DE3639090C1 - Internal combustion engine with exhaust turbocharger - Google Patents

Description

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

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 33 03 350 bekannt. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, daß bei Ver­ wendung eines relativ klein dimensionierten Turboladers durch dessen Verdichter in höheren Drehzahlbereichen nicht die Menge an Frischgas gefördert werden kann, die die Brenn­ kraftmaschine anzusaugen imstande ist. In diesen Betriebs­ zuständen wirkt der Verdichter daher als Drossel, so daß nur ein schlechter Liefergrad gegeben ist. Wird, um diesen Mißstand hingegen zu beseitigen, ein relativ groß dimensio­ nierter Turbolader verwendet, besteht das Problem, daß im Instationärbetrieb, insbesondere beim Beschleunigen aus nie­ deren Drehzahlbereichen heraus, der Turbolader infolge großer Trägheitskräfte nur sehr schlecht anspricht, d. h. es tritt in verstärktem Maße das sogenannte "Turboloch" auf.

Es ist aus der US-PS 42 07 743 ferner bekannt, den Verdich­ ter eines Abgasturboladers über eine Bypassleitung, in wel­ cher ein Steuerventil angeordnet ist, bedarfsweise zu um­ gehen. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß im Falle der Umgehung des Laders der Abgasstrom auch weiterhin die Turbine beaufschlagt und die Brennkraftmaschine somit gegen einen erhöhten Abgasgegendruck ausschieben muß. Dieser erhöhte Abgasgegendruck führt jedoch ebenfalls zu einer Verschlechterung des Liefergrades, in verstärktem Maße vor allem in höheren Drehzahlbereichen und im Falle einer Überschneidung der Steuerzeiten von Ein- und Auslaßventil.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brenn­ kraftmaschine der im Oberbegriff des Hauptanspruches be­ schriebenen Art zu schaffen, bei der trotz der Verwendung eines relativ klein dimensionierten Turboladers in höheren Drehzahlbereichen dennoch ein relativ hoher Liefergrad er­ reichbar ist.

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

Dadurch, daß der Abgasturbolader relativ klein ausgelegt ist, spricht er im Instationärbetrieb sehr schnell an, so daß die Brennkraftmaschine auch schon beim Beschleunigungsvorgang aus niederen Dreh­ zahlbereichen heraus ein relativ hohes Drehmomentangebot zur Verfügung stellt. Gelangt die Brennkraftmaschine dagegen in Drehzahlbereiche, in denen die Durchsatzgrenze des Verdich­ ters des Abgasturboladers überschritten ist, wird sowohl das Bypassventil in der Turbinenbypassleitung, als auch das Ven­ til in der Verdichterbypassleitung geöffnet, so daß die Brennkraftmaschine ab dieser Durchsatzgrenze bis hin zur Maximaldrehzahl bzw. bis hin zum Maximalluftdurchsatz als reiner Saugmotor arbeitet. Es ergibt sich somit auch in diesen Betriebsbereichen ein hoher Liefergrad. Darüber hinaus kann die Brennkraftmaschine, da sie im hohen Drehzahl­ bereich nicht mehr aufgeladen wird, mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis ausgelegt werden.

Ferner erlaubt das schon im unteren Drehzahlbereich hohe Drehmoment eine drehzahlschonende "lange" Hinterachsüber­ setzung und führt damit in Verbindung mit dem hohen Verdich­ tungsverhältnis zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Prinzipdarstellung aufgezeigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Prinzipdarstellung aufgezeigt.

Es zeigt 1 eine gemischverdichtende 6-Zylinder-Brennkraftma­ schine mit einem Abgasturbolader 2, dessen Turbine 3 in ei­ ner Abgassammelleitung 4 angeordnet ist und der so dimensio­ niert ist, daß die Durchsatzgrenze seines Verdichters (10) bei etwa 50% der Brennkraftmaschinennenndrehzahl erreicht ist. Stromauf der Tur­ bine 3 ist von der Abgassammelleitung 4 eine die Turbine 3 umgehende Bypassleitung 5 abgezweigt, die stromab der Tur­ bine 3 wieder in die Abgassammelleitung 4 einmündet. Ge­ steuert wird der Querschnitt dieser Bypassleitung 5 über ein in ihr angeordnetes Ladedruckregelventil 6, welches in be­ kannter Art und Weise durch ein Magnetventil 8 betätigbar ist, das in einer das Ladedruckregelventil 6 mit der Verdichterdruck­ seite des Abgasturboladers 2 verbindenden pneumatischen Steuer­ leitung 7 angeordnet ist. Hierzu wird das Magnetventil 8 mit einem von einer elektronischen Steuereinheit 9 in Abhängig­ keit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 er­ mittelten Steuertastverhältnis getaktet.

An den Verdichter 10 des Abgasturboladers 2 ist auf der Druck­ seite eine Ladeluftleitung 11 angeflanscht, die in einzelne Saugrohre 12 über­ geht, in denen die einzelnen Einspritzdüsen 13 gehalten sind. Saugseitig ist der Verdichter 10 über ein Leitungsstück 14 mit der Ladeluftleitung 11 verbunden. Von diesem Leitungs­ stück 14 zweigt ein Stutzen 15 ab, auf dem ein Luftfilter 16 aufgesetzt ist. Zwischen der Abzweigstelle 17 des Stutzens 15 und der Anschlußstelle 18 des Leitungsstückes 14 an die Lade­ luftleitung 11 ist ein als Absperrklappe ausgebildetes By­ passventil 19 angeordnet, welches mit seinen beiden Schalt­ stellungen den Querschnitt des Leitungsstückes 14 entweder verschließen oder ganz freigeben kann. Angesteuert wird es über die Steuerleitung 34 durch die elektronische Steuer­ einheit 9. In der Ladeluftleitung 11 sind ferner noch ein Ladeluftkühler 20 und ein Luftmengenmesser 21 angeordnet, wobei letzterer über die Leitung 22 ein dem aktuellen Luft­ durchsatz entsprechendes elektrisches Signal an die Steuer­ einheit 9 übergibt. Als weitere Betriebsparameter werden der elektronischen Steuereinheit 9 über die Sensoren 23 und 24 und die Leitungen 25 und 26 die Brennkraftmaschinendreh­ zahl und der Ladedruck stromab einer in der Ladeluftleitung 11 angeordneten Drosselklappe 27 zugeführt.

Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 im unteren bis hin zum mittleren Drehzahlbereich ist das Bypassventil 19 in Schließstellung und das Ladedruckregelventil 6 wird in be­ kannter Weise gemäß einem in einem Speicher der Steuereinheit abgelegten Ladedruckkennfeld auf einen hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 optimalen Lade­ druck angesteuert. Die Brennkraftmaschine 1 wird somit in die­ sem Drehzahlbereich als aufgeladene Brennkraftmaschine 1 be­ trieben, d. h., die über den Luftfilter 16 und den Stutzen 15 angesaugte Luft geht über den Verdichter 10 des Turboladers 2 (Pfeil 28). Bei höheren Drehzahlen schließlich, also ab ca. 50% der Nenndrehzahl, ist die Brennkraftmaschine 1 in der Lage, eine größere Luftmenge anzusaugen, als der Verdichter 10 über­ haupt fördern kann. Bei Erreichen dieser Durchsatzgrenze des Verdichters 10 werden deshalb durch entsprechende von der Steuereinheit 9 erzeugte Stellwertsignale sowohl das By­ passventil 19 als auch das Ladedruckregelventil 6 vollstän­ dig geöffnet. Die Abgase fließen nun nahezu vollständig über die Bypassleitung 5 an der Turbine 3 vorbei, so daß der Ver­ dichter 10 des Abgasturboladers 2 fast nicht mehr angetrieben wird. Da jetzt auch das Bypassventil 19 geöffnet ist und der Verdichter 10 nicht mehr fördert, wird die Frischluft von der Brennkraftmaschine 1 über den Teil des Leitungsstückes 14, in dem das Bypassventil 19 angeordnet ist, direkt angesaugt (Pfeil 29). Die Brennkraftmaschine 1 läuft jetzt im reinen Saugbetrieb.

Um den Liefergrad in diesem Betriebszustand zusätzlich noch zu verbessern, wird das Abgas zweiflutig gesammelt und auch so ins Freie geführt, so daß die Abgase solcher Zylinder, die gerade ausgeschoben haben, infolge der Ventilüberschnei­ dung die Füllung derjenigen Zylinder, die sich gerade im Ladungswechsel befinden, nicht beeinträchtigen können. Dazu ist eine weitere Abgassammelleitung 30 vorgesehen in deren Verlauf eine über die Steuereinheit 9 betätigbare Absperr­ klappe 31 angeordnet ist. Eine weitere Absperrklappe 32 be­ findet sich an der Stelle 33 im Abgassystem. Auch sie wird über die Steuereinheit 9 betätigt. Befindet sich die Brennkraftmaschi­ ne 1 nun im Saugbetrieb, so ist die Absperrklappe 32 ge­ schlossen und die Klappe 31 geöffnet. Demzufolge werden die Abgase der ersten Zylinder I bis III durch die Sammelleitung 30 und getrennt davon die der Zylinder IV bis VI über die Sammelleitung 4 und die Bypassleitung 5 ins Freie geführt. Kommt die Brennkraftmaschine 1 in einen Drehzahlbereich in dem der Abgasturbolader 2 erneut wieder aktiviert wird, wird ausgehend von der Steuereinheit 9 die Klappe 31 geschlossen und die Klappe 32 geöffnet, so daß jetzt wieder der gesamte Abgasstrom über die Sammelleitung 4 fließt und die Turbine 3 des Abgasturboladers 2 je nach Stellung des Ladedruckre­ gelventils 6 mehr oder weniger stark beaufschlagt. Für den Fall, daß das Abgas auch im Saugbetrieb einflutig abgeführt werden soll, entfallen natürlich die beiden Absperrklappen 31 und 32 und die Sammelleitung 30. Der Wechsel von Lade- auf Saugbetrieb bzw. umgekehrt kann sowohl in Abhängigkeit eines vom Luftmengenmesser 21 erzeugten Luftdurchsatzsignals als auch in Abhängigkeit eines von dem Sensor 23 erzeugten Brenn­ kraftmaschinendrehzahlsignals vollzogen werden und er muß nicht unbedingt bei ca. 50% der Nenndrehzahl erfolgen, je­ doch sollte der Turbolader 2 zweckmäßigerweise so dimensio­ niert sein, daß die Durchsatzgrenze seines Verdichters im Bereich zwischen 30% und 60% des maximalen Luftdurchsatzes der Brennkraftmaschine 1 im Saugbetrieb liegt.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Tur­ bine in einer Abgassammelleitung und dessen Verdichter in einer Ladeluftleitung angeordnet ist mit folgenden Merkmalen:

• - stromauf der Turbine zweigt von der Abgassammelleitung eine die Turbine umgehende erste Bypassleitung ab,
• - in der ersten Bypassleitung ist ein in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ansteuerbares Turbinen-Bypassventil angeordnet,
• - unterhalb einer vorgegebenen Durchsatzgrenze des Verdich­ ters wird das Turbinen-Bypassventil gemäß eines vorgege­ benen Ladedruckkennfeldes angesteuert,

dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung einer betriebsparameterabhängigen Verdich­ terbypass-Steuerung das Verdichter-Bypassventil (19) unter­ halb der vorgegebenen Durchsatzgrenze des Verdichters (10) in Schließstellung und oberhalb dieser Durchsatzgrenze in Öff­ nungsstellung ist, wobei das Turbinen-Bypassventil (6) ober­ halb der Durchsatzgrenze in Öffnungsstellung ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Bypassventile (6 bzw. 19) durch je ein von einer Steuereinheit (9) erzeugtes Stellwertsignal be­ tätigt wird, wobei die Stellwertsignale in Abhängigkeit eines Luftdurchsatzsignals oder eines dem Luftdurchsatz ent­ sprechenden Signals ermittelt werden.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Durchsatzgrenze des Verdichters (10) ungefähr bei halber Brennkraftmaschinennenndrehzahl erreicht ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Durchsatzgrenze zwischen 30% und 60% des maximalen Luftdurchsatzes der Brennkraftmaschine (1) im reinen Saugbetrieb liegt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ladeluftleitung (11) ein der Steuereinheit (9) den aktuellen Luftdurchsatz übermittelnder Luftmengenmesser (21) angeordnet ist.