the compressor is in the unLoriTi at full load of the motor Speed range provides the required amount of charge air u:.: I whereby between the compressor outlet and the motor there is a bypass valve. 11. to open or block a first branch line to the Tarbinen entrance and a second branch line is connected to the turbine outlet. It is used for improvement the operating behavior of internal combustion engines with Exhaust gas turbocharger, especially when there is an increase in load or acceleration.
Das Beschleunigungsverhalten aufgeladener Motore ist oft nicht befriedigend; weil plötzlich größere Luftmengen benötigt werden, als der Verdichter im Augenblick der Beschleunigung liefern kann. Zur Erhöhung der Luftmenge muß die Laderdrehzahl erhöht werden. Dazu aber muß der Turbine mehr Energie, d.h. es müssen größere Abgasmengen bei höheren Temperaturen geliefert v/erden. Dies setzt wieder mehr Ladeluft voraus, die aber - wie geschildert - nicht sofort verfügbar ist. - Die Folge ist, d-jii der Motor aus dem unteren Drehzahlbereich heraus nur laricr.-;art beschleunigt, wobei für den Verbrennungsprozeß zeitweise· i.uitmangel herrschen kann, was nicht nur eine schlechte Brenns1.- r fausnutzung bedeutet, sondern auch zu erhöhter Umweltverschmutzung beiträgt. Der Luftmangel äußert sich beim Dieioi-Motor in unverbrannten Feststoffen im Abgas, in schwarzem Auspuff rauch, beim Otto-Motor in erhöhtem CO-CH-Gehalt im Auspuffgas. Es besteht daher die allgemeine Problemstellung, das Beschleunigungsverhalten aufgeladener Verbrennunqskraft-The acceleration behavior of supercharged engines is often not satisfactory; because suddenly larger amounts of air are required than the compressor can deliver at the moment of acceleration. To increase the amount of air, the supercharger speed must be increased. For this, however, the turbine must have more energy, ie larger amounts of exhaust gas must be supplied at higher temperatures. This again requires more charge air, which - as described - is not immediately available. - The result is d-jii the motor from the low speed range out only laricr .-; accelerated art, wherein temporarily · for the combustion process i.uit deficiency may prevail, which is not only a poor burning equipment 1 .- r is fausnutzung but also contributes to increased pollution. In the Dieioi engine, the lack of air manifests itself in unburned solids in the exhaust gas, in black exhaust smoke, and in the Otto engine in the increased CO-CH content in the exhaust gas. There is therefore the general problem of determining the acceleration behavior of charged combustion
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maschinen zu verbessern,improve machines,
eine unvollständige Verbrennung beim Beschleunigen zu vermeiden undincomplete combustion when accelerating avoid and
den spezifischen Kraftstoffverbrauch beim Beschleunigen zu reduzieren.the specific fuel consumption when accelerating to reduce.
Eine bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Gattung besitzt zur Verbesserung des Betriebsverhaltens, insbesondere des Beschleunigungsverhaltens, Hilfsantriebe (DT-OS 2 040 048}. Einmal befindet sich im bekannten Fall auf der Laderwelle ein hochtouriger, batteriegespeister Elektromotor, der vorübergehend die Laderdrehzahl stärker erhöht, als das aufgrund der anfallenden Abgasmenge möglich ist. Diese Anordnung ist sehr aufwendig und bei hohen Ladedrehzahlen für Elektromotoren aus Festigkeits- und Schwingungsrücksichten nicht mehr durchführbar.A known device of the type mentioned at the outset has, in particular, to improve the operating behavior the acceleration behavior, auxiliary drives (DT-OS 2 040 048}. In the known case, there is a high-speed, battery-powered electric motor on the charger shaft, which temporarily the supercharger speed increases more than is possible due to the amount of exhaust gas produced. This arrangement is very expensive and no longer feasible at high charging speeds for electric motors for reasons of strength and vibration.
Zum anderen kann im bekannten Fall ein Teil der Ladeluft vorübergehend abgezweigt und in eine Hilfsbrennkammer geleitet werden. Zu dieser Hilfsbrennkammer erfolgt eine Brennstoffzufuhr und in derselben anschließend eine Zündung. Das entstehende Abgas wird zusätzlich zum Motorenabgas durch die Turbine geschickt. Im Abzweig zur Hilfsbrennkammer befindet sich ein Schieber bzw. ein Nebenwegventil, das durch den Brennstoffgeber der Hilfskammer gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt derart, daß dieser Schieber lediglich solange offen ist, als Brennstoff der Einspritzdüse der Hilfsbrennkammer zugeführt wird. Diese bekannte Vorrichtung ist insbesondere aufgrund der Anordnung der Hilfsbrennkammer aufwendig und benötigt zum ordnungsgemäßen Betrieb weitere Hilfseinrichtungen.On the other hand, in the known case, part of the charge air can be temporarily branched off and fed into an auxiliary combustion chamber. Fuel is supplied to this auxiliary combustion chamber and in the same then an ignition. The resulting exhaust gas is sent through the turbine in addition to the engine exhaust gas. There is a slide in the branch to the auxiliary combustion chamber or a bypass valve, which is operated by the fuel dispenser of the auxiliary chamber is controlled. The control takes place in such a way that this slide is only open as long as the fuel Injection nozzle is supplied to the auxiliary combustion chamber. This well-known Device is particularly due to the arrangement of the auxiliary combustion chamber expensive and requires additional auxiliary equipment for proper operation.
Zur Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens aufgeladener Verbrennungsmotoren ist es weiterhin bekannt, den Turbinenquerschnitt sehr eng auszulegen, so daß bereits bei geringen Abgasmengen eine hohe Laderdrehzahl erreicht wird (DT-OS 1 751 545). In diesem bekannten Fall wird bei hoher Motorlast die Laderdrehzahl zu hoch, die Ladedrücke werden zu groß, der Lader kann Schaden nehmen. Zur Verbesserung werdenIn order to improve the acceleration behavior of supercharged internal combustion engines, it is also known to use the turbine cross section to be interpreted very closely, so that a high turbocharger speed is achieved even with small amounts of exhaust gas (DT-OS 1 751 545). In this known case, when the engine load is high, the supercharger speed is too high and the supercharging pressures become too high too big, the loader can be damaged. To be improved
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verdichterseitig in der Ladeluftleitung (DT-PS 2 328 494) oder turbinenseitig in der Frischgasleitung (DT-OS 2 362 133) Abblasventile eingebaut. - Abgesehen davon, daß auch bei Unterdimensionierung des Turboladers erst dann der Lader beschleunigt, wenn schon mehr Abgas verfügbar ist - also eine, wenn auch kurze Periode von Luftmangel herrscht - wird bei den Abblasregelungen Energie unnütz vergeudet und im Falle der Frischgasabblasung zusätzlich auch die vom Schmutzgehalt des Abcjases, insbesondere chemisch-aggressiven Bestandteilen, abhängige Betriebssicherheit des Abgasventils in Frage gestellt.on the compressor side in the charge air line (DT-PS 2 328 494) or on the turbine side in the fresh gas line (DT-OS 2 362 133) Built-in blow-off valves. - Apart from the fact that the charger only accelerates if the turbocharger is undersized, when more exhaust gas is already available - i.e. there is a short period of lack of air - the blow-off controls Energy wasted uselessly and, in the case of fresh gas blow-off, also that from the dirt content of the exhaust gas, in particular chemically aggressive components, dependent operational safety of the exhaust valve in question.
Weitere bekannte Lösungen bestehen im Einsatz eines Luftspeichers, aus dem dem Verdichterrad durch Düsen zusätzlich Luft zugeführt werden kann (DT-OS 1 922 386), oder eines mechanischen Zusatzantriebes, der von der Kurbelwelle her über ein Differentialgetriebe angetrieben wird (DT-AS 1 237 380). Im erstgenannten Fall ist ein Druckminderventil vor dom Verdichter notwendig. Die zweite Lösung ist drehzahlbegrenzt. Beide Lösungen sind aufwendig und zu schwer.Other known solutions consist in the use of an air reservoir, from which the compressor wheel can also be supplied with air through nozzles (DT-OS 1 922 386), or a mechanical one Additional drive that is driven by the crankshaft via a differential gear (DT-AS 1 237 380). In the first case, there is a pressure reducing valve in front of the compressor necessary. The second solution is speed limited. Both solutions are complex and too difficult.
Der Erfindung liegt, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung und auf der Grundlage vorqenanm.t„ r allgemeiner Problemstellung, die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten, insbesondere bei plötzlichen Belastungszur.ahxieii oder Beschleunigungen, durch eine automatische und vorzöaorunjsfreie Anpassung der Ladeluftmenge mittels einer einfach du^'u.--bauten, leichten Anordnung zu verbessern.The invention is based on a device of the type mentioned at the beginning and on the basis of the present invention general problem, the task is to determine the operating behavior, especially in the case of sudden loads or accelerations, by an automatic and vorzöaorunjs-free Adjustment of the charge air volume by means of a simple du ^ 'u - built, easy arrangement to improve.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindun"J3gemäß das Nebenwegventil als Vierwegventil ausgebildet ist, daß ii>erste Abzweigleitung unmittelbar an den Turbineneintritt angeschlossen ist, daß eine zweite Abzweigleitung vom VierwegventiL zum Turbinenaustritt führt und daß das Vierwegventil mit de;;i Regler der Brennstoffzufuhr des Motors über eine Zwangssteuerung verbunden ist.The solution to this problem is that according to the invention "J3 the bypass valve is designed as a four-way valve that ii> first Branch line is connected directly to the turbine inlet that a second branch line from the four-way valve leads to the turbine outlet and that the four-way valve with de ;; i Regulator of the fuel supply of the engine via a forced control connected is.
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Mit dieser Vorrichtung sind in einfacher Weise alle drei Betriebsbereiche, Schwach- bzw. Normallast, Belastungszunahme bzw. Beschleunigen und Spitzenlast unter automatischer, verzögerungsfreier Anpassung der Ladeluftmenge an den jeweiligen Bedarf beherrschbar. Bei Schwachlast ist die erste Abzweigleitung zum Turbineneintritt geöffnet, so daß nur ein Teil der Ladeluftmenge zu den Einlaßventilen des Motors gelangt. Beim Beschleunigen wird die erste Abzweigleitung gesperrt, so daß die gesamte Ladeluftmenge dem Motor zugeführt wird. Bei Spitzenlast wird mit dem überschreiten einer relativ hohen Belastungsschwelle die zweite Abzweigleitung zum Turbinenaustritt geöffnet, um Überlastungen zu vermeiden.With this device, all three operating ranges, light or normal load, load increase or acceleration and peak load under automatic, delay-free adaptation of the charge air volume to the respective requirement manageable. If the load is low, the first branch line is open to the turbine inlet, so that only part of the amount of charge air reaches the intake valves of the engine. At the When accelerating, the first branch line is blocked so that the entire amount of charge air is fed to the engine. at When a relatively high load threshold is exceeded, peak load becomes the second branch line to the turbine outlet opened to avoid overloading.
Im Gegensatz zur eingangs genannten bekannten Vorrichtung mit Hilfsbrennkammer wird eben der vorrichtungstechnische Aufwand für die Hilfsbrennkammer eingespart. Die Zwangssteuerung des Ventils erfolgt unmittelbar unter Einfluß des Reglers der Brennstoffzufuhr des Motors, so daß das Vierwegventil synchron zur Änderung der Betriebsbereiche geschaltet wird.In contrast to the known device with an auxiliary combustion chamber mentioned at the outset, the outlay in terms of device technology is just that saved for the auxiliary combustion chamber. The forced control of the Valve takes place directly under the influence of the regulator of the fuel supply of the engine, so that the four-way valve is synchronous is switched to change the operating ranges.
Das Abblasen von Ladeluft erfolgt erfindungsgemäß lediglich als Schutzmaßnahme, d.h. im Verhältnis zu den eingangs ebenfalls erwähnten bekannten Fällen mit Abblasregelung wird in den Betriebsbereichen Schwachlast und Beschleunigen mit optimaler Energieausnutzung gearbeitet.The blowing off of charge air takes place according to the invention only as Protective measure, i.e. in relation to the known cases with blow-off control also mentioned at the beginning, is in the Operating areas of low load and acceleration worked with optimal energy utilization.
Für den Fall einer besonders hohen Temperaturbelastung des Motors, zum Beispiel bei Rennwagen, besteht eine Lösungsvariante der vorgenannten Aufgabe darin, daß erfindungsgemäß das Nebenwegventil als Dreiwegventil ausgebildet ist, daß die erste Abzweigleitung unmittelbar an den Turbineneintritt angeschlossen ist und daß das Dreiwegventil mit dem Regler der Brennstoffzufuhr des Motors über eine Zwangssteuerung verbunden ist.In the event of a particularly high temperature load on the engine, for example in racing cars, there is a variant of the solution the aforementioned object is that according to the invention the bypass valve is designed as a three-way valve that the first branch line is connected directly to the turbine inlet is and that the three-way valve with the regulator of the fuel supply of the motor is connected via a priority control.
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Bei Schwachlast und Beschleunigen ergeben sich bei dieser Ausführungsvariante keine Unterschiede zur Variante mit Vierwegventil. Alternativ zu obengenannter Lösung kann jedoch bei hoher Belastung der restliche Ladeluftteil· über die erste Abzweigleitung zum Turbineneintritt geführt werden, um zur Kühlung der Turbine beizutragen.With low load and acceleration, there are no differences to the variant with this variant Four-way valve. As an alternative to the above solution, however, the remaining charge air part can be used at high loads. be routed via the first branch line to the turbine inlet to help cool the turbine.
Zweckmäßig kann das Vier- bzw. Dreiwegventil bei hoher Motorbelastung wahlweise vom Brennstoffregler oder auch vom Ladedruck gesteuert werden.The four-way or three-way valve can expediently be used at high engine loads can be controlled either by the fuel regulator or by the boost pressure.
Bei beiden Varianten werden trotz augenblicklicher Anpassung der Ladeluftmenge an die Brennstoffzufuhr sowohl bei hoher Motorenbelastung der Motor vor zu hohen Zünddrücken, als auch die Turbine vor zu hohen Temperaturen mit ein und demselben Bypassventil geschützt. Sowohl der Schadstoffanteil im Abgas als auch der spezifische Kraftstoffbedarf beim Beschleunigen des Motors werden verringert.In both variants, despite the instantaneous adjustment of the charge air quantity to the fuel supply, both at a high Engine load the engine from too high ignition pressures, as well as the turbine from too high temperatures with one and the same Bypass valve protected. Both the pollutant content in the exhaust gas as well as the specific fuel requirement when accelerating the engine are reduced.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. It demonstrate:
Figur 1 eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgas-Turbo ladt.· r unJFIG. 1 an internal combustion engine with an exhaust gas turbo charging. · R unJ
Vierwegventil und
Figur 2 eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgas-Turbolader und
Dreiwegventil.Four-way valve and
Figure 2 shows an internal combustion engine with exhaust gas turbocharger and three-way valve.
Gemäß Figur 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel ein Diesel-Motor, mit einem Verdichter 2 und einer Turbine 3 versehen, die auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Vom Verdichter 2 führt eine Ladeluftleitung 4 zu einem Vierweg-Nebenweqventi1 5, von welchem eine Leitung 6 zum Motor 1, eine erste Abzweigleitung 7 zur Turbine 3 bzw. in die vom Motor 1 zur Turbine 3 führende Abgasleitung 8 und eine zweite Abzweigleitung 9 zum Turbinenaustritt 10 führen. Das Vierwegventil 5 ist über durch eine durch eine Verbindungslinie 11 angedeutete Zwangssteuerung mit dem Regler 12 für die Brennstoffzufuhr des Motors verbunden.According to Figure 1 is an internal combustion engine, for example a diesel engine, provided with a compressor 2 and a turbine 3, which sit on a common shaft. From the compressor 2 leads a charge air line 4 to a four-way secondary valve 5, from which a line 6 to the engine 1, a first branch line 7 to the turbine 3 or into the exhaust line 8 leading from the engine 1 to the turbine 3 and a second branch line 9 to the turbine outlet 10 lead. The four-way valve 5 is via a positive control indicated by a connecting line 11 with the controller 12 connected for the fuel supply of the engine.
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Nachfolgend wirddie Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Figur 1 erläutert. Der aus dem Verdichter 2 und der Turbine 3 bestehende Abgasturbolader versorgt den Motor 1 mit Ladeluft. Hierzu wird Außenluft über einen Verdichtereingang 2' angesaugt, verdichtet und durch die Ladeluftleitung 4 dem Vierwegventil 5 zugeführt. Der Turbolader ist so ausgelegt, daß er bei Schwachlast des Motors mehr Ladeluft liefert, als benötigt wird. In diesem Fall läßt das Vierwegventil 5 den vom Motor 1 benötigten Luftanteil durch die Leitung 6 zum Motor, die Restluft wird durch die erste Abzweigleitung 7 zum Turbineneintritt 3' strömen. Die Steuerung der Öffnungsquerschnitte des Vierwegventils erfolgt jeweils über die Zwangssteuerung 11 mechanisch oder hydraulisch.The mode of operation of the device according to FIG explained. The exhaust gas turbocharger consisting of the compressor 2 and the turbine 3 supplies the engine 1 with charge air. For this purpose, outside air is sucked in via a compressor inlet 2 ′, compressed and passed through the charge air line 4 to the four-way valve 5 fed. The turbocharger is designed in such a way that, when the engine is under low load, it delivers more charge air than is required. In this case, the four-way valve 5 lets the air required by the engine 1 through the line 6 to the engine, the remaining air will flow through the first branch line 7 to the turbine inlet 3 '. The control of the opening cross-sections of the four-way valve takes place mechanically or hydraulically via the override control 11.
Bei plötzlicher Steigerung der Brennstoffmenge (z.B. beim "Gasgeben" des Fahrers in einem Kraftwagen) schließt der Regler 12 die erste Abzweigleitung 7, so daß mit der höheren Brennstoffmenge sofort auch eine höhere Ladeluftmenge über die Leitung 6 und entsprechende Einlaßventile in den Zylindern des Motors 1 zur Verfügung steht.In the event of a sudden increase in the amount of fuel (e.g. with "Accelerating" of the driver in a motor vehicle) the controller 12 closes the first branch line 7, so that with the higher amount of fuel Immediately a higher amount of charge air via line 6 and corresponding inlet valves in the cylinders of engine 1 is available.
Bei sehr hoher Motorbelastung bzw. Überschreiten einer bestimmten Brennstoffzufuhr durch den Regler 12 wird von demselben die zweite Abzweigleitung 9 des Vierwegventiles 5 so weit geöffnet, daß die überschüssige Ladeluft direkt zum Turbinenaustritt 10 strömen kann.If the engine load is very high or if a certain one is exceeded Fuel supply through the regulator 12 becomes the second of the same Branch line 9 of the four-way valve 5 is open to such an extent that the excess charge air flows directly to the turbine outlet 10 can.
Die vom "lotor 1 kommenden Abgase werden in bekannter Weise über die Abgasleitung 8 dem Turbineneintritt 31 zugefühi*t und treiben die Turbine an, gegebenenfalls wie beschrieben mit Überschuß-Ladeluft vermischt. The exhaust gases coming from the rotor 1 are fed in a known manner via the exhaust line 8 to the turbine inlet 3 1 and drive the turbine, possibly mixed with excess charge air as described.
Gemäß Figur 2 besteht die Vorrichtung aus einer hochbelasteten Verbrennungskraftmaschine 20, z.B. einen Rennmotor, ansonsten aus den Elementen gemäß Figur 1 mit dem Unterschied, daß sich zwischen dem Verdichter 2 und dem Motor 20 ein Dreiwegventil 21 befindet. Λ ^ Λ Λ _According to FIG. 2, the device consists of a highly loaded internal combustion engine 20, for example a racing engine, otherwise it consists of the elements according to FIG. Λ ^ Λ Λ _
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Für die Betriebsbereiche "Schwachlast" und "Beschleunigung" ändert sich gegenüber der Wirkungsweise der Vorrichtung nach
Figur 1 nichts. Die Steuerung der Öffnungsquerschnitte erfolgt wiederum mechanisch odor hydraulisch über die Zwangssteuerung
vom Brennstoffregler 9 des Motors 20 aus. Bei sehr starker
Belastung dagegen wird der überschüssige Ladeluftanteil über
die erste Abzweigleitung 7 dem Turbineneintritt 3' zugeführt, um zur Kühlung der Turbine beizutragen.For the "low load" and "acceleration" operating ranges, nothing changes compared to the mode of operation of the device according to FIG. The opening cross-sections are again controlled mechanically or hydraulically via the forced control from the fuel regulator 9 of the engine 20. With very strong
On the other hand, the excess charge air proportion is fed to the turbine inlet 3 'via the first branch line 7 in order to contribute to cooling the turbine.
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| US6161384A (en) * | 1994-05-02 | 2000-12-19 | Waukesha Engine Division, Dresser Equipment Group, Inc. | Turbocharger control management system throttle reserve control |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| GB1557388A (en) | 1979-12-12 |
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| DE2647836C3 (en) | 1979-04-05 |
| FR2368608A1 (en) | 1978-05-19 |
| SE435414B (en) | 1984-09-24 |
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