DE3516984C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brenn­ kraftmaschine mit Abgasturboaufladung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine verfahrensgemäße Brennkraftmaschine.

Eine verfahrensgemäße Brennkraftmaschine ist in der DE-OS 31 26 678 beschrieben. Dabei wird in den Beschleunigungsphasen zur Leistungs­ anhebung der Abgasturbine Wasser in die Abgassammelleitung einge­ spritzt. Durch die Verdampfung dieses Wassers und die damit ver­ bundene Anhebung des Massenstromes wird die Drehzahl des Abgas­ turboladers erhöht und damit verbunden der Ladedruck im Ladeluft­ leitungssystem der Brennkraftmaschine angehoben.

Eine derartige Brennkraftmaschine, wie sie gemäß der Beschreibung der DE-OS als Schiffshilfsantrieb verwendbar ist, zeigt jedoch immer noch eine gewisse Verzögerung in der Beschleunigung. Zwar wird durch die Wassereinspritzung ein schnellerer Anstieg des La­ dedruckes erzielt, trotzdem bleibt ein gewisses, fühlbares "Be­ schleunigungsloch", da bei einer Beschleunigung der Brennkraftma­ schine aus dem Leerlauf heraus die Drehzahl des Abgasturboladers gering ist und erst mit der Beschleunigung und der damit verbun­ denen, einsetzenden Wassereinspritzung nunmehr der Ladedruck mit gegebenenfalls steilerem Gradienten einsetzt. Für einen Schiffs­ hilfsantrieb ist eine derartige Ladecharakteristik jedoch unbe­ achtlich.

Durch die DE-PS 8 81 889 ist es ferner bekanntgeworden, beim Start von Luftfahrzeugen mit Triebwerken, die Abgasturbinen zum Antrieb von Aufladevorrichtungen enthalten, einen durch einen Feuerstrahl beschleunigten Luftstrom in das Abgassystem zu richten, um die Leistung des Abgasturboladers anzuheben, bei gleichzeitiger Sen­ kung des Auspuffgegendruckes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine verfahrens­ gemäße Brennkraftmaschine aufzuzeigen, bei dem bereits aus dem Leerlauf oder einem vorausgegangenem Schubbetrieb der Brennkraft­ maschine heraus eine verzögerungslose Ladedruckanhebung erzielt wird, die eine vehemente Beschleunigung der Brennkraftmaschine aus dem Schubbetrieb oder Leerlaufbetrieb heraus sicherstellt.

Die verfahrensgemäße Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentan­ spruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, daß durch die Kombination einer zusätzlichen Luftzufuhr und Brennstoffzufuhr in Verbindung mit einer Wassereinspritzung bereits im Leerlaufbetrieb ein Ladedruck aufbaubar ist, der beim Öffnen der Drosselklappe beim Beschleunigen eine verzögerungsfreie, vehemente Beschleunigung der Brennkraftmaschine sicherstellt. Das gleiche trifft dann zu, wenn die Brennkraftmaschine nach einem vorangegangenen Schubbetrieb bei nahezu oder geschlossener Drosselklappe gegebenenfalls mit Vollast wieder beschleunigt wird. Auch hier bleibt während des Schubbetrie­ bes, bei dem bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen der Ladedruck stark abfällt, ein hoher Ladedruck erhalten.

Besonders zweckmäßig wird die Flüssigkeit in das Abgasleitungs­ system gemäß Anspruch 2 stromab der Brennstoff- und Luftzufuhr, jedoch stromauf der zumindest einen Turbine zugeführt. Die Flüssig­ keitszufuhr erfolgt demzufolge an der heißesten Stelle des Abgas­ leitungssystems, wodurch eine schnelle effiziente Verdampfung sichergestellt ist.

Eine verfahrensgemäße Brennkraftmaschine ist im Patentanspruch 3 angeführt. In besonders vorteilhafter und einfacher Weise wird da­ bei sowohl die Anhebung des Brennstoffanteiles als auch die Wasser­ einspritzung durch das die Zusatzluft steuernde Ventil gesteuert.

Dies ergibt einen relativ geringen Teile- und Steuerungsaufwand, der eine zuverlässige Funktion sicherstellt. Zweckmäßig kann dieses Ventil entsprechend den Merkmalen des Anspruches 4 gesteuert wer­ den, wodurch sowohl der Leerlaufbetrieb als auch der Schubbetrieb zuverlässig und ausreichend genau erkannt und die Brennstoffanhe­ bung sowie die Wassereinspritzung entsprechend steuerbar sind.

Gemäß den Ansprüchen 5 und 6 kann die Steuerung der Wasserein­ spritzung elektronisch und mittels eines Taktventiles erfolgen, so daß eine relativ genaue Zumessung ermöglicht ist. Es hat sich ge­ zeigt, daß eine genaue Zumessung der Wassereinspritzung zum Brenn­ stoff- und Luftanteil von Bedeutung ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt eine verfahrensgemäße Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung.

Eine fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine 2 mit Zylindern I bis V ist abgasseitig über ein Abgasleitungssystem 4 und einlaßseitig über eine Ladeluftleitung 6 mit einem Abgasturbolader 8 verbunden. Das Abgasleitungssystem 4 setzt sich aus jeweils an die Brennkraftmaschine angeflanschten Einzelleitungen 10 zusammen, welche in eine gemeinsame Sammelleitung 12 einmünden. Die Sammelleitung 12 ist über eine weitere Abgasleitung 14 mit dem Gehäuse 16 der Abgasturbine des Abgasturboladers 8 verbunden. Von der Abgasleitung 14 zweigt eine Bypassleitung 18 ab, welche stromab des Gehäuses 16 in eine das Abgas abführende Abgasleitung 21 einmündet. Die Bypassleitung 18 wird von einem Bypassventil 20 gesteuert, welches Bypassventil 20 abhängig vom Ladedruck stromauf einer in der Ladeluftleitung 6 angeordneten, willkürlich steuerbaren Drosselklappe 22 gesteuert ist.

Die Abgasturbine des Abgasturboladers 8 treibt einen Verdichter an, an dessen Gehäuse 24 einströmseitig eine Verbrennungsluftleitung 26 angeschlossen ist, in welcher ein Luftmassenmesser 28 als Teil einer Brennstoffzumeßeinrichtung 30 und ein Luftfilter 32 angeordnet sind.

In dem Ladeluftleitungssystem 6 sind ausgehend vom Verdichtergehäuse 24 ein Ladeluftkühler 34 und die willkürlich steuerbare Drosselklappe 22 angeordnet. Die Ladeluftleitung 6 mündet in ein Saugrohr 36 mit entsprechend zu den Einlässen der Brennkraftmaschine angeordneten Einzelleitungen 38. In die Einzelleitungen 38 ragen Einspritzventile 40, welche von der Brennstoff-Zumeßeinrichtung 30 angesteuert sind. Im übrigen und soweit nicht beschrieben ist die Brennstoff-Zu­ meßeinrichtung 30 bekannter Bauart.

In die Brennräume der Zylinder I bis V ragen Zündkerzen 42, die mit einem Zündsteuergerät 44 verbunden sind.

Von der Ladeluftleitung 6 zweigt stromab des Verdichters eine Umluftleitung 46 ab, in welcher ein Ventil 48 mit einem elektrischen Stellmotor 50 angeordnet ist. Die Umluftleitung 46 mündet in eine jede Einzelleitung 10 des Abgassystemes 4, wobei an die Mündungen jeweils innerhalb der Einzelleitungen 10 Rohrabschnitte 52 angeschlossen sind, welche in Richtung der Zylinder I bis V bis nahe an deren Brennräume reichen. Das Ventil 48 steuert den Durchströmquerschnitt durch die Umluftleitung 46, wobei der bewegliche Ventilteil 54 von dem Stellmotor 50 entsprechend betätigt wird.

Der elektrische Stellmotor 50 ist über eine Leitung 56 mit einer elektronischen Steuereinheit 70 verbunden, welche in nicht darge­ stellter Weise einen Mikroprozessor, Kennfeld-Speichereinheiten sowie die entsprechenden logischen Verknüpfungsschaltungen enthält. In die elektronische Steuereinheit 70 werden über einen Sensor 72 der Ladedruck stromauf der Drosselklappe 22, über einen Sensor 74 der Ladedruck stromab der Drosselklappe 22, über einen Sensor 76 die Drosselklappenstellung, über einen weiteren Sensor 78 die Drehzahl der Brennkraftmaschine, über einen Sensor 80 die Abgastemperatur in der Sammelleitung 12 sowie über die Temperatursensoren 82, 84 die Temperatur der Brennkraftmaschine 2 und des Abgasturboladers 8 eingegeben.

In die Abgassammelleitung 14 des Abgasleitungssystems 12 ragen mehrere, umfangsmäßig verteilte Einspritzdüsen 90, welche übere einen Leitungsverbund 92 mit einem elektrischen Taktventil 94 verbunden sind. Das Taktventil 94 ist an eine Pumpe 96 angeschlossen, welche Wasser aus einem Reservoir 98 fördert. Die auf der Druckseite der Pumpe 96 zum Taktventil führende Leitung ist über ein Überdruckventil 100 ebenfalls mit dem Reservoir 98 verbunden. Das Taktventil 94 wird von der elektronischen Steuereinheit 70 nach Maßgabe der von den Sensoren gelieferten Daten gesteuert. Durch die umfangsmäßige Verteilung der Einspritzdüsen 90 ergibt sich eine besonders wirkungsvolle und schnelle Verdampfung des eingespritzten Wassers.

Die Steuereinheit 70 errechnet aus den eingegebenen Werten das Maß der Brennstoffanhebung und steuert entsprechend über eine Leitung 86 die Brennstoff-Zumeßeinrichtung 30 an. Zugleich mit dem Anheben der Brennstoff-Zumessung wird über eine weitere Leitung 88 das Zündsteuergerät 44 angesteuert und dadurch der Zündzeitpunkt in Richtung spät verschoben.

Bei im Leerlaufbetrieb arbeitender Brennkraftmaschine 2 ist die Drosselklappe 22 nahezu vollständig geschlossen, was der elektroni­ schen Steuereinheit 70 über den Sensor 76 mitgeteilt ist. Dadurch wird über den elektrischen Stellmotor 50 der bewegliche Ventilteil 54 in Öffnungsrichtung verstellt, so daß ein Anteil der von dem Verdichter geförderten Ladeluft über die Umluftleitung 46 in die Abgas-Einzelleitungen 10 eingeblasen wird; die Frischluft strömt dabei durch die Leitungsabschnitte 52 entgegen der Strömungsrichtung der Abgase, so daß eine innige Vermischung stattfindet.

Zugleich wird über die elektronische Steuereinheit 70, welcher über die Sensoren 72, 74 die Druckdifferenz in der Ladeluftleitung 6 übermittelt wird, die Brennstoff-Zumeßeinrichtung 30 im Sinne einer Anhebung des Brennstoffanteiles des von dem Luftmassenmesser 28 eingestellten Brennstoff-Luftgemisches angesteuert. Durch die daraus resultierende Überfettung des den Zylindern I bis V zugeführten Brennstoff-Luftgemisches wird eine Nachverbrennung in den Abgas-Einzelleitungen 10 bewirkt. Ferner wird über die elektronische Steuereinheit 70 das Zündgerät 44 angesteuert und der Zündzeitpunkt in Richtung spät verschoben, so daß gleichzeitig die Abgastemperatur erhöht ist.

Durch die somit vergrößerte Abgasmenge wird die Drehzahl des Abgas­ turboladers und damit die Förderleistung des Verdichters erhöht, so daß der Ladedruck stromauf der Drosselklappe 22 in erheblichem Maße ansteigt. Ferner wird ab einer vorbestimmten Abgastemperatur über die elektronische Steuereinheit 70 das Taktventil 94 der Flüssigkeits-Zufuhreinrichtung angesteuert, wodurch das von der Pumpe 96 geförderte Wasser über das Taktventil 94 und die Leitungen 92 den Einspritzventilen 90 zugeführt und über diese in die Abgassammelleitung 14 eingespritzt wird. Durch das Taktventil wird dabei eine dem Leerlauf der Brennkraftmaschine entsprechende, geringere Menge Wasser eingespritzt. Die erforderliche Wassermenge wird in der elektronischen Steuereinheit abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 und dem Öffnungsquerschnitt des Ventiles 48 in die Umluftleitung 46 berechnet.

Wird nunmehr durch Öffnen der Drosselklappe 22 die Brennkraftma­ schine beschleunigt, so ist nahezu verzögerungsfrei ein hoher Füllungsgrad der Zylinder I bis V sichergestellt.

In der Beschleunigungsphase der Brennkraftmaschine 2 ist das Ventil 48 geöffnet, wobei mit zunehmender Drehzahl auch dessen Öffnungsquerschnitt zunimmt. Gleichbedeutend damit nimmt auch die eingespritzte Wassermenge zu. Wird eine vorbestimmte Drehzahlschwelle oder ein vorbestimmter Ladedruck erreicht, so wird das Ventil 48 durch den elektrischen Stellmotor 50 geschlossen und gleichzeitig die Einspritzung von Wasser beendet.

Durch die Temperatursensoren 82, 84 wird die Temperatur des Abgas­ turboladers 8 bzw. der Brennkraftmaschine 2 überwacht und bei Überschreiten einer oberen Temperaturschwelle die Verschiebung des Zündzeitpunktes auf spät sowie die Anhebung des Brennstoffanteiles unterbunden. In diesem Falle wird in das Abgassystem 4 nur Frischluft eingeblasen, welche zur Kühlung des Abgasturboladers 8 beiträgt. Desgleichen wird bei Überschreiten der Pumpgrenze des Verdichters das Ventil 48 voll geöffnet. Gegebenenfalls kann auch das Taktventil 94 der Flüssigkeits-Zuführeinrichtung entsprechend angesteuert werden.

Auch in der Schubphase der Brennkraftmaschine 2, welche durch den Drehzahlsensor 78 und den Drosselklappensensor 76 angezeigt ist, wird die Leistung des Abgasturboladers 8 entsprechend der vorbeschriebenen Weise erhöht. Dabei kann es gegebenenfalls angezeigt sein, durch eine entsprechende, automatische Öffnung der Drosselklappe 22 auch eine Mindestfüllung der Zylinder I bis V bzw. einen bestimmten Abgasdurchsatz sicherzustellen. Selbstverständlich darf die Öffnung der Drosselklappe nur soweit erfolgen, daß eine gewisse Bremsleistung der Brennkraftmaschine erhalten bleibt.

Die Anhebung des Brennstoffanteiles sowie die Verstellung des Zündzeitpunktes nach spät können entsprechend dem Durchsatz durch das Umluftventil 46 modifiziert werden. Dazu könnte über einen weiteren Sensor die Stellung des beweglichen Ventilteiles 54 erfaßt und der elektronischen Steuereinheit 70 übermittelt werden. Ferner können gegebenenfalls mittels eines Kennfeldes die Drehzahl sowie der Druck in der Ladeluftleitung 6 und im Abgassystem 4 mittels des Sensors 80 bei der Modifizierung der Brennstoffzumessung und des Zündzeitpunktes berücksichtigt werden. Ist die Brennkraftmaschine bereits mit einer elektronischen Kennfeld-Zündung und einer elektronischen Einspritzanlage versehen, welche über ein einheitliches Steuergerät gesteuert werden, so können die von der elektronischen Steuereinheit 70 ausgeführten Funktionen unmittelbar in dieses Steuergerät eingeschrieben sein und sowohl die Brennstoffzumessung als auch die Zündung nach Maßgabe der relevanten Sensoren modifiziert sein.

Sollte die Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern ausgerüstet sein, welche in eine gemeinsame Ladeluftleitung fördern, so kann es ausreichen, bei getrennt geführten Abgasleitungen zu den Turbinen nur in die eine Abgasleitung zur einen Abgasturbine Umluft einzublasen und nur den Brennstoffanteil der daran angeschlossenen Zylinder der Brennkraftmaschine zu erhöhen sowie entsprechend über die Flüssigkeits-Zufuhreinrichtung Flüssigkeit in das Abgasleitungssystem einzuspritzen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboauf­ ladung, mit einem Abgasleitungssystem zu einer Turbine zumindest eines Abgasturboladers und einem Ladeluftleitungssytem, in wel­ ches zumindest ein von der Turbine angetriebener Verdichter för­ dert, wobei zur Leistungssteigerung der Turbine in Beschleuni­ gungsphasen der Brennkraftmaschine zeitweilig eine verdampfbare Flüssigkeit, insbesondere Wasserm eingebracht wird, ge­ kennzeichnet durch die folgenden, zum Teil bekannten Merkmale:

• a) die Flüssigkeitszufuhr erfolgt bereits im Schubbetrieb, bei Leerlauf und gegebenenfalls in der unteren Teillast der Brennkraftmaschine,
• b) es wird zusätzlich bei diesen Betriebsbedingungen Luft und Brennstoff in das Abgassystem eingeleitet,
• c) die Flüssigkeitszufuhr erfolgt darüber hinaus abhängig von der Temperatur des Abgases im Abgasleitungssystem und/oder von der zusätzlich eingebrachten Luft und/oder dem zuge­ führten Brennstoff.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeit in das Abgasleitungs­ system stromab der Brennstoff- und Luftzufuhr, jedoch stromab der zumindest einen Turbine zugeführt wird.

3. Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einer Flüssigkeits-Einspritzvorrichtung, ge­ kennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) zwischen dem Abgasleitungssystem (4) und dem Ladeluftlei­ tungssystem (6) ist eine Umluftleitung (46) vorgesehen, welche mittels eines Ventiles (48) steuerbar ist;
• b) die Brennstoffversorgung (30) der Brennkraftmaschine (2) ist mit dem Ventil (48) funktionsmäßig verknüpft, so daß bei geöffnetem Ventil (48) der Brennstoffanteil des Brenn­ stoff-Luftverhältnisses der Brennkraftmaschine (2) erhöht ist;
• c) die Flüssigkeits-Einspritzvorrichtung (90, 94, 96, 98) ist bei geöffneten Ventil (48) in Betrieb, wobei
• d) der zusätzliche Brennstoffanteil an die eingebrachte Flüs­ sigkeitsmenge abhängig vom Öffnungsquerschnitt bzw. vom Luftdurchsatz des Ventiles (48) in der Umluftleitung (46) gesteuert ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventil (48) abhängig vom La­ dedruck stromab und stromauf der Drosselklappe (22), von der Dreh­ zahl und der Last der Brennkraftmaschine gesteuert ist.

5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 3 und 4, gekenn­ zeichnet durch eine elektronische Steuereinheit (70), welche das Ventil (48) in der Umluftleitung (46) und ein Taktventil (94) der Flüssigkeits-Einspritzvorrichtung steuert.

6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (48) in der Umluftleitung (46) und das Taktventil (97) der Flüs­ sigkeits-Einspritzvorrichtung auch bei kritischen Betriebszustän­ den (Übertemperatur, Pumpen) des Abgasturboladers (8) einzeln oder gemeinsam geöffnet sind.