DE60309003T2

DE60309003T2 - Aufgeladener Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE60309003T2
Application number: DE60309003T
Authority: DE
Inventors: Said Tabar; Johan Wollin
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: DE60309003D1; EP1482128A1; EP1482128B1

Description

Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einem Verdichterlaufrad und einem Kanal, der zur Erzeugung eines Dralls von dem Verdichterlaufrad zugeführter Luft angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors.
HINTERGRUND
Bei Motoren mit Turboladern wird das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich durch die Abgasenthalpie und die Pumpgrenze von Kompressoren begrenzt. Eine Turbine mit variabler Düse kann zur Maximierung der Turbinenleistung und somit der Ausgangsleistung von dem Abgasstrom bei verschiedenen Motordrehzahlen und -lasten verwendet werden. Dies kann zu einem verbesserten Drehmoment im unteren Drehzahlbereich im Vergleich zum gleichen Motor, der mit Turbolader mit Abblasventil läuft, führen. Die Größe des Verdichters, die oftmals durch die Motornennleistung festgelegt wird, begrenzt immer noch das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich.
Eine Art, den Arbeitsbereich eines Verdichters für einen aufgeladenen Verbrennungsmotor zu vergrößern, ist aus der DE 42 13 047 bekannt. Das darin offenbarte System ist dazu angeordnet, Druckgas in einem Verdichterbehälter zur Einleitung von Zusatzluft in ein Verdichtergehäuse zu speichern. Der Haupteinlasskanal kann bei niedriger Last geschlossen sein, so dass Einlassluft nur von dem Druckluftbehälter zugeführt wird. Des Weiteren sieht die DE 42 13 047 das Einleiten von Druckluft an verschiedenen Stellen einer Eintrittskammer des Verdichters vor, so dass Gas in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen vor oder hinter dem Verdichter eingeleitet werden kann. Das darin offenbarte System kann des Weiteren dazu angeordnet sein, das Puffervolumen der Eintrittskammer durch ihre Verbindung mit dem Einlassluftfilter, dem Kurbelgehäuse oder dem Abgassystem zu vergrößern. Diese Art der Vergrößerung des Arbeitsbereichs des Verdichters ist mit mehreren Nachteilen verbunden. Zum Beispiel muss in dem System ein Verdichterbehälter eingebaut sein, der eine wesentliche Größe aufweisen muss, um zu gewährleisten, dass der Motor über einen Zeitraum bei niedriger Last betrieben werden kann. Der Behälter erhöht das Gewicht des Fahrzeugs, wodurch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird. Beim Füllen und Entleeren des Tanks kommt es zu Leistungsverlusten. Des Weiteren müssen bei dem System Dreiwegeventile eingebaut sein, die die Kosten des Systems erhöhen. Deshalb besteht immer noch Bedarf an der Entwicklung weiterer Verfahren zur Vergrößerung des Arbeitsbereichs des Verdichters.
Ein anderes Verfahren zur Vergrößerung des Arbeitsbereichs des Verdichters ist die Verwendung von Drall im Einlassventil. Durch Anlegen von Drall an den Verdichter werden die Eigenschaften des Verdichters geändert. 1 zeigt den Arbeitsbereich eines spezifischen Turboverdichters. Der Arbeitsbereich des Verdichters ist aus dem Druckverhältnis P2c/P1c an der vertikalen Achse und der Luftmassendurchflussmenge durch den Verdichter an der horizontalen Achse ablesbar, wobei P2c der Druck stromabwärts des Verdichters und P1c der Druck stromaufwärts des Verdichters ist. Ein Drall in der gleichen Richtung wie die Drehrichtung des Verdichterlaufrads verschiebt das Kennfeld des Verdichters zu niedrigeren Massendurchflussmengen und zu einem geringeren Verdichterdruckverhältnis, wie durch den Pfeil in 1 gezeigt. Dies bedeutet, dass der Verdichter insofern das Wesen eines verkleinerten Verdichters erhalten würde, als der Arbeitsbereich des Verdichters auf niedrigere Massendurchflussmengen ausgeweitet ist. Die Bedeutung der Kennfeldverschiebung hängt von der Größe des Dralls und dem Laufradschaufelwinkel (Grad der Pfeilform) ab. Durch Anlegen des erforderlichen Dralls an einen ordnungsgemäß ausgeführten Verdichter ist es möglich, gute Druckverhältnisse bei Durchflussmengen unter der Verdichtern innewohnenden Pumpgrenze zu erhalten.
Eine Art und Weise, einen Drall bereitzustellen und dadurch ein erweitertes Verdichterkennfeld zu erhalten, besteht in der Bereitstellung von Leitschaufeln in einem Luftkanal stromaufwärts des Verdichters. Zum Beispiel ist ein Schiffsdieselmotor mit Turbolader mit Leitschaufeln zur Verhinderung von Turbo-Überdrehzahl und Pumpen aus der GB 2172340 bekannt. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass Leitschaufeln zu einem gewissen Grad die Luftströmung durch den Kanal drosseln. Diese Strömungsdrosselung ist hinsichtlich der Motorleistung bei hohen Luftdurchflussmengen ungünstig.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, in dem bei geringen Luftströmungsgeschwindigkeiten ein Drall erzeugt werden kann und bei dem der Strömungswiderstand bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Vergleich zur oben beschriebenen Leitschaufellösung reduziert ist.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, der hinsichtlich Drallsteuerung sowie hinsichtlich Motorleistung und Drehmomentleistung verbessert ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit erhöhter Zuverlässigkeit der Aufladeleistung.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, der kraftstoffsparender ist und weniger ungesunde Emissionen ablässt.
Diese Aufgaben können durch einen aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einem Verdichterlaufrad zur Erhöhung des Drucks eines in dem Motor zu verbrennenden Gasgemisches und einem ersten Kanal zur Zufuhr des Gasgemisches zum Verdichterlaufrad, wobei der Motor des Weiteren einen zweiten Kanal zur Zufuhr von zusätzlichem Gasgemisch in den ersten Kanal an einem stromaufwärts des Verdichterlaufrads befindlichen Anschluss umfasst, erreicht werden.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung einen aufgeladenen Verbrennungsmotor bereit, der weiterhin einen Diffusor an der Verbindung zwischen den beiden Kanälen und ein Ventil innerhalb jedes der beiden Kanäle zur Steuerung von Gasströmung durch die Kanäle umfasst.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Steuerung des Dralls in einem aufgeladenen Verbrennungsmotor.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem Verdichterlaufrad zur Erhöhung des Drucks eines in dem Motor zu verbrennenden Gasgemisches, wobei das Gasgemisch dem Verdichterlaufrad über einen ersten und einen zweiten Kanal zugeführt wird, und Erzeugen eines Dralls in dem dem Verdichterlaufrad zugeführten Gasgemisch stromaufwärts des Verdichterlaufrads erreicht.
Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin während der Beschleunigung eines durch den Motor angetriebenen Fahrzeugs die folgenden Schritte zur Steuerung des Dralls:

– bei niedrigen Motordrehzahlen derartiges Steuern eines Ventils im zweiten Kanal, dass es geöffnet wird, und eines Ventils im ersten Kanal, dass es im Wesentlichen geschlossen wird,
– bei zunehmender Motordrehzahl nacheinander folgend Öffnen des Ventils im ersten Kanal und anschließend Schließen des Ventils im zweiten Kanal.

Das heißt, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft, wird ein positiver Drall erzeugt. Wenn der Motor später bei der Beschleunigung mit einer größeren Drehzahl läuft, wird kein Drall erzeugt, sondern ein minimierter Strömungswiderstand im ersten Luftkanal erreicht.
Die Erfindung eignet sich besonders für Dieselmotoren mit Turbolader. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Abgase der Dieselmotoren im Verhältnis kälter sind als Abgase von Benzinmotoren und dass so genannte variable Düsen für hohe Temperaturen empfindlich sind. Kältere Abgase geben die Möglichkeit, eine variable Düse an der Abgasturbine zu verwenden und dadurch den Arbeitsbereich der Abgasturbine zu vergrößern. Deshalb ist es auch wünschenswert, den Arbeitsbereich des Verdichterlaufrads zu erweitern, um den erweiterten Arbeitsbereich der Turbine am besten auszunutzen.
Mit anderen Worten, der Arbeitsbereich der Abgasturbine kann mittels einer ziemlich temperaturempfindlichen variablen Düse erweitert werden, wie eingangs erwähnt. Somit wird der Arbeitsbereich des Turboladers in diesem Fall durch den Arbeitsbereich des Verdichterlaufrads eingeschränkt, der durch Erzeugung eines Dralls gemäß der Erfindung erweitert werden kann.
Des Weiteren kann die Erfindung in einem Benzinmotor mit Turbolader mit einer hochtemperaturbeständigen Turbine mit variabler Düse durchgeführt werden. Auf herkömmliche Weise kann eine Hauptdrossel stromabwärts des Verdichters des Benzinmotors angeordnet werden. Als Alternative dazu kann die Hauptdrossel weggelassen und die Drosselfunktion durch Ventile (36, 38, unten beschrieben) stromaufwärts des Verdichters durchgeführt werden.
Bei Anlegen eines negativen Dralls, wobei die Drallrichtung der Verdichterlaufraddrehung entgegengesetzt ist, ist das Ergebnis eine Verdichterkennfeldverschiebung in die entgegengesetzte Richtung. Um sowohl positiven als auch negativen Drall im gleichen Motor bereitzustellen, kann auch ein dritter Kanal ähnlich dem zweiten Kanal über einen Diffusor, der zur Erzeugung eines negativen Dralls angeordnet ist, mit dem ersten Kanal leitungsverbunden werden. Der zweite Kanal ist vorzugsweise über einen zur Erzeugung eines positiven Dralls angeordneten Diffusor mit dem ersten Kanal verbunden. Die Steuerung der Drallrichtung kann dann durch Einstellung von Ventilen im ersten, zweiten und dritten Kanal erleichtert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Beispiel für ein Verdichterkennfeld oder für einen Arbeitsbereich eines Verdichterlaufrads eines aufgeladenen Motors.
2 zeigt schematisch die zu einem Verdichter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung führenden Kanäle.
3 zeigt schematisch die zu einem Verdichter einer anderen Ausführungsform der Erfindung führenden Kanäle.
4 zeigt schematisch die Anordnung eines Verdichterlaufrads und eines Diffusors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung betrifft einen aufgeladenen Verbrennungsmotor, bei dem das Aufladen durch ein Verdichterlaufrad bereitgestellt wird. Das Verdichterlaufrad kann zum Beispiel durch einen Elektromotor oder mechanisch über eine Kurbelwelle des Motors oder von einer Abgasturbine angetrieben werden, wobei der letztere Fall als Turboladen bekannt ist.
2 zeigt einen Verdichter 20 mit einem Auslass 22 zur Bereitstellung von Druckluft für die Brennkammern des Motors und einen Einlass 24 zur Aufnahme von Umgebungsluft über einen (nicht gezeigten) Luftfilter. Die Luftströmungsrichtung wird durch einen Pfeil 26 angezeigt. Zwischen dem Luftfilter und dem Verdichtereinlass 24 sind ein erster Kanal 28 und ein zweiter Kanal 30 vorgesehen. Der erste Kanal 28 bildet einen Hauptströmungsweg für die Luftströmung, während der zweite Kanal 30 an einer ersten Verbindung mit dem ersten Kanal 28 verbunden ist. An der Verbindung wird Luft vom dem zweiten Kanal 30 auf im Wesentlichen tangentiale weise dem ersten Kanal 28 zugeführt. Dazu umfasst die erste Verbindung einen Diffusor 32, so dass eine Strömung durch den zweiten Kanal 30 zu einem in den Verdichter 20 eindringenden positiven Luftdrall beiträgt. Der Drall ist in diesem Beispiel allgemein eine Drehbewegung von Luft um eine mittlere Achse des ersten Kanals 28 in Kombination mit einer Verschiebung der Luft in Längsrichtung des ersten Kanals 28. In diesem Fall wird sämtliche Motorluft über den Luftfilter des ersten Kanals 28 zugeführt. Der zweite Kanal 30 wird dann durch einen Teil der Luftströmung vom ersten Kanal 28 an einer zweiten Verbindung 34 zwischen den beiden Kanälen stromaufwärts der ersten Verbindung am Diffusor 32 gespeist.
Zur Steuerung der Größe und der Bedeutung des Dralls in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und -last ist der erste oder der zweite Kanal oder sind beide Kanäle mit Ventilen versehen, einem ersten Ventil 36 im ersten Kanal 28 und/oder einem zweiten Ventil 38 im zweiten Kanal 30. Durch Einstellung der Ventile 36, 38 kann die Verteilung der Luftströmung zwischen den beiden Kanälen effektiv gesteuert werden. Ein Vorteil der Zweiventillösung besteht darin, dass die Strömungseinstellmöglichkeiten einen größeren Bereich für die Drallgröße bereitstellen. Andererseits kann eine Lösung mit einem Ventil 38 im zweiten Kanal 30 und keinem Ventil im ersten Kanal 28 aus Hochmotorleistungsgründen vorteilhafter sein, da sie den Strömungswiderstand, den ein Ventil selbst in seiner ganz geöffneten Position darstellt, vom ersten Kanal 28 beseitigt.
Die Ventile 36 und 38 sind vorteilhafterweise als Ventilklappen konstruiert, die durch verschiedene Betätigungsmittel betätigt werden können. Beispielsweise können sie durch Elektromotoren, die durch Signale vom Motorsteuerrechners des Fahrzeugs gesteuert werden, betätigt werden.
Ein Beispiel für die Steuerstrategie kann wie folgt beschrieben werden. Das Ventil 38 ist anfangs ganz geöffnet, und die Luftströmung wird anfangs durch den zweiten Kanal 30 zum Verdichterlaufrad gerichtet, während das Ventil 36 im Wesentlichen geschlossen ist. Mit zunehmendem Massendurchfluss, und wenn das Bremsmoment sein Maximum erreicht, wird das Ventil 38 allmählich geschlossen, und das Ventil 36 in seine ganz geöffneten Position geöffnet. Dies bedeutet, dass die eigentliche Größe des Verdichters an die Massendurchflussmenge während des Zeitraums im unteren Drehzahlbereich angepasst wird.
Ein Vorteil der Verwendung eines Diffusors statt Anordnung von Drall-Leitschaufeln vor dem Verdichterlaufrad ist ein reduzierter Strömungswiderstand im ersten Kanal 28, da Leitschaufeln in Kanälen einen Strömungswiderstand darstellen. Dieser Vorteil führt zu verbesserten Hochleistungseigenschaften des Motors.
3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein erster und ein zweiter Kanal 28, 30 als Kanäle mit einzelnen Luftfiltern angeordnet und nur am Diffusor 32 miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Kanälen 28, 30 gibt es bei dieser Ausführungsform keine zweite Verbindung. Das Ende 29 des ersten Kanals 28 führt zu einem (nicht gezeigten) Luftfilter, während das Ende 31 des zweiten Kanals 30 zu einem anderen (nicht gezeigten) Luftfilter führt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Strömungswiderstand reduziert ist, da es zwischen beiden Kanälen 28, 30 eine Verbindung weniger gibt.
Bei den Ausführungsformen nach den 2 und 3 wird das zusätzliche Gasgemisch in einer im Wesentlichen tangentialen Weise von dem zweiten Kanal 30 in den ersten Kanal 28 zugeführt, um einen Drall im ersten Kanal 28 zu erzeugen. Bei diesen Ausführungsformen wird die im Wesentlichen tangentiale Gasgemischzufuhr mittels des Diffusors 32 gewährleistet. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, eine im Wesentlichen tangentiale Gasgemischzufuhr bereitzustellen, zum Beispiel eine einfache abgewinkelte Verbindung zwischen den Kanälen 28, 30.
4 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Anordnung mit einem Diffusor 32 und einem Verdichterlaufrad 50 mit gepfeilten Schaufeln 52. Vorzugsweise beträgt der Grad der Pfeilform der Schaufeln 52 zwischen 40° und 45°.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Patentansprüche variiert werden.

Claims

Aufgeladener Verbrennungsmotor mit einem Verdichterlaufrad (50) zur Erhöhung des Drucks eines in dem Motor zu verbrennenden Gasgemisches und einem ersten Kanal (28) zur Zufuhr des Gasgemisches zum Verdichterlaufrad (50), wobei der Motor des Weiteren einen zweiten Kanal (30) zur Zufuhr von zusätzlichem Gasgemisch in den ersten Kanal (28) an einem stromaufwärts des Verdichterlaufrads (50) befindlichen Anschluss umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (30) zur Zufuhr von Gasgemisch in den ersten Kanal (30) zwecks Erzeugung eines Dralls in dem ersten Kanal (28) angeordnet ist, wobei der Drall die gleiche Drehrichtung aufweist wie die Drehrichtung des Laufrads.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Gasgemisch im Wesentlichen tangential von dem zweiten Kanal (30) in den ersten Kanal (28) zugeführt wird, um den Drall im ersten Kanal (28) zu erzeugen.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal (28, 30) einen Diffusor (32) umfasst.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (36) innerhalb des ersten Kanals (28) angeordnet ist, um die Strömung des Gasgemisches durch den ersten Kanal (28) zu steuern.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (38) in dem zweiten Kanal (30) angeordnet ist, um die Strömung des zusätzlichen Gasgemisches durch den zweiten Kanal (30) zu steuern.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (28) mit einem ersten Luftfilter und der zweite Kanal (30) mit einem zweiten Luftfilter verbunden ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (28) mit einem Luftfilter verbunden ist und der zweite Kanal (30) von dem ersten Kanal (28) stromaufwärts des Anschlusses abzweigt.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterlaufrad (50) mit einer Abgasturbine antriebsverbunden ist.
Verfahren zur Steuerung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem Verdichterlaufrad (50) zur Erhöhung des Drucks eines in dem Motor zu verbrennenden Gasgemisches, wobei das Gasgemisch dem Verdichterlaufrad (50) über einen ersten und einen zweiten Kanal (28, 30) zugeführt wird, wobei das Verfahren den Schritt des Zuführens eines Gasgemisches aus dem zweiten Kanal (30) in den ersten Kanal (28) stromaufwärts des Verdichterlaufrads (50) und dadurch Erzeugens eines Dralls in dem ersten Kanal (28) umfasst, wobei dieser Drall die gleiche Drehrichtung aufweist wie die Drehrichtung des Verdichterlaufrads (50).
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch im Wesentlichen tangentiales Zuführen eines Gasgemisches aus dem zweiten Kanal (30) in den ersten Kanal (28).
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch Steuern des Dralls in dem dem Laufrad (50) zugeführten Gasgemisch mittels eines ersten Ventils (36) in dem ersten Kanal (28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, gekennzeichnet durch Steuern des Dralls in dem dem Laufrad (50) zugeführten Gasgemisch mittels eines zweiten Ventils (38) in dem zweiten Kanal (30).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beschleunigung eines von dem Motor angetriebenen Fahrzeugs der Drall durch die folgenden Schritte gesteuert wird: – bei niedrigen Motordrehzahlen Steuern des zweiten Ventils (38), so dass es geöffnet wird, und des ersten Ventils (36), so dass es im Wesentlichen geschlossen wird, – bei zunehmender Motordrehzahl nacheinander folgend Öffnen des ersten Ventils (36) und Schließen des zweiten Ventils (38).