DE3627686A1

DE3627686A1 - Brennkraftmaschine mit einem abgasturbolader

Info

Publication number: DE3627686A1
Application number: DE19863627686
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Ing Scherenberg
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1986-08-14
Filing date: 1986-08-14
Publication date: 1987-11-12

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Aus der DE-OS 34 37 497 ist eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenen Gattung be kannt. Bei dieser Brennkraftmaschine ist ferner in der Ab gasleitung eine Bypassleitung zur Umgehung der Turbine des Turboladers angeordnet, deren Durchlaßquerschnitt über ein elektronisch angesteuertes Ventil veränderbar ist. Die Steuerung dieses Ventils erfolgt dabei derart, daß während der Warmlauf phase der Brennkraftmaschine nicht so hohe Ladedrücke erreicht werden können wie bei betriebswarmer Brennkraftmaschine. Als Folge davon stellen sich in dieser Phase auch nur re lativ niedere Ladelufttemperaturen ein. Dies und in ver stärktem Maße der in der Ladeluftleitung angeordnete Lade luftkühler bewirken somit, daß die Ladelufttemperaturen bei kalter Brennkraftmaschine relativ nieder bleiben und während der Warmlaufphase auch nur langsam ansteigen können. Die in diesen Betriebszuständen kühle Ladeluft ist unter anderem mitverantwortlich für eine schlechte Gemischauf bereitung, wodurch eine stärkere Gemischanreicherung er forderlich wird, was wiederum eine erhöhte Schadstoffemis sion nach sich zieht.

Eine minimale Verbesserung dieser Nachteile, zumindest in höheren Last- und Drehzahlbereichen ist zwar bei der nach der DE-OS 26 50 033 offenbarten Brennkraftmaschine gegeben, denn die Steuerung eines ebenfalls in der Abgasleitung an geordneten Bypassventils erfolgt hier in genau umgekehrter Weise wie nach der DE-OS 34 37 497, nämlich so, daß während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine das Bypassventil erst bei höheren Ladedrücken geöffnet wird als bei warmer Brennkraftmaschine; da sich jedoch im unteren Teillastbereich und insbesondere im Leerlauf ohnehin nur geringe Ladedrücke einstellen, ist speziell in diesen Betriebsbereichen, auch mit einer in der DE-OS 26 50 033 beschriebenen Bypassventilsteuerung, eine Be seitigung der genannten Nachteile nicht zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenn kraftmaschine der im Oberbegriff des Hauptanspruches be schriebenen Art zu schaffen, bei der während der Warm laufphase über deren gesamten Last- und Drehzahlbereich eine relativ hohe Ladelufttemperatur gewährleistet ist, aber den noch bei betriebswarmer Brennkraftmaschine keinerlei Pro bleme aufgrund zu hoher Ladelufttemperaturen auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Bypassleitung ist es möglich, während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine den Lade luftkühler zu umgehen, wodurch eine Absenkung der Lade lufttemperatur verhindert wird. Daraus resultiert eine ver besserte Gemischaufbereitung. Folglich kann die Gemischan reicherung verringert werden, womit eine Reduktion des Schadstoffausstoßes, insbesondere an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd erzielt wird. Infolge der jetzt schneller ansteigen den Ladelufttemperatur, steigt natürlich auch die Abgas temperatur schneller an, was sich günstig auf einen gege benenfalls in der Abgasleitung angeordneten Katalysator auswirkt, der auf diese Art früher auf seine Anspringtem peratur gebracht wird.

Ist die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine einmal erreicht, wird die Bypassleitung mittels eines geeigneten Ventilgliedes versperrt und die gesamte Ladeluft über den Ladeluftkühler geführt. Damit ist gesichert, daß keinerlei Nachteile, wie sie durch zu hohe Ladelufttemperaturen her vorgerufen werden, auftreten können, wie z. B. das Klopfen, Beschädigungen des Katalysators infolge zu hoher Abgastempera turen oder ein verschlechterter Liefergrad aufgrund einer zu starken temperaturbedingten Absenkung der Ladeluftdichte. Die Ladeluftleitung nach Erreichen einer ersten Grenztempe ratur kontinuierlich freizugeben hat den Vorteil, daß sich die Ladelufttemperatur, - auch kurzfristig - nicht durch eine zu starke Abkühlung der Ladeluft in dem anfangs noch kalten Ladeluftkühler verringert.

Die Verwendung eines Zwei-Wegeventils, welches nach Er reichen einer vorgegebenen Brennkraftmaschinengrenztempera tur die Bypassleitung verschließt und die gesamte Ladeluft über den Ladeluftkühler führt, stellt eine sehr einfache und daher auch kostengünstige Lösung dar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraft maschine ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel in einer Prinzipdar stellung und

Fig. 2 in einem Flußdiagramm die Arbeitsweise der in Fig. 1 mit 11 bezeichneten Steuereinheit.

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine mittels eines Abgasturboladers 2 aufgeladene gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit einer Abgas- 3 und einer Ladeluftleitung 4. Stromab des in der Ladeluftleitung 4 angeordneten Verdichters 5 des Abgas turboladers 2 ist ein Ladeluftkühler 6 angeordnet. Zwischen diesem und dem Verdichter 5 zweigt von der Ladeluftleitung 4 eine den Ladeluftkühler 6 umgehende Bypassleitung 7 ab, die stromab des Ladeluftkühlers 6 wieder in die Ladeluftlei tung 4 einmündet. An der Abzweigstelle 8 ist ein elektromag netisch wirkendes Zwei-Wegeventil 9 angeordnet, das mit seinen beiden Schaltstellungen A und B entweder die Bypass leitung 7 verschließt oder den Ladeluftkühler 6 abtrennt. In Fig. 1 sind die beiden Schaltstellungen A und B ge strichelt eingezeichnet, wobei A die die Bypassleitung ver schließende und B die den Ladeluftkühler 6 abtrennende Stellung kennzeichnet.

Das Ventil 9 wird über die Steuerleitung 10 von einer elek tronischen Steuereinheit 11 betätigt, welcher über die Meß wertleitungen 12 mittels geeigneter Sensoren die Brennkraft maschinenlast über den Drehwinkel α einer in der Ladeluftleitung an geordneten Drosselklappe 13 (Sensor 14), die Brennkraftma schinendrehzahl n (Sensor 15) die Brennkraftmaschinentem peratur T _BKM bzw. die Temperatur des Kühlwassers (Sensor 16), der Ladedruck p _L (Sensor 17) und gegebenenfalls Klopfsignale KS (Klopfsensor 18) zugeführt werden.

In der Abgasleitung 3 ist stromauf der Turbine 19 des Tur boladers 2 eine weitere Bypassleitung 20 zur Umgehung der Turbine 19 abgezweigt, die stromab letzterer 19 wiederum in die Abgasleitung 3 einmündet. Der Durchlaßquerschnitt dieser Bypassleitung 20 kann dabei über ein in ihr angeordnetes Ladedruck-Regelventil 21 variiert werden, welches unter Zwi schenschaltung eines von der Steuereinheit 11 angesteuerten Magnetventils 22 gegen die Kraft einer vorgespannten Feder 23 mit Hilfe des Ladedruckes geöffnet werden kann. Dazu wird das Magnetventil 22 über eine Steuerleitung 24 mit einem bestimmten Tastverhältnis erregt, das von der Steuereinheit 11 in Ab hängigkeit der von den Sensoren 14 bis 18 erfassten Betriebs parameter ermittelt wird. Das Magnetventil 22 ist so aus gelegt, daß das Ladedruck-Regelventil 21 bei einem Tastver hältnis gleich 0 in Schließstellung ist und mit steigendem Tastverhältnis zunehmend über den gerade herrschenden Lade druck in der Pneumatikleitung 25 geöffnet wird.

Während des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 wird das Zwei-Wegeventil 9 von der Steuereinheit 11 so angesteuert, daß es bis zum Erreichen einer vorgegebenen Grenztempera tur T _gr der Brennkraftmaschine 1 in der Stellung B gehalten wird, so daß also während der Warmlaufphase der Brennkraft maschine 1 die gesamte Ladeluft ausschließlich durch die Bypassleitung 7 strömt.

Nach Überschreiten dieser Grenztemperatur T _gr, die z. B. bei 70°C Kühlwassertemperatur liegen kann, erzeugt die Steuereinheit 11 dann ein Signal, welches das Ventil 9 in die Stellung A bringt, womit die Bypassleitung 7 abgetrennt ist und die Ladeluft ausschließlich über den Ladeluftkühler 6 geleitet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ebenso mög lich das Ventil 9 nach Erreichen einer ersten Grenztempera tur T _{gr 1} der Brennkraftmaschine 1 kontinuierlich in Rich tung der die Bypassleitung 7 verschließenden Stellung A zu führen, wobei die Schließstellung A mit Überschreiten einer zweiten Grenztemperatur T _{gr 2} erreicht ist. Dies kann z. B. über einen von der Steuereinheit 11 entsprechend angesteuer ten Servomotor geschehen, welcher ein geeignet ausgelegtes Ventilglied betätigt.

Die Anhebung der Ladelufttemperatur während der Warmlauf phase der Brennkraftmaschine wird in höheren Lastbereichen zusätzlich noch dadurch beschleunigt, indem in diesen Be triebsbereichen über eine entsprechende Ansteuerung des Ladedruck-Regelventils 21 erhöhte Ladedrücke realisiert wer den. Es ist daher vorgesehen, das Ventil während der Warm laufphase solange in Schließstellung zu halten, solange ein zulässiger Grenzladedruck P _LG noch nicht überschritten ist. Ist die vorgegebene Grenztemperatur T _gr überschritten, so erfolgt die Steuerung des Ladedruck-Regelventils 21 auf einen für die Brennkraftmaschine hinsichtlich ihrer Leistung und ihres Wirkungsgrades optimalen Ladedruck, der insbesondere im Teillastbereich relativ weit unter dem Grenz ladedruck p _LG liegt, da in diesen Betriebsbereichen ein ho her Ladedruck vor der Drosselklappe 13 infolge ihrer nahe zu geschlossenen Stellung ohnehin nicht nutzbar ist. Die temperaturabhängige Ansteuerung des Ventils 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel so realisiert, daß in einem Festwertspeicher der Steuereinheit 11 zwei Ladedruckkenn felder abgelegt sind, die in Abhängigkeit der Brennkraft maschinentemperatur T _BKM aktiviert werden.

Die Steuerung des Ladedruck-Regelventils 21 auf einen er höhten Ladedruck während der Warmlaufphase der Brennkraft maschine erfolgt über den gesamten Last- und Drehzahlbereich. Es ist ebenso denkbar die Steuerung auf einen erhöhten Ladedruck nur innerhalb eines vorgegebenen Last- und Drehzahlbereiches durchzuführen.

Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise der Steuereinheit 11 in einem Flußdiagramm 26. Die Steuerung wird mit dem Start der Brennkraftmaschine 1 aktiviert, wonach zuerst im Eingabe block 27 die erforderlichen Parameter eingelesen werden. Es sind dies im einzelnen die Brennkraftmaschinentempera tur T _BKM, die Auslenkung α der Drosselklappe als Maß für die Brennkraftmaschinenlast, die Brennkraftmaschinendreh zahl n, der Ladedruck p _L und gegebenenfalls Klopfsignale KS. Im daran anschließenden Verzweigungsblock 28 erfolgt die Überprüfung, ob die Brennkraftmaschinentemperatur T _BKM einen vorgegebenen Grenzwert T _gr bereits überschritten hat. Ist dies noch nicht der Fall, wird im Block 29 das Zwei- Wegeventil 9 so angesteuert, daß es in die den Ladeluft kühler abtrennende Stellung B geht, bzw. auch in dieser Stellung B bleibt, falls es sich schon in dieser Stellung befindet. Danach wird im Block 30 dasjenige Ladedruckkenn feld 31 aktiviert, durch welches über das Ladedruck-Regel ventil 21 erhöhte Ladedrücke erreicht werden (siehe Be schreibung zu Fig. 1). Daran im Anschluß verzweigt die Steuerung wieder zum Eingabeblock 27 zur erneuten Eingabe der aktuellen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1. Ist die im Verzweigungsblock 28 gestellte Bedingung er füllt, so wird das Zwei-Wegeventil 9 über den Block 32 in die die Bypassleitung 7 verschließende Stellung A gebracht, wonach die Steuerung im Block 33 das Ladedruckkennfeld 34 aktiviert, durch welches ein im Bezug auf die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimaler Ladedruck realisiert wird (siehe Beschreibung zu Fig. 1). Die Rege lung des Ladedruckes durch entsprechende Einstellung des Ventiles 21 erfolgt über einen PI-Regler. Anschließend wer den im Eingabeblock 27 erneut wieder die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine eingelesen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner mög lich, anstelle eines an der Abzweigstelle 8 angeordneten Ventilgliedes in die Bypassleitung 7 ein Absperrventil ein zusetzen, welches z. B. als Drosselklappe ausgebildet sein kann. Während der Warmlaufphase wird dieses dann in der Öffnungsstellung gehalten, wodurch nahezu der gesamte Lade luftstrom über die Bypassleitung 7 geführt wird. Ist die Warmlaufphase beendet, so verschließt das Absperrventil die Bypassleitung 7. Damit erfolgt jetzt wieder eine Kühlung des gesamten Ladeluftstromes in dem Ladeluftkühler 6. Das Absperrventil kann auch nach Erreichen einer ersten Brennkraftmaschinengrenztemperatur T _{gr 1} mit ansteigender Brennkraftmaschinentemperatur T _BKM aus der Öffnungsstellung kontinuierlich in Schließstellung überführt werden, wobei letztere wiederum erreicht ist, sobald eine zweite Brenn kraftmaschinengrenztemperatur T _{gr 2} überschritten wird. Auch bei dieser Ausführungsvariante kann das Absperrventil über einen von der Steuereinheit angesteuerten Stellantrieb betätigt werden.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Ver dichter in einer Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine an geordnet ist, mit einem in der Ladeluftleitung stromab des Verdichters angeordneten Ladeluftkühler und mit einer ein der Temperatur der Brennkraftmaschine entsprechendes Sig nal aufnehmenden elektronischen Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß von der Ladeluftleitung (4) zwischen dem Verdichter (5) und dem Ladeluftkühler (6) eine den Ladeluftkühler (6) um gehende Bypassleitung (7) abgezweigt ist, und daß während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine (1) bis zum Er reichen einer vorgegebenen ersten Brennkraftmaschinengrenz temperatur der gesamte oder nahezu der gesamte Ladeluft strom über die Bypassleitung (7) geführt wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß oberhalb einer vorgegebenen zweiten Brennkraftmaschinen grenztemperatur der gesamte Ladeluftstrom über den Ladeluft kühler (6) geführt wird.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennkraftmaschinengrenztemperatur gleich der zweiten ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abzweigung (8) der Bypassleitung (7) ein Ven tilglied (9) angeordnet ist, welches von einem Stellantrieb aus betätigbar ist, der wiederum von einem von der Steuer einheit (11) erzeugten Stellwertsignal angesteuert wird.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (9) als Zwei-Wegeventil ausgebildet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (9) nach Überschreiten der ersten Grenz temperatur mit steigender Brennkraftmaschinentemperatur bis hin zum Erreichen der zweiten Grenztemperatur kontinuier lich aus der die Ladeluftleitung (4) verschließenden Stel lung (B) in die die Bypassleitung (7) verschließende Stel lung (A) überführt wird.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Bypassleitung (7) ein Absperrventil an geordnet ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil über einen Stellantrieb betätigbar ist, der wiederum von einem von der Steuereinheit (11) erzeugten Stellwertsignal angesteuert wird.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil unterhalb der ersten Brennkraftma schinengrenztemperatur in Öffnungsstellung und oberhalb der zweiten Brennkraftmaschinengrenztemperatur in Schließ stellung ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil nach Überschreiten der ersten Grenz temperatur mit steigender Brennkraftmaschinentemperatur bis hin zum Erreichen der zweiten Grenztemperatur konti nuierlich aus der Öffnungsstellung in die Schließstellung überführt wird.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil als Drosselklappe ausgebildet ist.