EP1537311A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

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EP1537311A1
EP1537311A1 EP03747999A EP03747999A EP1537311A1 EP 1537311 A1 EP1537311 A1 EP 1537311A1 EP 03747999 A EP03747999 A EP 03747999A EP 03747999 A EP03747999 A EP 03747999A EP 1537311 A1 EP1537311 A1 EP 1537311A1
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EP
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compressor
exhaust gas
internal combustion
combustion engine
throttle valve
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Withdrawn
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EP03747999A
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Manfred Kloft
Florian Noodt
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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    • F02B33/44—Passages conducting the charge from the pump to the engine inlet, e.g. reservoirs
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, with an air path for intake air, in which a compressor, an exhaust gas turbocharger and a throttle valve are arranged, an output of the compressor being connected to an input of the exhaust gas turbocharger, and an air duct bridging the compressor and the throttle valve is arranged downstream of the exhaust gas turbocharger, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for operating such an internal combustion engine, according to the preamble of claim 2.
  • a charge detection When operating an internal combustion engine, a charge detection has the task of determining the air mass in the combustion chamber as accurately and dynamically as possible in order to provide a basis for the setting of manipulated variables. There is no direct measurement. The various known measuring principles are more or less precise because of their indirect measuring method. The most common method with a hot film air mass meter is dynamically inaccurate, especially with supercharged engines due to the insufficient proximity to the combustion chamber, since long distances in the air path lead to time delays and memory effects.
  • actuators that influence the charge such as the charge movement flap (LBK), camshaft, tank ventilation, exhaust gas recirculation (EGR), as well as the components exhaust gas turbocharger (ATL) and compressor have a strong influence on the filling and thus on the manipulated variables of the engine.
  • a supercharged piston internal combustion engine is known from EP 0 879 345 B1, which has both an exhaust gas-driven turbocharger and a mechanically motor-driven compressor, the pressure side of which is connected to a suction side of the turbocharger.
  • a releasable coupling is provided between the motor and the mechanical compressor.
  • the clutch between the engine and the mechanical compressor is held in engagement, the clutch being blocked when the engine load falls below a predetermined level.
  • clutch engagement is permitted regardless of whether the engine load is below the predetermined level.
  • a switchover flap is provided, which actively switches between the two modes of operation or only turbocharger by closing or switching on the corresponding airways. This switchover flap only switches between the air path running through the compressor and the air path bridging the compressor. Therefore, a second control flap is also required, which is used to control the mechanical loader and normally implements a recirculation control.
  • the present invention has for its object to provide a double-charged internal combustion engine of the above. To improve the type with regard to the mechanical structure and the control method.
  • a compression throttle valve is arranged, which exclusively closes this air passage bridging the compressor optionally steplessly and controls compression of the compressor.
  • the compressor is switched off by completely opening the compression throttle valve and disconnecting a clutch between the compressor and crankshaft as soon as the mass flow that the exhaust gas turbocharger is able to deliver due to an exhaust gas mass flow rate m Abg , the delivery volume of the compressor.
  • the compression flap is expediently closed completely until the exhaust gas turbocharger starts to empty the volume behind the compressor.
  • the internal combustion engine comprises an air path in which an air filter 10, a compressor 12, an air duct 14 bridging the compressor 12, a compression throttle valve 16 optionally closing the air duct 14, an exhaust gas turbocharger 18, a charge air cooler 20 , a throttle valve 22 and an intake manifold 24, which opens into respective combustion chambers in a cylinder crankcase 26 of the internal combustion engine, are arranged.
  • the exhaust gas turbocharger 18 further comprises a compressor 33. An outlet of the compressor 12 opens into an inlet of the exhaust gas turbocharger 18.
  • the compressor 12 is driven by a crankshaft 34 from a crankshaft of the internal combustion engine.
  • the drive of the compressor 12 can optionally be separated from the crankshaft by means of a clutch 36, for example a magnetic clutch.
  • the concept of this arrangement is to realize a supercharging by the compressor 12 in a low engine speed range and to switch off the compressor 12 from a certain engine speed above which the exhaust gas turbocharger 18 ensures sufficient supercharging.
  • Respective sensors 38, 40, 42 and 44 each measure a pressure p vATL upstream of the exhaust gas turbocharger 18 and a pressure p vDK upstream of the
  • Throttle valve 22 a pressure p s in the intake manifold 24 and an ambient pressure
  • the compressor 12 In the load or speed range in which the exhaust gas turbocharger 18 alone cannot apply the desired boost pressure, the compressor 12 is switched on. Its compression is controlled by means of the compression throttle valve 16. In this area, the wastegate 30 sets the compression of the exhaust gas turbocharger 18 to maximum.
  • the throttle valve 22 acts as an actuator for the intake pressure p s .
  • the positions of the two flaps 16 and 22 are calculated in the mass flow model described above by means of backward calculation and are controlled in a coordinated manner. As soon as the mass flow that the exhaust gas turbocharger 18 is able to deliver due to the exhaust gas mass flow rh Abg exceeds the delivery volume of the compressor or as soon as the desired boost pressure can be set by the exhaust gas turbocharger 18 alone, the compressor 12 is switched off.
  • the compression throttle valve 16 is opened completely so as not to throttle the exhaust gas turbocharger 18. From this point, the compression of the exhaust gas turbocharger is adjusted via the position of the wastegate valve 30. In the case of full load, the throttle valve 22 is opened completely (boost operation), the compressor 12 is engaged and the compression throttle valve 16 is fully closed. As soon as the exhaust gas turbocharger 18 begins to suck up the volume behind the compressor 12, the wastegate control takes over the setting of the target filling until the target filling is reached. Up to this point, the throttle valve 22 is fully open.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Luftpfad für Ansaugluft, in dem ein Kompressor (12), ein Abgasturbolader (18) und eine Drosselklappe (22) angeordnet sind, wobei ein Ausgang des Kompressors (12) mit einem Eingang des Abgasturboladers (18) verbunden ist, ein den Kompressor (12) überbrückender Luftkanal (14) vorgesehen ist und stromab des Abgasturboladers (18) die Drosselklappe (22) angeordnet ist. Hierbei ist in dem den Kompressor (12) überbrückenden Luftkanal (14) eine Verdichtungsdrosselklappe (16) angeordnet, welche ausschliesslich diesen den Kompressor (12) überbrückenden Luftkanal (14) wahlweise stufenlos schliesst und eine Verdichtung des Kompressors (12) steuert. Bei einem Verfahren zum Betrieben dieser Brennkraftmaschine ist es erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Kompressor durch vollständiges Öffnen der Verdichtungsdrosselklappe und Abtrennen einer Kupplung zwischen Kompressor und Kurbelwelle abgeschaltet wird, sobald der Massenstrom, den der Abgasturbolader aufgrund eines Abgas-Massenstromes mabg zu fördern vermag, das Fördervolumen des Kompressors übersteigt.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER BRENNKRAFTMASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Luftpfad für Ansaugluft, in dem ein Kompressor, ein Abgasturbolader und eine Drosselklappe angeordnet sind, wobei ein Ausgang des Kompres- sors mit einem Eingang des Abgasturboladers verbunden ist, ein den Kompressor überbrückender Luftkanal vorgesehen ist und stromab des Abgasturboladers die Drosselklappe angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine hat eine Füllungserfassung die Aufgabe, die Luftmasse im Brennraum möglichst genau und dynamisch richtig zu bestimmen, um eine Grundlage für die Einstellung von Stellgrößen zu liefern. Eine direkte Messung gibt es nicht. Die verschiedenen, bekannten Meßprinzipien sind we- gen ihrer indirekten Meßmethode mehr oder weniger genau. Die gebräuchlichste Methode mit einem Heißfilmluftmassenmesser ist insbesondere bei aufgeladenen Motoren durch die ungenügende Nähe zum Brennraum dynamisch ungenau, da lange Wege im Luftpfad zu zeitlichen Verzögerungen und Speichereffekten führen. Zudem haben füllungsbeeinflussende Aktuatoren, wie beispielsweise Ladungsbe- wegungsklappe (LBK), Nockenwelle, Tankentlüftung, Abgasrückführung (AGR), sowie die Komponenten Abgasturbolader (ATL), und Kompressor einen starken Einfluß auf die Füllung und somit auf die Stellgrößen des Motors.
Aus der EP 0 879 345 B1 ist eine aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine be- kannt, die sowohl einen abgasgetriebenen Turbolader als auch einen mechanisch motorgetriebenen Kompressor aufweist, auf dessen Druckseite mit einer Saugseite des Turboladers verbunden ist. Zwischen dem Motor und dem mechanischen Kompressor ist eine lösbare Kupplung vorgesehen. In Abhängigkeit von einer Motordrehzahl sowie einer Motorlast wird die Kupplung zwischen Motor und dem me- chanischen Kompressor in Eingriff gehalten, wobei die Kupplung blockiert wird, wenn die Motorlast ein vorbestimmtes Niveau unterschreitet. Wenn eine Abgasbremsvorrichtung betätigt wird, dann wird ein Eingreifen der Kupplung erlaubt ohne Rücksicht darauf, ob die Motorlast unterhalb des vorbestimmten Niveaus ist. Da der mechanische Kompressor nur bei niedrigen Drehzahlen betrieben werden soll, ist eine Umschaltklappe vorgesehen, die zwischen den Betriebsarten beide Lader aktiv oder nur Turbolader aktiv umschaltet, indem sie die entsprechenden Luftwege verschließt bzw. zuschaltet. Diese Umschaltklappe schaltet lediglich zwischen dem über den Kompressor laufenden Luftpfad und dem den Kompressor überbrückenden Luftpfad um. Daher wird zusätzlich eine zweite Regelklappe be- nötigt, die zum Regeln des mechanischen Laders eingesetzt wird und normalerweise eine Umluftregelung realisiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine doppelt aufgeladene Brennkraftmaschine der o.g. Art bzgl. des mechanischen Aufbaus und des Steu- erverfahrens zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen sowie durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 2 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhaf- te Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß in dem den Kompressor überbrückenden Luftkanal eine Verdichtungs- drosselklappe angeordnet ist, welche ausschließlich diesen den Kompressor ü- berbrückenden Luftkanal wahlweise stufenlos schließt und eine Verdichtung des Kompressors steuert.
Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Kompressor durch vollständiges Öffnen der Verdichtungsdrosselklappe und Abtrennen einer Kupplung zwischen Kompressor und Kurbelwelle abgeschaltet wird, sobald der Massenstrom, den der Abgasturbolader aufgrund eines Abgas-Massenstromes mAbg zu fördern vermag, das Fördervolumen des Kompres- sors übersteigt.
Dies hat den Vorteil, daß in einem niedrigen Drehzahlbereich eine Aufladung durch den Kompressor realisiert ist und ab einer bestimmten Drehzahl, ab der der Abgasturbolader eine ausreichende Aufladung gewährleistet, der Kompressor ab- geschaltet werden kann.
Zweckmäßigerweise wird im Volllastfall der Brennkraftmaschine die Verdichtungsklappe vollständig geschlossen, bis der Abgasturbolader das Volumen hinter dem Kompressor leerzusaugen beginnt.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung des Luftpfades und einer Abgasseite einer doppelt aufgeladenen Brennkraftmaschine
Wie aus der einzigen Fig. ersichtlich, umfaßt die Brennkraftmaschine einen Luftpfad, in dem ein Luftfilter 10, ein Kompressor 12, ein den Kompressor 12 überbrückender Luftkanal 14, eine den Luftkanal 14 wahlweise verschließende Verdich- tungsdrosselklappe 16, ein Abgasturbolader 18, ein Ladeluftkühler 20, eine Drosselklappe 22 und ein Saugrohr 24, welches in jeweilige Brennräume in einem Zylinderkurbelgehäuse 26 der Brennkraftmaschine mündet, angeordnet sind. An einem Abgaskrümmer 28 ist ein Wastegate 30 angeordnet, welches eine Turbine 32 des Abgasturboladers 18 mit einem Abgasstrom beaufschlagt. Der Abgasturbolader 18 umfaßt ferner einen Verdichter 33. Ein Ausgang des Kompressors 12 mündet in einen Eingang des Abgasturboladers 18. Der Kompressor 12 wird über einen Riemen 34 von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Hier- bei ist der Antrieb des Kompressors 12 mittels einer Kupplung 36, beispielsweise einer Magnetkupplung, wahlweise von der Kurbelwelle trennbar. Das Konzept dieser Anordnung liegt darin, in einem niedrigen Drehzahlbereich eine Aufladung durch den Kompressor 12 zu realisieren und ab einer bestimmten Drehzahl, ab der der Abgasturbolader 18 eine ausreichende Aufladung gewährleistet, den Kompressor 12 abzuschalten. Jeweilige Sensoren 38, 40, 42 und 44 messen jeweils einen Druck pvATL vor dem Abgasturbolader 18, einen Druck pvDK vor der
Drosselklappe 22, einen Druck ps im Saugrohr 24 und einen Umgebungsdruck
In demjenigen Last- bzw. Drehzahlbereich, in dem der Abgasturbolader 18 allein den gewünschten Ladedruck nicht aufzubringen vermag, wird der Kompressor 12 zugeschaltet. Dessen Verdichtung wird mittels der Verdichtungsdrosselklappe 16 gesteuert. In diesem Bereich stellt das Wastegate 30 auf maximale Verdichtung des Abgasturboladers 18. Dabei wirkt die Drosselklappe 22 als Stellglied des Saug roh rdruckes ps . Die Stellungen der beiden Klappen 16 und 22 werden in dem oben beschriebenen Massenstrom-Modell mittels Rückwärtsrechnung berechnet und aufeinander abgestimmt angesteuert. Sobald der Massenstrom, den der Abgasturbolader 18 aufgrund des Abgas-Massenstromes rhAbg zu fördern vermag, das Fördervolumen des Kompressors übersteigt bzw. sobald der ge- wünschte Ladedruck vom Abgasturbolader 18 alleine einstellbar ist, wird der Kompressor 12 abgeschaltet. Die Verdichtungsdrosselklappe 16 wird vollständig geöffnet, um den Abgasturbolader 18 nicht zu drosseln. Die Einregelung der Verdichtung des Abgasturboladers erfolgt von diesem Punkt an über die Stellung des Wastegate-Ventils 30. Im Volllastfall wird die Drosselklappe 22 vollkommen geöff- net (Boostbetrieb), der Kompressor 12 eingekuppelt und die Verdichtungsdrosselklappe 16 voll geschlossen. Sobald der Abgasturbolader 18 das Volumen hinter dem Kompressor 12 leerzusaugen beginnt, übernimmt die Wastegate-Regelung die Einstellung der Sollfüllung, bis die Sollfüllung erreicht ist. Bis zu diesem Punkt ist die Drosselklappe 22 vollständig geöffnet.

Claims

Patentansprüche:
1. Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Luft- pfad für Ansaugluft, in dem ein Kompressor (12), ein Abgasturbolader (18) und eine Drosselklappe (22) angeordnet sind, wobei ein Ausgang des Kompressors (12) mit einem Eingang des Abgasturboladers (18) verbunden ist, ein den Kompressor (12) überbrückender Luftkanal (14) vorgesehen ist und stromab des Abgasturboladers (18) die Drosselklappe (22) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem den Kompressor (12) überbrückenden Luftkanal (14) eine Verdichtungsdrosselklappe (16) angeordnet ist, welche ausschließlich diesen den Kompressor (12) überbrückenden Luftkanal (14) wahlweise stufenlos schließt und eine Verdichtung des Kompressors (12) steuert.
2. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor durch vollständiges Öffnen der Verdichtungsdrosselklappe und Abtrennen einer Kupplung zwischen Kompressor und Kurbelwelle abgeschaltet wird, sobald der Massenstrom, den der Abgasturbolader aufgrund eines Ab- gas-Massenstromes rhAb zu fördern vermag, das Fördervolumen des
Kompressors übersteigt.
3. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß im Volllastfall der Brennkraftmaschine die Verdichtungsklappe vollständig geschlossen wird, bis der Abgasturbolader das Volumen hinter dem Kompressor leerzusaugen beginnt.
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