DE4120055A1

DE4120055A1 - Turboladersystem in reihenanordnung fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4120055A1
Application number: DE4120055A
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Yanagihara; Shinobu Ishiyama; Taiichi Mori; Toshiyuki Maehara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1991-06-18
Publication date: 1992-01-09
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: JPH0450433A; US5142866A; DE4120055C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Rück führung von Abgas in einer Brennkraftmaschine, die durch ein zweistufiges, in Reihe angeordnete Abgasturbolader aufweisendes System aufgeladen wird.

Bei einer bekannten, durch ein zweistufiges Turbolader system aufgeladenen Brennkraftmaschine sind ein groß- und ein kleinvolumiger Turbolader in Reihe in der Rich tung der Gasströmung angeordnet (JP-Patent-OS Nr. 50-1 29 815). Ein derartiges zweistufiges Turbolader system wird dazu verwendet, um einen weiten Bereich eines Aufladebetriebs von einem niedrigen Drehzahlbereich bis zu einem hohen Drenzahlbereich der Maschine zu erhalten. Hierbei wird, wenn die Maschinen- oder Motordrehzahl nie drig ist, ein Aufladevorgang durch einen Turbolader mit einem kleinen Fördervolumen erlangt, und wenn die Motor drehzahl hoch ist, so wird ein Aufladevorgang durch einen Turbolader mit einem großen Fördervolumen erhalten. Am kleinvolumigen Turbolader ist ein Abgas-Umgehungskanal vorgesehen, um dessen Turbine zu umgehen, und in diesem Umgehungskanal ist ein Abgas-Schaltventil angeordnet. Die ses Schaltventil schließt den Umgehungskanal, wenn die Ma schine sich in einem niedrigen Drehzahlzustand befindet, in welchem der großvolumige Turbolader noch nicht völlig aktiviert ist, so daß die gesamte Abgasströmung von der Maschine in den kleinvolumigen Turbolader geführt wird, um einen Aufladevorgang durch diesen kleinvolumigen Turbo lader zu erlangen. Wenn die Maschine in einem hohen Drehzahl zustand ist, in welchem der großvolumige Turbolader voll in Tätigkeit ist, dann öffnet das Abgas-Schaltventil den Umgehungskanal, womit die Abgasströmung um den kleinvolumi gen Turbolader herumgeführt und die Aufladewirkung allein vom großvolumigen Turbolader erhalten wird.

Es ist ferner ein Abgas-Rückführsystem bekannt, um die Menge an Stickoxydemissionen von den von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Abgasen zu vermindern, das einen einzigen Turbo lader umfaßt, wobei eine Abgasmenge von einer Maschinen- Abgasleitung an einer stromauf von der Turbine des Turbola ders befindlichen Stelle abgezogen und in eine Maschinen- Ansaugleitung eingeführt wird (JP-GM-OS Nr. 61-1 51 063). Wenn ein Abgas-Rückführbetrieb (im folgenden wird der Ein fachheit halber der Ausdruck "Abgasrückführung" mit "AR" abgekürzt) in einer Brennkraftmascnine ausgeführt wird, die mit einem zweistufigen Turboladersystem in Reihenanord nung ausgestattet ist, wie bei dem Stand der Technik für eine Brennkraftmaschine, die mit einem einzelnen Turbolader versehen ist, so kann das rückzuführende Abgas auch von der Abgasleitung an einer Stelle stromauf der Turbolader, welche in Reihe angeordnet sind, entnommen werden. In die sem Fall werden jedoch diejenigen Teile des AR-Systems, die gegenüber hohen Temperaturen weniger widerstandsfähig sind, wie eine aus Gummi gefertigte Membran eines AR-Ven tils, häufig nach einer relativ kurzen Betriebszeit ther misch beschädigt, weil das AR-System der hohen Temperatur des Abgases in dem zweistufigen Turboladersystem ausgesetzt ist. Um diese thermische Beschädigung von Teilen des AR- Systems zu vermeiden, kann das Abgas für den AR-Betrieb von der Abgasleitung der Maschine an einer stromab von den Turbinen der in Reihe angeordneten Turbolader abgezogen werden, d. h. an einer Stelle, an welcher die Abgastemperatur niedriger. ist, jedoch tritt an solch einer Stelle ein erheb licher Druckabfall im Abgas auf, so daß folglich der Druck unterschied zwischen dem Druck an der Stelle, an welcher das Abgas abgezogen wird, und der Stelle, an welcher das Abgas in die Ansaugleitung eingeführt wird, klein wird, was es schwierig macht, eine bestimmte Menge an rückzufüh rendem Abgas zu erlangen.

Es ist die primäre Aufgabe der Erfindung, ein AR-System zu schaffen, das die Möglichkeit bietet, eine gewünschte Abgasmenge umzuwälzen, während eine thermische Beschädigung von Teilen des AR-Systems verhindert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Brenn kraftmaschine geschaffen, die umfaßt: (a) einen Motorblock, (b) eine Ansaugleitung zur Zufuhr eines brennbaren Gemischs in den Motorblock, (c) eine Abgasleitung zur Abfuhr des Abgases vom Motorblock, (d) einen ersten, großvolumigen Turbolader, dessen Turbine in der Abgasleitung und dessen Kompressor in der Ansaugleitung angeordnet sind, (e) einen zweiten, kleinvolumigen Turbolader, dessen Turbine in der Abgasleitung an einer in der Strömungsrichtung des Abgases stromauf von der Turbine des großvolumigen Turboladers be findlichen Stelle und dessen Kompressor in der Ansauglei tung an einer in der Strömungsrichtung der Ansaugluft strom ab vom Kompressor des großvolumigen Turboladers befindlichen Stelle angeordnet sind, (f) einen mit der Abgasleitung verbundenen Umgehungskanal, der die Turbine des kleinvo lumigen Turboladers umgeht, (g) Abgas-Schaltventileinrich tungen, die die Abgasströmung in dem Umgehungskanal regeln, (n) auf Maschinenbetriebszustände ansprechende Einrichtun gen, die die Abgas-Schaltventileinrichtungen regulieren, um einen gewünschten Ansaugluftdruck zu erlangen, und (i) Abgas-Rückführeinrichtungen, die eine Menge an Abgas von der Abgasleitung an einer Stelle zwischen der Turbine des großvolumigen Turboladers sowie der Turbine des kleinvolu migen Turboladers abziehen und dieses Abgas in die Ansaug leitung einführen.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung einer Brenn kraftmaschine in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Flußpläne zum Betrieb des Steuergeräts von Fig. 1;

Fig. 4 eine Beziehung zwischen einer Motordrehzahl und einem Ansaugdruck, wenn ein Gaspedal völlig nieder getreten ist (ausgezogene Linie) bzw. wenn das Gas pedal teilweise niedergetreten ist (strich-punktierte Linie);

Fig. 5 mit Bezug auf eine Motordrehzahl und Motorlast eine Linie, bei welcher das Öffnen des Abgas-Schaltventils begonnen wird, eine Linie, bei welcher das Abgas- Schaltventil völlig geöffnet ist, und Linien glei cher Abgasrückführraten;

Fig. 6 die Beziehungen zwischen einer Motordrehzahl und einem Abgasdruck an verschiedenen Stellen in der Abgasleitung;

Fig. 7 eine schematische Gesamtdarstellung einer Brenn kraftmaschine in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 8 einen Flußplan einer Ansaugdruck-Steuerroutine der zweiten Ausführungsform;

Fig. 9 eine zu Fig. 5 gleichartige, jedoch auf die zweite Ausführungsform von Fig. 7 bezogene Darstellung.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform gemäß der Erfin dung in Anwendung auf einen Dieselmotor mit einem Motorblock 10, mit welchem eine Ansaugleitung 12 und eine Abgaslei tung 14 verbunden sind. Ferner sind ein großvolumiger Turbo lader 16 und ein kleinvolumiger Turbolader 18 in Reihenan ordnung vorhanden. Der großvolumige Turbolader 16 besitzt einen Kompressor 20, eine Turbine 22 sowie eine Drehwelle 24, während der kleinvolumige Turbolader 18 einen Kompres sor 26, eine Turbine 28 und eine Drehwelle 25 hat. Der Kom pressor 20 des großvolumigen Turboladers 16 und der Kompres sor 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 sind in der Ansaug leitung 12 in Richtung der Strömung der Ansaugluft hinter einander angeordnet. Stromab vom Kompressor 26 des kleinvo lumigen Turboladers 18 befindet sich ein Zwischenkühler 29. Die Turbine 28 des kleinvolumigen Turboladers 18 und die Turbine 22 des großvolumigen Turboladers 16 sind in der Abgasleitung 14 in der Richtung der Abgasströmung hin tereinander angeordnet.

Mit der Abgasleitung 14 ist ein erster Abgas-Umgehungskanal 30 verbunden, der die Turbine 22 des großvolumigen Turbola ders 16 umgeht und in welchem ein Flügelklappen-Abgasventil (Abgas-Umleitungsregelventil) 32 angeordnet ist, das die Abgasströmung zum Umgehungskanal 30 regelt. Zur Betätigung des Flügelklappen-Abgasventils 32 ist ein Membran-Stellan trieb 34 vorgesehen, der eine mit dem Ventil 32 verbundene Membran 34a und eine die Membran derart belastende Feder 34b, daß das Ventil 32 üblicherweise den Umgehungskanal 30 verschließt, aufweist. Der Stellantrieb 34 ist mit einer Kammer 34c ausgestattet, an welcher ein positiver Druck in der Ansaugleitung an einer stromab vom Kompressor 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 befindlichen Stelle ansteht, wobei dieser positive Druck auf die Membran 34a einwirkt derart, daß sie entgegen der Kraft der Feder 34b bewegt wird, wodurch das Flügelklappen-Abgasventil 32 ge öffnet wird.

Ein zweiter Abgas-Umgehungskanal 36 ist mit der Abgaslei tung 14 verbunden, um die Turbine 28 des kleinvolumigen Turboladers 18 zu umgehen, und in diesem Umgehungskanal 26 ist eine Abgas-Drosselklappe (Abgas-Schaltventil) 38 angeordnet. Für die Betätigung des Abgas-Schaltventils 38 ist ein Stellantrieb 40 vorgesehen, der als ein zweistufi ger Membranmechanismus ausgebildet ist, so daß das Abgas- Schaltventil 38 geschlossen wird, um den zweiten Umgehungs kanal 36 abzusperren, bevor der großvolumige Turbolader 16 seinen völlig aktivierten Zustand erreicht, und das Ab gas-Schaltventil 38 geöffnet wird, um den zweiten Umgehungs kanal 36 zu öffnen, wenn der großvolumige Turbolader 16 einen gänzlich aktivierten Zustand erreicnt. Der Stellan trieb 40 ist mit Membranen 40a sowie 40b und Federn 40c sowie 40d ausgestattet. Die erste Membran 40a ist mit dem Abgas-Schaltventil 38 über eine erste Stange 40e verbunden, während die zweite Membran 40b mit einer zweiten Stange 40f Verbindung hat. Die Anordnung der ersten und zweiten Stange 40e und 40f ist derart getroffen, daß die Bewegung der zweiten Stange 40f zur ersten Stange 40e hin eine Bewe gung der ersten Stange 40e zusammen mit der zweiten Stange 40f bewirkt, und die Bewegung der zweiten Stange 40f von der ersten Stange 40e weg eine unabhängige Bewegung der zweiten Stange 40f von der ersten Stange 40e hervorruft. Eine erste Kammer 40g ist auf der von der Feder 40d ent fernten Seite der zweiten Membran 40b angeordnet, und diese Kammer 40g ist mit der Ansaugleitung 12 an einer stromab vom Kompressor 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 gele genen Stelle 60 über eine Leitung 39 verbunden. Auf der von der Feder 40c entfernten Seite der Membran 40a ist eine zweite Kammer 40h ausgebildet, in welche in ausgewählter Weise ein aufgeladener Druck oder Atmosphärendruck einge führt wird, um dadurcn ein stufenartiges Öffnen des Abgas- Schaltventils 38 zu erlangen. Wenn die Kammer 40n zum Atmo sphärendruck hin geöffnet wird, so wird der Öffnungsvorgang des Abgas-Schaltventils 38 durch den Turboladedruck in der Kammer 40g geregelt, gegen welcnen die kombinierten starken Kräfte der Federn 40c und 40d wirken, so daß die Öffnungsge schwindigkeit des Abgas-Schaltventils 38 herabgesetzt wird. Wenn dagegen die Kammer 40h zum Turboladedruck geöffnet ist, so wird der Öffnungsvorgang des Abgas-Schaltventils 38 durch den Druck in der Kammer 40h geregelt, dem lediglich die schwache Federkraft von der Feder 40c entgegenwirkt, so daß die Öffnungsgeschwindigkeit des Abgas-Schaltventils 38 erhöht wird.

Mit der Ansaugleitung 12 ist ein Ansaug-Umgehungskanal 44 verbunden, der den Kompressor des kleinvolumigen Turboladers 18 umgeht und in welchem ein Ansaug-Umleitungsregelventil 46 angeordnet ist. Für den Betrieb des Umleitungsregelven tils 46 ist ein Membran-Stellantrieb 48 vorgesehen, der eine Membran 48a, die mit dem Ansaug-Umleitungsregelven til 46 verbunden ist, eine Kammer 48b auf der vom Ventil 46 entfernten Seite der Membran 48a, eine Kammer 48c auf der dem Ventil 46 nahen Seite der Membran 48a und eine Fe der 48d, welche die Membran 48a so belastet, daß das Ventil 46 geschlossen ist, umfaßt. Wie noch näher erläutert wer den wird, wird das Ansaug-Umgehungsregelventil 46 geschlos sen, wenn der kleinvolumige Turbolader 18 arbeitet, der großvolumige Turbolader 16 jedoch noch nicht seinen vollen Betriebszustand erreicht hat. Nach Erreichen dieses vollen Betriebszustands des großvolumigen Turboladers 16 wird ein positiver Druck in der dem Ventil 46 nahen Kammer 48c aufgebracht, so daß das Ansaug-Umleitungsregelventil 46 geöffnet wird.

Die Brennkraftmaschine ist mit einem AR-System versehen, welches einen AR-Kanal 50 und ein AR-Ventil 52 in diesem AR-Kanal 50 umfaßt. Das AR-Ventil 52 ist mit einer Membran 52a, einem Absperrglied 52b, das mit der Membran 52a verbun den ist, einer die Membran 52a derart belastenden Feder 52c, daß das Absperrglied 52b den AR-Kanal 50 verschließt, und einer auf der vom Absperrglied 52b entfernten Seite der Membran 52a befindlichen Kammer 52d versehen. Um das Ab sperrglied 52b zu öffnen, wird ein Unterdruck von einer Vakuumpumpe 68 in der Kammer 52d aufgebracht. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat der AR-Kanal 50 ein stromaufwär tiges Ende (Abgasabziehöffnung) 50A, das mit der Abgaslei tung 14 an einer stromab von der Turbine 28 des kleinvolu migen Turboladers 18 und stromauf von der Turbine 22 des großvolumigen Turboladers 16 befindlichen Stelle verbunden ist. Ferner hat der AR-Kanal 50 ein stromabwärtiges Ende (Abgaszufuhröffnung) 50B, das mit der Ansaugleitung 12 strom ab vom Zwischenkühler 29 verbunden ist.

Ein erstes elektromagnetisches Dreiwege-Schaltventil (VSV1) 54 regelt den Stellantrieb 34 für das Flügelklap pen-Abgasventil 32, wobei das Dreiwegeventil 54 zwischen einer ersten Position (AUS-Position), bei welcher die Kam mer 34c über ein Luftfilter 54-1 zum Atmosphärendruck geöff net wird, und einer zweiten Position (AN-Position), in welcher die Kammer 34c zum Ansaugdruck in der Ansauglei tung 12 an einer geringfügig stromauf vom Zwischenkühler 29 gelegenen Stelle 56 geöffnet wird, geschaltet wird. (Die elektromagnetischen Dreiwegeschaltventile werden im folgenden der Kürze halber als EM-Dreiwegeventile bezeich net.) Wenn das Ventil 54 in der ersten Position ist, in welcher die Kammer 34c zum Atmosphärendruck offen ist, dann wird das Flügelklappen-Abgasventil 32 durch die Kraft der Feder 34b geschlossen, und wenn das Ventil 54 in der zweiten Position ist, in welcher die Kammer 34c zum Turbola derdruck an der Stelle 56 offen ist, dann wird die Membran 34a gegen die Kraft der Feder 34b bewegt, so daß das Flügel klappen-Abgasventil 32 geöffnet wird.

Ein zweites EM-Dreiwegeventil (VSV2) 58 regelt den Druck in der Kammer 40h des Stellantriebs 40 für das Abgas-Schalt ventil 38. Dieses zweite EM-Dreiwegeventil 58 wird zwischen einer ersten Position (AUS-Position), in welcher die Kammer 40h über ein Luftfilter 58-1 zum Atmosphärendruck offen ist, und einer zweiten Position (AN-Position), in welcher die Kammer 40h zum Ansaugdruck an der Auslaßstelle 60 des kleinvolumigen Turboladers 18 offen ist, geschaltet. Es ist zu bemerken, daß die Kammer 40g ständig zum Ansaugdruck an der Auslaßstelle 60 des kleinvolumigen Turboladers 18 offen ist.

Zur Regelung des Drucks des Stellantriebs 48 für das Ansaug- Umleitungsregelventil 46 sind ein drittes und viertes EM- Dreiwegeventil 64 und 66 vorgesehen. Das dritte EM-Drei wegeventil (VSV3) 64 regelt den Druck der auf der oberen Seite der Membran 48a (vom Ventil 46 abgewandte Seite der Membran) ausgebildeten Kammer 48b, und insofern wird das Ventil 64 zwischen einer ersten Position (AUS-Position), in welcher die Kammer 48b zum Atmosphärendruck über ein Luftfilter 64-1 offen ist, und einer zweiten Position (AN-Position), in welcher die Kammer 48b zur Auslaßstelle 60 des Kompressors 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 offen ist, geschaltet. Das vierte EM-Dreiwegeventil (VSV4) 66 regelt den Druck in der mit Bezug zur Membran 48a unteren Kammer 48c (dem Ventil 46 nähergelegene Kammer 48c), und insofern wird das Ventil 66 zwischen einer ersten Position (AUS-Position), in welcher die Kammer 48cfür einen Unter druck von der durch die Kurbelwelle der Maschine 10 getrie benen Vakuumpumpe 68 offen ist, und einer zweiten Position (AN-Position), in welcher die Kammer 48c zum Auslaß 67 des Kompressors 20 des großvolumigen Turboladers 16 offen ist, geschaltet.

Ein fünftes EM-Dreiwegeventil (VSV5) 70 regelt das Arbeiten des AR-Ventils 52, wobei das Ventil 70 zwischen einer ersten Position (AUS-Position), in welcher die Kammer 52d zum At mosphärendruck über ein Luftfilter 70-1 offen ist, und einer zweiten Position (AN-Position), in welcher die Kammer 52c zum Unterdruck von der Vakuumpumpe 68 offen ist, geschal tet wird. Wie noch erläutert werden wird, hat ein an das EM-Dreiwegeventil 70 gelegtes Impulssignal eine relative Einschaltdauer (Arbeitszyklus), die so geregelt wird, daß ein gewünschtes Abgas-Rückführverhältnis (AR-Verhältnis) erhalten wird.

Ein Steuergerät 72 steuert den Turboladebetrieb gemäß der Erfindung und gibt Signale an die EM-Dreiwegeventile 54 (VSV1), 58 (VSV2), 64 (VSV3), 66 (VSV4) und 70 (VSV5) ab. Das Steuergerät 72 ist mit Fühlern zur Durchführung der erfindungsgemäßen Steuerung verbunden. Ein erster Druck fühler 78 ist vorgesehen, um den Ansaugdruck P₁ am Auslaß 67 des Kompressors 20 des großvolumigen Turboladers 16 zu ermitteln. Ein zweiter Druckfühler 80 dient dazu, den Druck P₂ der Ansaugluft am Auslaß 60 des Kompressors 26 des klein volumigen Turboladers 18 zu ermitteln. Ein Fühler 81 stellt die Drehzahl NE der Maschine (Motordrehzahl NE) fest. Ein Fühler 83 ermittelt die Motorlast, indem beispielsweise die Stellung eines (nicht dargestellten) Reglerhebels einer (nicht dargestellten) Kraftstoff-Einspritzpumpe, was eine bekannte Art einer Verbindung eines Gaspedals mit einer die durch die Kraftstoffpumpe eingespritzte Kraft stoffmenge regelnden Vorrichtung ist, bestimmt wird.

Die Arbeitsweise des Steuergeräts bei der ersten Ausführungs form wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 erläutert, wobei die Fig. 2 eine Routine zur Steuerung eines Ansaugdrucks ist. Gemäß Fig. 2 wird im Schritt 100 entschieden, ob der Druck P₂ am Auslaß 60 des Kompressors 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 größer ist als der Druck P₁ am Auslaß 67 des großvolumigen Turboladers 16. Die Fig. 4 stellt die Beziehungen zwischen der Motordrehzahl NE und den Drücken P₁ sowie P₂ an den Auslässen der Turbo lader 16 bzw. 18 dar, wenn das Ausmaß im Niederdrücken des Gaspedals unverändert beibehalten wird. Die ausgezogenen Linien geben den Druck an, wenn das Gaspedal ganz nieder getreten ist, und die gestrichelten Linien geben den Druck bei teilweise niedergetretenem Gaspedal an. Wie ohne Schwie rigkeiten zu sehen ist, ist in Übereinstimmung mit einem Anstieg in der Motordrehzahl eine Erhöhung im Auslaßdruck P₂ des kleinvolumigen Turboladers schneller als eine Erhö hung im Auslaßdruck P₁ des großvolumigen Turboladers. Demzu folge wird im Schritt 100 von Fig. 2 ein Ergebnis P₂<P₁ erhalten, wenn die Motordrehzahl niedrig ist, und demzufol ge geht die Routine zum Schritt 102, in welchem das erste EM-Dreiwegeventil 54 (VSV1) auf AUS geschaltet wird, was bewirkt, daß die Kammer 34c zum Atmosphärendruck geöffnet wird und die Feder 34b die Membran 34a zum Schließen des Flügelklappen-Abgasventils 32 belastet. Im folgenden Schritt 104 wird das zweite EM-Dreiwegeventil 58 (VSV2) auf AUS geschaltet, was dazu führt, daß die Kammer 40h zum Atmo sphärendruck geöffnet wird, wobei die Kammer 40g ständig für den Druck P₂ am Auslaß 60 des kleinvolumigen Turbola ders offen ist. Als Ergebnis dessen wirkt dem Druck P₂ in der zum Auslaß 60 des kleinvolumigen Turboladers 18 offenen Kammer 40g eine Stellkraft entgegen, die die Summe der Kräf te der Federn 40c und 40d ist. Wenn der Druck P₂ geringer als diese Stellkraft ist, d. h., die Motordrehzahl ist klei ner als ein vorbestimmter Wert NE1 oder NE1′ in Fig. 4, welche Werte einen Ansaugdruck P_SET entsprechend dieser Federkraft liefern, dann wird das Abgas-Schaltventil 38 geschlossen gehalten.

Wenn der Druck P₂ den Soll- oder Stelldruck P_SET erreicht, wird die auf die Membran 40b aufgebrachte Kraft größer als die komibinierte Stellkraft 40c und 40d, weshalb folglich die Membran 40b gegen diese kombinierte Stellkraft bewegt wird, so daß das Abgas-Schaltventil 38 allmählich geöffnet wird.

Im Hinblick auf den Betrieb des Ansaug-Umleitungsregelven tils 46 während des Zustands mit niedriger Motordrehzahl wird im Schritt 106 das EM-Dreiwegeventil 64 (VSV3) auf AN geschaltet, so daß die Kammer 48b oberhalb der Membran 48a für den Druck P₂ am Auslaß 60 des Kompressors 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 geöffnet wird, wodurch die Feder 48d die Membran 48a abwärts drückt und damit das Umleitungsregelventil 46 geschlossen wird.

Ferner wird im Schritt 108 das EM-Dreiwegeventil 66 (VSV4) auf AUS geschaltet, so daß die Kammer 48d unter der Membran 48a für den Unterdruck von seiten der Vakuumpumpe 68 geöff net wird, wodurch auf die Membran 48 eine Kraft zu ihrer Abwärtsbewegung aufgebracht wird, was das eindeutige Sitzen des Ventils 46 bei einem Schließen des Umgehungskanals 44 unterstützt.

Als Ergebnis eines Beschleunigungsvorgangs kann sich die Motordrehzahl NE auf einen Wert von NE2 oder NE2′ erhöhen, wodurch der Druck P₁ am Auslaß 67 des Kompressors 20 des großvolumigen Turboladers 16 auf den Druck P₂ am Auslaß 60 des Kompressors 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 erhöht wird (P₁=P₂). Wenn das Ergebnis im Schritt 100 NEIN lautet, so geht die Routine zum Schritt 110 über, in welchem das erste EM-Dreiwegeventil 54 (VSV1) auf AN ge schaltet wird. Als Ergebnis dessen wird die Kammer 34c zur Stelle 56 in der Ansaugleitung 12 geöffnet, und folglich wird der hier herrschende positive Druck an der Membran 34a aufgebracht, um diese gegen die Kraft der Feder 34b zu bewegen, so daß das Flügelklappen-Abgasventil 32 geöff net wird. Im foIgenden Schritt 112 wird das EM-Dreiwegeven til 58 (VSV2) auf AN geschaltet, womit ein positiver Druck am Auslaß 60 des Kompressors 26 des kleinvolumigen Turbola ders 18 in der Kammer 40h aufgebracht wird, so daß die Mem bran 40a ohne Rücksicht auf den Druck in der Kammer 40g bewegt wird. Als Ergebnis dessen wird das Öffnen des Abgas- Schaltventils 38 nun allein durch den Druck in der Kammer 40h geregelt, welchem eine Kraft der Feder 40c entgegenwirkt. was bedeutet, daß die Kraft der Feder 40d nicht ausreicht, um das Abgas-Schaltventil 38 in die Schließstellung zu be wegen. Folglich wird eine stufenweise Verminderung in der das Abgas-Schaltventil 38 in der Schließrichtung bewegen den Kraft erlangt, wodurch eine stufenweise Öffnungsbewegung des Abgas-Schaltventils 38 für ein rasches Öffnen des Ven tils 38 zur gänzlich offenen Position erhalten wird.

Schließlich läuft die Arbeitsweise zur Regelung des Ansaug- Umleitungsregelventils 46 bei der ersten Ausführungsform während des Endens des Zustandes mit hoher Drehzahl (NE<NE1′ oder NE<NE2′) folgendermaßen ab. In Fig. 2 wird im Schritt 114 das dritte EM-Dreiwegeventil 64 (VSV3) auf AUS geschaltet, so daß die obere Kammer 48b über das Luftfilter 64-1 zum Atmosphärendruck geöffnet wird, und dann wird im Schritt 116 das vierte EM-Dreiwegeventil 66 (VSV4) auf AUS geschaltet, so daß die untere Kammer 48c für den positiven Druck P₁ am Auslaß 67 des Kompressors 20 des großvolumigen Turboladers 16 geöffnet wird. Als Ergebnis dessen bewegt der positive Druck in der unteren Kammer 48d die Membran 48a gegen die Kraft der Feder 48d aufwärts, wodurch das Ansaug-Umleitungsregelventil 46 sehr schnell geöffnet wird.

Die Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und den Ansaugdrücken (Turboladerdruck) P₁ am Auslaß des Kompressors 20 des großvolumigen Turboladers 16 und P₂ am Auslaß des Kompressors 26 des kleinvolumigen Turboladers 18. Wie durch ausgezogene Linien gezeigt ist, wobei diese Linien eine Kennkurve wiedergeben, die bei völlig nieder getretenem Gaspedal erhalten wird, macht der Anstieg der Motordrehzahl NE auf den Wert von NE1 den Druck P₂ am Aus laß 60 des kleinvolumigen Turboladers gleich dem vorgege benen Wert P_SET, während der Anstieg in der Motordrehzahl NE auf den Wert NE2 den Druck P₁ am Auslaß 67 des großvo lumigen Turboladers gleich dem vorgegebenen Wert P_SET, wel cher gleich P₂ ist, macht. Wie durch gestrichelte Linien angegeben ist, wobei diese Linien eine Kennkurve angeben, die erhalten wird, wenn das Gaspedal teilweise niedergetre ten wird, macht der Anstieg der Motordrehzahl NE auf den Wert NE1′ (<NE1) den Druck P₂ am Auslaß 60 des kleinvolu migen Turboladers gleich einem vorgegebenen Wert P_SET, wäh rend der Anstieg in der Motordrehzahl NE auf den Wert von NE2′ (<NE2) den Druck P₁ am Auslaß 67 des großvolumigen Turboladers gleich dem vorgegebenen Wert P_SET, der gleich P₂ ist, macht.

Die Fig. 3 zeigt eine Routine für die Abgasrückführ-Steu erung. Im Schritt 120 wird entschieden, ob die Motordreh zahl NE größer ist als ein vorbestimmter Wert NE₀, und im Schritt 122 wird bestimmt, ob die Motorlast L größer ist als ein vorbestimmter Wert L_o. Wenn entschieden wird, daß NENE_o und LL_o ist, d. h., der Motor läuft unter niedri ger Drehzahl und im niedrigen Lastzustand, wie in Fig. 5 durch einen von einer horizontalen und vertikalen gestrichel ten Linie m1 bzw. m2 abgegrenzten Bereich dargestellt ist, dann geht, wenn ein AR-Betrieb durchgeführt werden soll, die Routine zum Schritt 124, in welchem bestimmt wird, ob das Abgas-Schaltventil 38 offen ist. Im negativen Fall geht die Routine zum Schritt 126, in welchem ein Öffnungsgrad des AR-Ventils 52 aus einer ersten Datentafel (MAP 1) berech net wird. Im anderen Fall geht die Routine zum Schritt 130, in welchem der Öffnungsgrad des AR-Ventils 52 von einer zweiten Datentafel (MAP 2) berechnet wird. Der Grund für diese Arbeitsweise einer Unterscheidung des Öffnungsgrades des AR-Ventils 52 in Übereinstimmung mit der Stellung des Abgas-Schaltventils 38 wird im folgenden erläutert.

Die Menge an AR-Gas wird grundsätzlich im Hinblick auf die Kombinationen der Motordrehzahl NE und der Motorlast L be stimmt. In Fig. 5 geben geneigte gestrichelte Linien schema tisch gleiche AR-VerhältnisIinien für Werte des AR-Verhält nisses, wie es bestimmt oder ausersehen ist, an, d. h., das AR-Verhältnis wird aus einer Kombination der Motordrehzahl NE und der Motorlast L festgelegt. Wie ohne Schwierigkeiten zu erkennen ist, ist das AR-Verhältnis um so kleiner, je höher die Motordrehzahl oder die Motorlast ist. Um die ausersehene Einstellung des AR-Verhältnisses zu erlangen, wird der Druck in der Kammer 52d des Stellantriebs 52 ge regelt, indem die Einstellung der relativen Einschaltdauer des dem EM-Dreiwegeventil 70 (VSV5) zugeführten Impulssignals geändert wird. Die relative Einschaltdauer (Arbeitszyklus) ist bekanntlich ein Verhältnis einer Dauer eines AN- Zustandes zu einer Dauer eines Zyklus des Impulssignals, das ausgegeben wird, um das EM-Dreiwegeventil 70 (VSV5) zu betreiben. Je höher die relative Einschaltdauer ist, desto länger ist die Dauer des AN-Zustandes des Impulssi gnals. Je länger die Zeitdauer ist, desto stärker ist der Unterdruck in der Unterdruckkammer 52d des Stellantriebs 52, und je stärker der Unterdruck ist, desto größer ist der Hub des AR-Absperrgliedes 52b, d. h., desto größer ist die Menge an erhaltenem rückgeführten Abgas. Es ist zu be merken, daß die erhaltene Abgasmenge nicht nur durch einen Öffnungsgrad des AR-Ventils 52, sondern auch durch einen Druckunterschied über den AR-Kanal 50, d. h. einen Unter schied zwischen dem Druck an der Abgasabziehöffnung 50A in der Abgasleitung 40 und dem Druck an der Abgaszufuhröff nung 50B in die Ansaugleitung 12, bestimmt wird. Gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform der Erfindung wird der Druck an der Abgasabziehöffnung 50A nicht durch das Öff nen oder Schließen des Abgas-Schaltventils 38, das in der Abgasleitung 14 zwischen den Turbinen 28 und 22 angeordnet ist, beeinflußt. Nichtsdestoweniger wird der Druck an der Abgaszufuhröffnung 50B durch das Öffnen und Schließen des Abgas-Schaltventils 38 beeinflußt, da der Druck an der Ab gaszufuhröffnung 50B dem Druck P₂ entspricht, wenn der Druck abfall am Zwischenkühler 29 vernachlässigt wird.

Wie ohne weiteres aus der Fig. 4 zu entnehmen ist, liegt ein stetiger Anstieg im Druck P₂ bis zur Motordrehzahl NE1 oder NE1′ vor, und dann wird der Druck P₂ im wesentlichen konstantgehalten. Das bedeutet, daß die Kennkurve von P₂ einen inkontinuierlichen, gekrümmten Abschnitt bei der Mo tordrehzahl NE1 oder NE1′ hat. Im Gegensatz hierzu hat der Druck P₄ an der Abgasabziehöffnung 50A eine nicht gekrümm te Kennkurve. Als Ergebnis dessen liegt eine inkontinuier liche Änderung im Wert des Druckunterschiedes P₄-P₂ an dem Ort vor, da das geschlossene Abgas-Schaltventil 38 ge öffnet wird. Das bedeutet, daß derselbe Wert des Öffnungsgra des des AR-Ventils 52, d. h. derselbe Wert der relativen Einschaltdauer (EGRDUTY), die Menge an rückgeführtem Abgas in einem Zustand, in welchem das Abgas-Schaltventil 38 ge schlossen ist, und in einem Zustand, in welchem das Ab gas-Schaltventil 38 geöffnet ist, ändern kann.

Demzufolge ist eine einzige Tafel von Werten der relativen Einschaltdauer entsprechend der gewünschten Einstellung des AR-Verhältnisses nicht ausreichend, um ein gewünschtes AR-Verhältnis für sowohl den geschlossenen als auch offe nen Zustand des Abgas-Schaltventils 38 zu erhalten. Deshalb werden zwei Datentafeln für die Werte der relativen Einschalt dauer vorgesehen, und zwar wird die eine zur Berechnung des AR-Verhältnisses, wenn das Abgas-Schaltventil 38 ge schlossen ist, und die andere zur Berechnung des AR-Verhält nisses, wenn das Abgas-Schaltventil 38 geöffnet ist, ver wendet. Wenn, wie aus Fig. 3 hervorgeht, im Schritt 124 entschieden wird, daß das Abgas-Schaltventil 38 geschlos sen ist, wird im Schritt 126 die erste Datentafel (MAP 1) gewählt, um die relative Einschaltdauer EGRDUTY zu berech nen, welche einen Wert der relativen Einschaltdauer des Im pulssignals zur Betätigung des EM-Dreiwegeventils 70 (VSV5), welches das AR-Ventil 52 betätigt, angibt. Diese Datentafel MAP 1 hat Werte einer relativen Einschaltdauer EGRDUTY, um einen gewünschten Wert des AR-Verhältnisses zu erlangen, welches durch Werte einer Kombination der Mo tordrehzahl NE und der Motorlast L bestimmt ist, wenn das Abgas-Schaltventil 38 geschlossen ist und das gesamte Abgas in die Turbine 28 des kleinvolumigen Turboladers 18 einge führt wird. Im Schritt 126 führt das Steuergerät 72 eine Datentafel-Interpolationsberechnung aus der ersten Daten tafel MAP 1 aus, um einen Wert der relativen Einschaltdauer entsprechend dem Wert der Motordrehzahl NE und der Motorlast L, welche durch den Drehzahlfühler 81 und den Lastfühler 83 ermittelt werden, zu erhalten. Im Schritt 128 wird dann ein Impulssignal mit einem Wert der im Schritt 126 berech neten relativen Einschaltdauer EGRDUTY an das EM-Dreiwege ventil 70 (VSV5) ausgegeben, um den Hub des AR-Ventils 52 und damit den gewünschten Wert des im Schritt 126 berechne ten AR-Verhältnisses zu regeln.

Wird im Schritt 124 entschieden, daß das Abgas-Schaltventil 38 offen ist, so erfolgt ein Übergang zum Schritt 130, in welchem die Berechnung der relativen Einschaltdauer EGRDUTY unter Verwendung der zweiten Datentafel MAP 2 ausgeführt wird. Diese Datentafel MAP 2 enthält Werte für die relative Einschaltdauer, die benötigt werden, um gewünschte Werte des AR-Verhältnisses mit Bezug auf Kombinationen der Werte der Motordrehzahl und -last, wenn das Abgas-Schaltventil 38 offen ist, zu erhalten. Es wird in gleichartiger Weise eine Datentafel-Interpolationsberechnung durchgeführt, so daß ein Wert der relativen Einschaltdauer EGRDUTY erhalten wird, welcher einem Wert eines gewünschten AR-Verhältnisses in Übereinstimmung mit einer Kombination der Motordrehzahl NE und der Motorlast L, die durch die Fühler 81 bzw. 83 ermittelt werden, entspricht. Als Ergebnis wird ein Hub des AR-Ventils 52 so geregelt, daß das gewünschte AR-Ver hältnis für den offenen Zustand des Abgas-Schaltventils 38 erlangt wird.

Wenn die Maschine unter einer hohen Drehzahl und/oder einer hohen Last betrieben wird, d. h. NE<NE_o oder L<L_o, wobei der AR-Betrieb gelöscht wird, dann geht die Routine vom Schritt 120 oder vom Schritt 122 zum Schritt 132 über, in welchem eine Null in die relative Einschaltdauer EGRDUTY eingesetzt wird, so daß ein kontinuierliches Signal mit niedrigem Pegel für das EM-Dreiwegeventil 70 (VSV5) erhal ten wird, wodurch der Druck in der Kammer 52d gleich dem Atmosphärendruck und insofern das AR-Ventil 52 völlig ge schlossen wird.

Anstelle des Vorsehens von zwei Arten von Datentafeln MAP 1 und MAP 2 für die Werte der relativen Einschaltdauer kann ein Korrekturfaktor verwendet werden, um die Beziehung zwi schen den Werten der relativen Einschaltdauer und den Werten des AR-Verhältnisses, wie sie aktuell erhalten werden, zu kompensieren, wobei das Verhältnis in Übereinstimmung damit verändert wird, ob das Abgas-Schaltventil 38 geschlossen oder geöffnet ist. In diesem Fall wird in beiden Schritten 126 und 130 von Fig. 3 ein und dieselbe Datentafel verwen det. Nichtsdestoweniger wird der Korrekturfaktor, der mit der relativen Einschaltdauer EGRDUTY multipliziert wird, in Übereinstimmung mit den Stellungen des Abgas-Schaltven tils 38 reguliert, und insofern wird ein gewünschtes AR-Ver hältnis ohne Rücksicht auf die Position des Abgas-Schalt ventils 38 erhalten.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird der AR-Betrieb in dem Be reich der Motordrehzahl und -last innerhalb der gestrichel ten Linien m1 und m2 (niedriger Motordrehzahl- oder niedri ger Motorlastzustand) durchgeführt. Strich-punktierte Li nien n, die den ausgezogenen, mit P₂ bezeichneten Linien in Fig. 4 entsprechen, zeigen, wie sich der Ansaugdruck mit Bezug auf die Änderung in der Motordrehzahl ändert, wenn das Gaspedal ganz niedergetreten wird. In einem Punkt A, welcher dem Punkt in Fig. 4 entspricht, in welchem NE=NE1, beginnt das Abgas-Schaltventil 38 mit seinem Öff nen. Die Linie a, die von dem Punkt A ausgeht, zeigt Punkte, an welchen das Abgas-Schaltventil 38 an den Kombinationen einer ausgewählten Motordrehzahl und Motorlast während des Teillastzustandes zu öffnen beginnt. Das bedeutet, daß die Linie a der "gleichen Drucklinie" entspricht, bei welcher der Druck P₂ stromab vom Kompressor 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 den vorgegebenen Wert P_SET erreicht hat. Wie ohne Schwierigkeiten einzusehen sein wird, ist der Wert der Motordrehazahl NE, wobei der Druck P₂ gleich dem vorge gebenen Druckwert P_SET ist, um so höher, je geringer das Ausmaß im Niedertreten des Gaspedals ist.

Der Punkt B in Fig. 5 zeigt denjenigen Punkt, an welchem der Druck P₁ stromab vom Kompressor 20 des großvolumigen Turboladers 16 gleich dem Druck P₂ stromab des Kompressors 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 wird (NEIN im Schritt 100 in Fig. 2), so daß das Abgas-Schaltventil 38 rasch und gänzlich geöffnet wird, wenn das Gaspedal voll niedergetre ten wird. Die Linie b, die vom Punkt B ausgeht, zeigt Punk te, an welchen das Abgas-Schaltventil 38 während des Teil lastzustandes völlig geöffnet ist. Das bedeutet, daß die Linie b der "gleichen Drucklinie" entspricht, bei welcher eine Beziehung von P₁=P₂=P_SET im Teillastzustand der Maschine erhalten wird. Wie ohne weiteres einzusehen ist, ist der Wert der Motordrehzahl NE, bei welcher die Bezie hung von P₁=P₂=P_SET im Teillastzustand der Maschine erhalten wird, um so höher, je kleiner der Grad des Nieder tretens des Gaspedals ist.

In Fig. 5 ist der Bereich I unterhalb der Linie a ein sol cher, in welchem hauptsächlich der kleinvolumige Turbolader 18 betrieben wird, um den gewünschten Ansaugdruck zu erlan gen. Ein Bereich II zwischen den Linien a und b ist ein solcher, in welchem sowohl der kleinvolumige Turbolader 18 als auch der großvolumige Turbolader 16 betrieben werden. Ferner ist der Bereich III oberhalb der Linie B ein solcher, in welchem lediglich der großvolumige Turbolader 16 betrie ben wird, um den gewünschten Ansaugdruck zu erlangen. Der durch die Linien m1 und m2 angegebene Abgasrückführbereich erstreckt sich zwischen dem ersten und zweiten Bereich I und II.

Die Fig. 6 zeigt Beziehungen zwischen der Motordrehzahl und dem Abgasdruck an verschiedenen Abschnitten der Ab gasleitung 14, wobei P₃ ein Druck an einer Stelle stromauf von der Turbine 28 des kleinvolumigen Turboladers 18 ist, P₄ ein Druck an der Stelle zwischen der Turbine 28 des kleinvolumigen Turboladers 18 und der Turbine 22 des groß volumigen Turboladers 16 ist, sowie P₅ ein Druck an der Stelle stromab von der Turbine 22 des großvoIumigen Turbo laders 16 ist. Wie deutlich zu erkennen ist, steigen die Drücke P₄ und P₅ mit einer Erhöhung der Motordrehzahl kon tinuierlich an. Im Gegensatz hierzu ist das Verhalten des Drucks P₃ mit Bezug zur Änderung im Anstieg in der Motor drehzahl ziemlich kompliziert. Der Druck P₃ stromauf der Turbine 28 des kleinvolumigen Turboladers 18 wird in hohem Maß durch das Öffnen oder Schließen des Abgas-Schaltventils 38 verändert, wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert wurde. Der eingekreiste Punkt 1 entspricht einem Punkt, an welchem das Abgas-Schaltventil 38 zuerst geöffnet wird, während der eingekreiste Punkt 2 ein Punkt ist, an welchem das Abgas-Schaltventil 38 völlig in einer stufenartigen Weise geöffnet ist, wobei der Druck abrupt auf den eingekreisten Punkt 3 abgesenkt wird, um einen Wert zu erhalten, der gleich P₄ ist. Wie allgemein bekannt ist, wird die Menge an rückgeführtem Abgas durch den Druck des Abgases beeinflußt, das bedeutet, daß die Menge an rück geführtem Abgas proportional der Wurzel des Druckunterschie des in der Abgasleitung zum Druck in der Ansaugleitung ist. Das bedeutet, daß der Öffnungsgrad des AR-Ventils 52 so bestimmt werden sollte, um die gewünschte Menge an rückge führtem Abgas ohne Rücksicht auf die Druckcharakteristik zu erhalten, welche in Übereinstimmung mit der Stelle in der Abgasleitung bestimmt wird, an welcher das Abgas für den AR-Betrieb abgezogen wird.

Ferner müssen Maßnahmen ergriffen werden, um eine Verminde rung in der thermischen Standzeit der das AR-System bilden den Teile zu verhindern. Das Abziehen von Abgas für die Rückführung von der Abgasleitung 14 an der stromauf der Turbine 28 des kleinvolumigen Turboladers 18 liegenden Stelle bewirkt nämlich, daß Teile des AR-Systems, die weni ger gegen eine hohe Temperatur widerstandsfähig sind, wie die Membran 52a, rasch beschädigt werden, da diese Stelle nahe dem Abgasaustritt vom Motorblock 10 angeordnet ist, an welcher eine sehr hohe Temperatur herrscht. Ferner ruft das Abziehen des Abgases für eine Rückführung an der stromab von der Turbine 22 des großvolumigen Turboladers 16 gelege nen Stelle Schwierigkeiten in bezug auf das Einführen des Abgases in die Ansaugleitung 12 hervor, da der Druck P₅ in diesem Abschnitt klein ist. Im Gegensatz hierzu ermög licht das Abziehen von Abgas für eine Rückführung an der Stelle 50A zwischen den Turbinen 28 und 22 ein Unterdrücken von thermischen Schäden, während ein relativ hoher Druck P₄ des Abgases aufrechterhalten wird.

In einer Abwandlung der ersten Ausführungsform kann anstelle der Verbindung des AR-Kanals 50 an der Stelle 50B stromab vom Zwischenkühler 29, wie in Fig. 1 gezeigt ist, der AR- Kanal 50′, der durch gestrichelte Linien angedeutet ist, mit dem Ansaugrohr 12 an einer Stelle zwischen dem Kompres sor 20 des großvolumigen Turboladers 16 und dem Kompressor 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 angeschlossen werden. Bei dieser modifizierten Ausgestaltung wird der Druck im Abgaskanal 50 nicht durch das Öffnen oder Schließen des Abgas-Schaltventils 38 nicht nur an der Stelle 50A, wo das Abgas für die Rückführung abgezogen wird, sondern auch an der Stelle 50′, wo das Abgas für die Rückführung zugeführt wird, beeinflußt. Das bedeutet, daß der Druckunterschied zwischen der Abgasabführöffnung und Abgaszuführöffnung nicht durch das Öffnen oder Schließen des Abgas-Schaltventils 38 beeinflußt wird, weshalb, um das AR-Verhältnis zu re geln, anstelle der zwei Datentafeln MAP 1 und MAP 2 für die relative Einschaltdauer (der Ausführungsform von Fig. 3) nur eine Datentafel für die relative Einschaltdauer ausrei chend ist, um ein gewünschtes AR-Verhältnis zu erlangen.

Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei das Abgas-Schaltventil 38 geregelt wird, indem der Ansaugdruck wie bei der ersten Ausführungsform ermittelt wird, wenn der Motor im Zustand niedriger Drehzahl läuft, und indem die Ansaugluftmenge festgestellt wird, wenn der Motor im Zustand hoher Drehzahl betrieben wird. Die Ausführungsform von Fig. 7 unterscheidet sich von derje nigen von Fig. 1 darin, daß ein elektromagnetisches Drei wegeschaltventil (VSV6) 300 zusätzlich vorgesehen ist, um die Zufuhr des Ansaugdrucks zur Membrankammer 40g des Stell antriebs 40 für das Abgas-Schaltventil 38 zu regeln. Das EM-Dreiwegeventil (VSV6) 300 wird zwischen einer Stellung, in welcher die Membrankammer 40g mit der Ansaugleitung 12 an der stromab vom Kompressor 26 des kleinvolumigen Turbo laders befindlichen Stelle 60 verbunden ist, und einer Stellung, in welcher die Membrankammer 40g Verbindung mit dem Atmosphärendruck hat, geschaltet. Des weiteren ist in der Ansaugleitung 12 stromauf vom Kompressor 20 des großvo lumigen Turboladers 16 ein Luftströmungsmesser 302 angeord net, der die Ansaugluftmenge Q ermittelt.

Die Fig. 8 zeigt eine Ansaugdruck-Steuerroutine. Im Schritt 350 wird entschieden, ob die Motordrehzahl NE größer ist als ein vorbestimmter Wert NEx, welcher ein Schwellenwert zwischen der Regelung des Abgas-Schaltventils auf der Grund lage des Ansaugdrucks und der Regelung des Abgas-Schalt ventils auf der Grundlage der Ansaugluftmenge ist. Wie der Fig. 9 zu entnehmen ist, ist NEx ein Wert der Motordrehzahl, wenn das Abgas-Schaltventil 38 ganz geöffnet und das Gas pedal gänzlich niedergetreten ist. Wird im Schritt 350 ent schieden, daß NE<Nex ist, so geht die Routine zum Schritt 400 über, in welchem bestimmt wird, ob die Ansaugluftmenge Q größer ist als ein vorbestimmter Wert Q₁, und dann zum Schritt 402 über, in welchem entschieden wird, ob die An saugluftmenge Q größer ist als ein vorbestimmter Wert Q₂ (<Q₁). Der Wert Q₁ ist ein Schwellenwert, oberhalb welchem das Abgas-Schaltventil 38 geöffnet wird.

Wird im Schritt 400 entschieden, daß Q<Q₁ ist, so geht die Routine zum Schritt 403, in welchem das EM-Dreiwegeven til 54 (VSV1) auf AUS geschaltet wird, so daß die Membran 34c dem Atmosphärendruck ausgesetzt wird und die Feder 34b die Membran 34c zum Schließen des Flügelklappen- Abgasventils 32 bewegt. Im Schritt 404 wird das zweite EM- Dreiwegeventil 58 (VSV2) zur Regelung des Abgas-Schaltven tils 38 auf AUS geschaltet, so daß die Kammer 40h dem Atmo sphärendruck unterliegt. Im Schritt 406 wird das dritte EM-Dreiwegeventil 64 (VSV3) auf AN geschaltet und im Schritt 408 wird das vierte EM-Dreiwegeventil 66 (VSV4) ebenfalls auf AN geschaltet. Die Schritte 406 und 408 sind gleich den Schritten 106 und 108 in Fig. 2, und insofern wird das Ansaug-Umleitungsregelventil 46 geschlossen, womit folglich der Ansaugdruck niedriger als der vorbestimmte Wert P_SET ist. Im Schritt 410 wird das sechste EM-Dreiwege ventil 300 (VSV6) auf AUS geschaltet, so daß die Kammer 40g dem Atmosphärendruck ausgesetzt und damit das Abgas- Schaltventil 38 geschlossen wird.

Wird im Schritt 400 entschieden, daß die Ansaugluftmenge QQ₁ ist, und wird im Schritt 402 entschieden, daß Q<Q₂ ist, so geht die Routine zu den an den Schritt 420 sich anschließenden Schritten über. Die Schritte 420 bis 426 sind den Schritten 403 bis 408 gleich. Im Schritt 428 wird das EM-Dreiwegeventil 300 (VSV6) auf AN geschaltet, so daß die Kammer 40g für den Ansaugdruck geöffnet wird, während die AUS-Stellung des EM-Dreiwegeventils 58 (VSV2) im Schritt 422 ermöglicht, daß der an der Kammer 40h anste hende Turboladedruck das Abgas-Schaltventil 38 gegen die starke Kraft der Federn 40c und 40d öffnet. Als Ergebnis dessen wird ein geregeltes oder allmähliches Öffnen des Abgas-Schaltventils 38 erlangt.

Wird im Schritt 402 entschieden, daß QQ₂ ist, so geht die Routine zu den Schritten 430 und folgende über, wobei die Schritte 430 bis 436 den Schritten 110 bis 116 in Fig. 2 gleich sind. Im Schritt 430 wird somit das EM-Dreiwegeven til 54 (VSV1) auf AN geschaltet, so daß die Kammer 34c für den positiven Ansaugdruck geöffnet wird, wodurch die Membran 34a gegen die Kraft der Feder 34b bewegt und damit das Flü gelklappen-Abgasventil 32 geöffnet wird. Im Schritt 432 wird das zweite EM-Dreiwegeventil 58 (VSV2) auf AN geschal tet, so daß die Kammer 40h den positiven Ansaugdruck emp fängt und somit die das Abgas-Schaltventil 38 zum Öffnen bewegende Kraft unabhängig von der Kraft der Feder 40d wird und dieser Kraft lediglich von der schwachen Kraft der Feder 40c entgegengewirkt wird. Als Ergebnis erlaubt der Stellantrieb 40 ein augenblickliches und rasches Öff nen des Abgas-Schaltventils 38. Die Schritte 434 und 436 dienen dem Öffnen des Ansaug-Umleitungsregelventils 46 und sind den Schritten 114 sowie 116 von Fig. 2 gleich. Ferner wird im Schritt 438 das EM-Dreiwegeventil 300 (VSV6) auf AUS geschaltet, so daß die Kammer 40g für den Atmosphären druck offen ist.

Wird im Schritt 350 entschieden, daß NENEx ist, so geht die Routine zu den Schritten 420 bis 428 über, welche gleich den Schritten 102 bis 108 der Fig. 2 für die erste Ausfüh rungsform sind. Das bedeutet, daß der Motor sich in einem Zustand niedriger Drehzahl befindet und das Abgas-Schaltventil 38 gänzlich geschlossen ist, wenn der Ansaugdruck P₂ an der Stel le stromab vom Kompressor 26 des kleinvolumigen Turboladers 18 geringer ist als ein vorbestimmter Wert P_SET. Erreicht der Ansaugdruck P₂ den vorbestimmten Wert P_SET, so wird das Abgas-Schaltventil 38 allmählich in Übereinstimmung mit einem Anstieg in der Motordrehzahl geöffnet.

Die Fig. 9 zeigt die Betriebsweise des Abgas-Schaltventils 38 mit Bezug auf die Motordrehzahl und -last bei der zwei ten Ausführungsform. Eine vertikale Linie X entspricht der Motordrehzahl, die gleich NEx ist. In dem Bereich, in wel chem die Drehzahl höher ist als dieser Wert NEx, wird die Regelung des Abgas-Schaltventils 38 durch die Ansaugluft menge Q ausgeführt. Das Abgas-Schaltventil 38 beginnt mit seinem Öffnen, wenn die Linie Q=Q₁ gekreuzt wird, und es wird rasch in seine gänzlich geöffnete Stellung gebracht, wenn die Linie Q=Q₂ gekreuzt wird. Ist die Motordrehzahl niedriger als NEx, so wird die Regelung des Abgas-Schalt ventils 38 wie bei der ersten Ausführungsform durch den Ansaugdruck bewirkt. Das Abgas-Schaltventil 38 beginnt mit seinem Öffnen, wenn die Linie P=P₂=P_SET gekreuzt wird. Es ist zu bemerken, daß die Einstellung derart vorgenommen wird, daß die Linie P₂=P_SET im Bereich I glatt mit der Linie Q=Q₂ im Bereich II in Fig. 9 verbunden ist.

Die Regelung des Abgas-Schaltventils durch den Ansaugdruck während der niedrigen Motordrehzahl und durch die Ansaugluft menge während der hohen Motordrehzahl kann einen Abfall im Ansaugdruck verhindern, wenn die Motordrehzahl hoch ist, was häufig bei einem herkömmlichen Turboladersystem auf tritt.

Die AR-Regelung bei der zweiten Ausführungsform ist im we sentlichen dieselbe wie bei der ersten Ausführungsform. Das bedeutet, daß dieselbe Routine, die in Fig. 3 gezeigt ist, angewendet werden kann. Der Bereich zur Durchführung des AR-Betriebs kann derselbe sein wie der bei der ersten Ausführungsform, d. h., er kann zwischen den Bereichen I und II gelegen sein. Nichtsdestoweniger kann, wie in Fig. 9 gezeigt ist, der Abgasrückführungsbereich auf den ersten Bereich I, der in Fig. 9 durch gestrichelte Linien darge stellt ist, begrenzt werden, und in diesem Fall können die Schritte 124 und 130 eliminiert werden.

Durch die Erfindung wird somit ein Turboladersystem in einer Reihenanordnung für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Abgasrückführung durchgeführt wird, offenbart. Das System umfaßt einen großvolumigen sowie einen kleinvolumigen Turbo lader, die in Reihe in der Gasströmungsrichtung angeordnet sind. Ein Umgehungskanal ist mit einer Abgasleitung verbun den, um die Turbine des kleinvolumigen Turboladers zu um gehen, und in diesem Umgehungskanal ist ein Abgas-Schalt ventil angeordnet, um die Abgasströmung zur Turbine des kleinvolumigen Turboladers zu regeln. Das Abgasrückführ system enthält einen Abgasrückführkanal, um eine Abgasmenge in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine einzuführen. Das Abgas für die Rückführung wird von der Abgasleitung an einer zwischen den Turbinen des kleinvolumigen und groß volumigen Turboladers gelegenen Stelle abgezogen.

Obgleich bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegen standes unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert wur den, so ist die Erfindung auf die offenbarten Einzelheiten nicht begrenzt, vielmehr sind dem Fachmann bei Kenntnis der durch die Erfindung vermittelten Lehre Abwandlungen und Abänderungen an den beschriebenen Ausführungsformen nahegelegt, die als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind.

Claims

1. Brennkraftmaschine, die umfaßt:

- einen Motorblock (10),
- eine Ansaugleitung (12) zur Zufuhr eines brennbaren Gemischs in den Motorblock,
- eine Abgasleitung (14) zur Abfuhr des Abgases vom Mo torblock,
- einen ersten, großvolumigen Turbolader (16), dessen Turbine (22) in der Abgasleitung (14) und dessen Kom pressor (20) in der Ansaugleitung (12) angeordnet sind,
- einen zweiten, kleinvolumigen Turbolader (18), dessen Turbine (28) in der Abgasleitung (14) an einer in der Strömungsrichtung des Abgases stromauf von der Turbine (22) des großvolumigen Turboladers (16) befindlichen Stelle und dessen Kompressor (26) in der Ansauglei tung (12) an einer in der Strömungsrichtung der An saugluft stromab vom Kompressor (20) des großvolumigen Turboladers (16) befindlichen Stelle angeordnet sind,
- einen mit der Abgasleitung (14) verbundenen Umgehungs kanal (36), der die Turbine (28) des kleinvolumigen Turboladers (18) umgeht,
- Abgas-Schaltventileinrichtungen (38, 40), die die Ab gasströmung in dem Umgehungskanal (36) regeln,
- auf Maschinenbetriebszustände ansprechende Einrichtun gen, die die Abgas-Schaltventileinrichtungen (38, 40) regulieren, um einen gewünschten Ansaugluftdruck zu erlangen, und
- Abgas-Rückführeinrichtungen (50, 52), die eine Menge an Abgas von der Abgasleitung (14) an einer zwischen der Turbine (22) des großvolumigen Turboladers (16) und der Turbine (28) des kleinvolumigen Turboladers (18) abziehen sowie dieses Abgas in die Ansaugleitung (12) einführen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas-Rückführeinrichtungen einen die Abgaslei tung (14) von einer zwischen der Turbine (22) des groß volumigen Turboladers (16) und der Turbine (28) des klein volumigen Turboladers (18) gelegenen Stelle (50A) mit der Ansaugleitung (12) verbindenden Kanal (50), Ventil einrichtungen (52), die die durch diesen Kanal (50) rück geführte Abgasmenge regeln, und Steuereinrichtungen (72), die auf Maschinenbetriebszustände ansprechen, um die Ventileinrichtungen (52) zu betätigen, umfassen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (50) mit der Ansaugleitung (12) an einer stromab vom Kompressor (26) des kleinvolumigen Turbola ders (18) gelegenen Stelle (50B) verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (50′) mit der Ansaugleitung (12) an einer zwischen den Kompressoren (20, 26) des groß- sowie klein volumigen Turboladers (16, 18) gelegenen Stelle verbun den ist.

5. Brennkraftmaschine, die umfaßt:

- einen Motorblock (10),
- eine Ansaugleitung (12) zur Zufuhr eines brennbaren Gemischs in den Motorblock,
- eine Abgasleitung (14) zur Abfuhr des Abgases vom Mo torblock,
- einen ersten, großvolumigen Turbolader (16), dessen Turbine (22) in der Abgasleitung (14) und dessen Kom pressor (20) in der Ansaugleitung (12) angeordnet sind,
- einen zweiten, kleinvolumigen Turbolader (18), dessen Turbine (28) in der Abgasleitung (14) an einer in der Strömungsrichtung des Abgases stromauf von der Turbine (22) des großvolumigen Turboladers (16) befindlichen Stelle und dessen Kompressor (26) in der Ansaugleitung (12) an einer in der Strömungsrichtung der Ansaugluft stromab vom Kompressor (20) des großvolumigen Turbola ders (16) befindlichen Stelle angeordnet sind,
- einen mit der Abgasleitung (14) verbundenen Umgehungska nal (36), der die Turbine (28) des kleinvolumigen Tur boladers (18) umgeht,
- Abgas-Schaltventileinrichtungen (38, 40), die die Ab gasströmung in dem Umgehungskanal (36) regeln,
- auf Maschinenbetriebszustände ansprechende Einrichtun gen, die einen zweistufigen Betrieb der Abgas-Schalt ventileinrichtungen in der Weise regeln, daß das Abgas- Schaltventil (38) allmählich geöffnet wird, wenn ein vorbestimmter Druck der Ansaugluft an einer stromab vom kleinvolumigen Turbolader (18) in der Ansaugleitung (12) befindlichen Stelle erhalten wird, sowie schnell geschlossen wird, wenn der vorbestimmte Druck in der Ansaugleitung an der Stelle stromab vom Kompressor (20) des großvolumigen Turboladers (16) erlangt wird, und
- Abgas-Rückführeinrichtungen (50, 52), die eine Menge an Abgas von der Abgasleitung (14) an einer Stelle zwischen der Turbine (22) des großvolumigen Turboladers (16) und der Turbine (28) des kleinvolumigen Turboladers (18) abziehen sowie dieses Abgas in die Ansaugleitung (12) einführen.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abgas-Rückführeinrichtungen einen die Abgasleitung (14) von der zwischen der Turbine (22) des großvolumigen Turboladers (16) und der Turbine (28) des kleinvolumigen Turboladers (18) gelegenen Stelle (50A) mit der Ansaugleitung (12) an einer stromab vom Kompres sor (26) des kleinvolumigen Turboladers gelegenen Stelle (50B) verbindenden Kanal (50), Ventileinrichtungen (52), die die durch diesen Kanal (50) rückgeführte Abgasmenge regeln, Mittel (78, 80, 81, 83), die Maschinenbetriebs zustände erfassen, und Steuereinrichtungen (72), die auf die erfaßten Maschinenbetriebszustände ansprechen sowie die Ventileinrichtungen (52) betätigen, um einen gewünschten Wert der rückgeführten Abgasmenge ohne Rück sicht auf den zweistufigen Betrieb des Abgas-Schaltven tils (38) beizubehalten, umfassen.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuereinrichtungen (72) Mittel, die einen offenen oder geschlossenen Zustand der Abgas- Schaltventileinrichtungen (38, 40) erfassen, und Mittel, die auf den erfaßten Zustand der Abgas-Schaltventilein richtungen ansprechen, um einen Öffnungsgrad des Abgas- Rückführventils (52) zu berechnen und dadurch eine ge wünschte Abgasmenge zu erhalten, umfassen.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Berechnungsmittel eine erste Datenta fel (MAP 1) zur Berechnung einer Einstellung des Öff nungsgrades des Abgas-Rückführventils (52), um dadurch eine gewünschte Abgasmenge als rezirkulierte Menge zu erhalten, wenn das Abgas-Schaltventil (38) geschlos sen ist, und eine zweite Datentafel (MAP 2) zur Berech nung einer Einstellung des Öffnungsgrades des Abgas- Rückführventils, um dadurch eine gewünschte Abgasmenge als rezirkulierte Menge zu erhalten, wenn das Abgas- Schaltventil (38) offen ist, umfassen.

9. Brennkraftmaschine, die umfaßt:

- einen Motorblock (10),
- eine Ansaugleitung (12) zur Zufuhr eines brennbaren Gemischs in den Motorblock,
- eine Abgasleitung (14) zur Abfuhr des Abgases vom Mo torblock,
- einen ersten, großvolumigen Turbolader (16), dessen Turbine (22) in der Abgasleitung (14) und dessen Kom pressor (20) in der Ansaugleitung (12) angeordnet sind,
- einen zweiten, kleinvolumigen Turbolader (18), dessen Turbine (28) in der Abgasleitung (14) an einer in der Strömungsrichtung des Abgases stromauf von der Turbine (22) des großvolumigen Turboladers (16) befindlichen Stelle und dessen Kompressor (26) in der Ansaugleitung (22) an einer in der Strömungsrichtung der Ansaugluft stromab vom Kompressor (20) des großvolumigen Turbola ders (16) befindlichen Stelle angeordnet sind,
- einen mit der Abgasleitung (14) verbundenen Umgehungs kanal (36), der die Turbine (28) des kleinvolumigen Turboladers (18) umgeht,
- Abgas-Schaltventileinrichtungen (38, 40), die die Ab gasströmung in dem Umgehungskanal (36) regeln,
- einen ersten, in der Ansaugleitung (12) an einer strom ab vom Kompressor (20) des großvolumigen Turboladers (16) befindlichen Stelle angeordneten Druckfühler (78),
- einen zweiten, in der Ansaugleitung (12) an einer stromab vom Kompressor (26) des kleinvolumigen Turbo laders (18) befindlichen Stelle angeordneten Druck fühler (80),
- einen Stellantrieb (40), um eine zweistufige Arbeits weise des Abgas-Schaltventils (38) zu erlangen,
- Stufenbetrieb-Regeleinrichtungen (40, 58) zur Betäti gung des Stellantriebs (40) in der Weise, daß dieser das Abgas-Schaltventil (38) zum allmählichen Öffnen, wenn der zweite Fühler (80) einen vorgegebenen Wert des Ansaugdrucks ermittelt, sowie zum schnellen Öffnen, wenn der erste Fühler (78) den vorgegebenen Wert des Ansaugdrucks ermittelt, betätigt, und
- Abgas-Rückführeinrichtungen (50, 52), die eine Abgas menge von der Abgasleitung (14) von einer zwischen der Turbine (22) des großvolumigen Turboladers (16) sowie der Turbine (28) des kleinvolumigen Turboladers (18) gelegenen Stelle (50A) abziehen und das abgezoge ne Abgas in die Ansaugleitung (12) einführen.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen die Drehzahl der Maschine ermittelnden Fühler (81), durch einen die in die Maschine eingeführte Ansaugluft menge ermittelnden Fühler (302) und durch zweite Stufen betrieb-Regeleinrichtungen (300), die, wenn auf eine gegenüber einem vorbestimmten Wert höhere Maschinendreh zahl erkannt wird, den Stellantrieb (40) betätigen der art, daß der Stellantrieb das Abgas-Schaltventil (38) so regelt, daß dieses Ventil allmählich geöffnet wird, wenn der Ansaugluftmengenfühler (302) einen ersten vor gegebenen Wert der Ansaugluftmenge ermittelt, und schnell geöffnet wird, wenn der Ansaugluftmengenfühler einen zweiten vorgegebenen Wert der Ansaugluftmenge, welcher größer als der erste vorgegebene Wert der Ansaugluft menge ist, ermittelt.