WO2003044348A1 - Method for charge exchange in a piston-type internal combustion engine and charge exchange system suitable for carrying out said method - Google Patents

Method for charge exchange in a piston-type internal combustion engine and charge exchange system suitable for carrying out said method Download PDF

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WO2003044348A1
WO2003044348A1 PCT/EP2002/013028 EP0213028W WO03044348A1 WO 2003044348 A1 WO2003044348 A1 WO 2003044348A1 EP 0213028 W EP0213028 W EP 0213028W WO 03044348 A1 WO03044348 A1 WO 03044348A1
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Oskar Schatz
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Schatz Thermo Engineering
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Definitions

  • the invention relates to a method for changing the charge in an internal combustion engine of the piston type in which charge air is supplied to a combustion chamber having at least one intake valve and one exhaust valve via an air filter, and the charge air is optionally guided either via a compressor branch of a supercharger system which contains a compressor for the charge air and a drive unit assigned to the compressor, or via a suction air branch which bypasses the compressor, and with blocking elements in the compressor branch and in the suction air branch, and a charge exchange system suitable for carrying out the method.
  • the use of the exhaust gas turbocharger suffers from a problem inherent in these superchargers, namely that it runs at a relatively low speed at low engine load and in particular at low engine speeds and is then virtually ineffective.
  • a certain speed is set for a given drive power and a given load torque of the compressor. If the delivery capacity of the compressor is to be increased, the speed of the charger and the drive power must be increased accordingly. It would then require a lot of energy to respond quickly enough to a higher load requirement, that is, the required one Minimum speed to be accelerated at which the compressor has the desired effect.
  • the invention is generally based on the object to operate internal combustion engines of the piston type with turbo compressors with the simplest and cheapest possible design of the system in such a way that high torques are available even at low engine speeds, unsteady processes (sudden load changes) are coped with as well as possible, without delay optimal adaptation of the gas exchange to the respective operating situation is made possible and at the same time the desire for the most economical and low-emission engines is met.
  • the control device switches off the compressor on the air side in the case of predetermined operating states of the engine, while the drive of the charging system is maintained.
  • the compressor is preferably switched off by closing the blocking member in the compressor branch. In order to prevent the compressor, which is still driven, from pumping, the compressor can be short-circuited, for example by a recirculating air valve known per se.
  • the invention increases the speed at which the speed of the supercharger and thus the delivery rate of the compressor is increased to the required extent by relieving the compressor for a short time, while the resulting delivery rate is taken over by the intake of a corresponding amount of air by the engine.
  • the compressor can be loaded again, leaving it open whether the possibility of air intake of the engine from the environment, i.e. bypassing the compressor, for optimal adjustment of the gas exchange as an alternative function besides the supply of compressed combustion air is maintained or not.
  • the charger system must be accelerated as quickly as possible in order to overcome the weakness in starting, which can be achieved by switching off the compressor on the air side in the start-up phase, because this means that the compressor hardly loaded drive unit can reach its operating speed very quickly.
  • switching off the compressor on the air side during engine operation with low load and / or low engine speed can prevent the speed of the charger system from dropping below the minimum speed at which the compressor is ready to produce the desired delivery rate.
  • Control device is only able to open the compressor branch when the
  • the speed of the charger system is limited to a predetermined maximum value and that at lower Engine load, when the air supply to the compressor is not required, the blocking element in the compressor branch is closed in order to remove the compressor from the charge air flow, while the exhaust gas flow drives the compressor, so that the compressor can maintain its operating speed relatively unloaded during engine operation.
  • the automatic speed limitation ensures that the unloaded compressor does not exceed its permissible maximum speed.
  • a further advantageous embodiment consists in that the blocking element in the suction air line is opened with a time delay compared to the assigned inlet valve on the combustion chamber and is closed before the dynamically compressed air volume flows back from the combustion chamber.
  • This procedure which is known per se, initially creates a negative pressure in the combustion chamber, which leads to the fact that, after the blocking member has been opened, the air present at the blocking member flows into the combustion chamber at a higher speed and is compressed by its inherent kinetic energy when it hits the combustion chamber boundary.
  • this compression can be used to increase performance, which is particularly advantageous in the phase in which there is an increased power requirement for starting up the compressor, which in turn cannot contribute to satisfying this power requirement because it is still operating speed has not reached.
  • the advantageous possibilities of this gas exchange process have not yet been exhausted after it has kept two different combustion air sources available during the engine's operating time, once the compressor has reached its operating speed after starting the engine Selection can be used via the control device, namely the suction air branch and the compressor branch with compressed air. It is therefore possible, depending on the current operating situation of the engine, to select the most favorable charge exchange method.
  • the engine can be operated not only with charging, but in particular also with recharging, both statically and optionally dynamically.
  • the blocking member in the suction air branch is opened and closed prematurely for each suction stroke in the combustion chamber, whereupon the blocking member in the compressor branch is opened and reloaded for compressed air is closed again.
  • a particularly advantageous further embodiment consists in that the air from the suction air branch is introduced into the combustion chamber via a first inlet valve and the compressed air from the compressor branch is introduced into the combustion chamber via a second inlet valve, so that the combustion chamber is suction air or compressed as required and at selectable times
  • Air can be supplied.
  • exhaust gas can be exhausted from an exhaust gas recirculation line that can be blocked against backflow into a direction connected to the inlet valve in the direction of the air filter
  • Suction strokes are fed to the engine at least a portion of compressed charge air.
  • the invention also relates to a charge exchange system
  • the invention consists in that the suction air branch and the compressor branch each contain a shut-off device and that at least the shut-off device in the compressor branch can be controlled and the shut-off devices are assigned a control such that only one of the shut-off devices can be opened at the same time , wherein the compressor is preferably part of a charger system to which a sensor for monitoring the compressor speed is assigned, that this sensor is in signal connection with a control unit and the control unit is suitable for opening the shut-off device in the compressor branch only when the sensor signal indicates that the Compressor has reached a predetermined operating speed.
  • shut-off element in the suction air branch is a check valve and that both shut-off elements can be controlled.
  • control unit is suitable for receiving information about the operating state of the engine via a signal input, for closing the blocking element in the compressor branch if this operating state does not require the compressor to be supplied with air, and for limiting the speed of the exhaust gas turbine to a predetermined maximum value ,
  • Another expedient embodiment consists in that an exhaust gas recirculation provided with a non-return valve, which is expediently provided with a pressure regulator, opens between one of the blocking members and the inlet valve assigned to it.
  • the suction air branch between the air filter and the shut-off device contains an air collector with a subsequent oscillating tube.
  • the compressor branch between the compressor and the shut-off device preferably contains an air collector with a subsequent oscillating tube and the shut-off device is an air cycle valve.
  • an electric acceleration motor can be assigned to the compressor to further shorten the response time of the turbocharger, and the drive connection between the compressor and an exhaust gas turbine can be provided with a freewheel.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine with a charge exchange system according to the invention with a suction air branch and a compressor branch, the combustion chamber having an inlet valve
  • FIG. 2 shows an illustration of an internal combustion engine similar to FIG
  • Combustion chamber is provided with two intake and exhaust valves, Fig. 3rd a schematic representation of a three-cylinder engine with a gas exchange system according to the invention, Fig. 4 shows a variant of the gas exchange system using the example of a
  • FIG. 5 a representation similar to FIG. 2 of a charge exchange system according to the invention with the possibility of exhaust gas recirculation,
  • Fig. 6 shows a charge exchange system according to the invention with an electric motor for
  • Fig. 7 shows a charge exchange system according to the invention with a volume store in the bypass
  • F Fiigg. 8 8 shows a variant of the charge exchange system shown in FIG. 7,
  • Fig. 10 is a graphical representation of the air expenditure as a function of
  • 10 denotes the combustion chamber in which a piston (not shown) can be moved.
  • the combustion air is fed to the system via an air filter 12 and can enter the combustion chamber 10 during the opening phase of an intake valve 14.
  • the exhaust valve 16 When the exhaust valve 16 is open, the exhaust gases flow out of the combustion chamber 10 into an exhaust gas line 18. They can be used in a turbine 20 to drive a compressor 22, by means of which the charge air can be compressed. Turbine 20 and compressor 22 together form the turbocharger.
  • the drive connection between the turbine 20 and the compressor 22 is designated by 24.
  • the exhaust gases can be discharged via a line branch 18a of the exhaust gas line arranged parallel to the turbine 20 or can be conducted via a line branch 18b over the turbine.
  • a line branch 18a of the exhaust gas line arranged parallel to the turbine 20
  • a line branch 18b over the turbine.
  • the admission of the turbine 20 can be adjusted according to the power requirement.
  • the charge air line 28 running between the air filter 12 and the inlet valve 14 on the combustion chamber 10 is likewise in two parallel line branches 28a and 28b
  • the line branch 28b also called the compressor branch, containing the compressor 22, while the line branch 28a, also called the suction air branch, bypasses the compressor 22 as a bypass.
  • the flow through the suction air branch 28a can be opened or closed by a controllable blocking member 30.
  • the flow through the compressor branch 28b can be opened or closed by a blocking member 32.
  • the valve 32 is to be understood symbolically in order to express the possibility of being able to switch off the compressor branch 28b. It must be assumed here that the compressor 22 can be short-circuited, for example by a recirculating air valve known per se, which, like a charge air cooler following the compressor 22, is not shown to simplify the illustration.
  • the locking members 30 and 32 are coordinated by a control device 34 such that only one of the two locking members can be opened.
  • the control device 34 is connected via a signal line 36 to a sensor 38 which is suitable for generating a signal which is dependent on the speed of the compressor 22 and which indicates to the control device 34 whether the speed of the compressor 22 has reached a predetermined operating speed which of the compressors 22 is capable of delivering sufficient compressor output.
  • the blocking member 32 in the compressor branch 28b can only be opened when this operating speed has been reached or exceeded. Otherwise, the air supply to the combustion chamber 10 takes place via the suction air branch 28a with the blocking member 30 open.
  • the acceleration phase of the compressor is noticeably shortened because the drive energy emitted by the turbine 20 after the setting of a pressure equilibrium on the compressor, apart from the resulting frictional losses, without further delivery capacity for acceleration of the compressor 22 is used.
  • control device 34 Via a signal line 40, the control device 34 receives information about the
  • the control device 34 closes the blocking member 32 in the compressor branch 28b and at the same time opens the blocking member 30 in the suction air branch 28a, whereby the compressor 22 is relieved, while at the same time it continues to be driven by the exhaust gas turbine 20 , So that it does not exceed the permissible maximum speed, the compressor speed is also monitored via the sensor 38 and a signal is sent to the control element 26 via a signal line 42 in order to limit the speed accordingly.
  • control device 34 closes via a
  • Control line 41 the blocking member 30 in the suction air branch 28a and at the same time opens the blocking member 32 in the compressor branch 28b, the compressor 22 already being at its full operating speed and requiring no time-consuming acceleration.
  • the combustion chamber 10 has two inlet valves
  • the suction air branch 28a bypassing the compressor 22 is connected to the inlet valve 14a, and the compressor branch 28b is connected to the inlet valve 14b.
  • the blocking member 30 is connected upstream of the inlet valve 14a, the blocking member 32 is connected upstream of the inlet valve 14b, these blocking members being actuated in the same way as has already been described for the arrangement shown in FIG. 1.
  • the control device 34 with its signal lines 36, 40, 41 and 42 is only shown in FIG. 1 in order to explain its function.
  • FIGS. 2 to 9 it is assumed that there is a corresponding device for the valves which require control.
  • the shut-off device 30 can be designed as an inexpensive check valve which, on the one hand, permits suction operation and, on the other hand, prevents the return flow of compressed air to the air filter 12.
  • the arrangement according to FIG. 2 can also be operated with two controllable air lines in order to effect recharging.
  • the locking member 30 is then closed early on each suction stroke and then compressed air is refilled by opening the locking member 32 late.
  • FIGS. 1, 2 and 5 to 9 show in principle the same arrangement that is shown in FIG. 2 for a combustion chamber 10 in its application in a three-cylinder engine.
  • FIG. 4 shows a variant of this, in which, in contrast to FIG. 3, the inlet valves 14a and 14b are designed as variably controllable valves, so that they can take over the task of the blocking members 30 and 32 in FIG. 3.
  • Variable inlet valves are expensive, which is why it can be more advantageous to connect conventional inlet valves with interdependent, mutually opening blocking members 30 and 32.
  • the return line 44 can open downstream of the blocking member 30 into the suction air branch 28a, but it can also open downstream of the shutoff member 32 into the compressor branch 28b if the engine is operated with recharging or the shut-off device 32 opens later than the inlet valve 14, so that the exhaust gas can reach the combustion chamber 10 before the shut-off device 32 allows compressed air to enter this line branch.
  • shut-off elements 30 and 32 are initially closed at the start of the suction stroke in the arrangement shown in FIG. 5, while the open shut-off element 48 prevents the inflow of exhaust gas into the
  • the shut-off device 48 is preferably closed before the shut-off device 30 is opened in order to allow air to be drawn in.
  • the shut-off device 30 is closed again while the suction stroke continues.
  • the shut-off device 32 is briefly opened for reloading.
  • the blocking elements 30 and 32 can be used as controlled check valves or as
  • an auxiliary electric drive 50 can be provided - as shown in FIG. 6 - for an additional acceleration of the compressor 22, in which case the drive connection 24 between the turbine 20 and the compressor 22 is provided with a freewheel 52 which, if necessary, allows the compressor 22 to overtake the turbine 20.
  • the arrangements according to FIGS. 7 and 8 contain the air collector 54 in the suction air branch 28a with an oscillating tube section 56 in front of the shut-off device 30 designed as a check valve.
  • the shut-off device 32 is a controlled check valve. As long as the combustion chamber 10 is supplied via the suction air branch 28a, the late opening of the shut-off element 30 in connection with the pressure wave forming in the oscillating tube section 56 leads to dynamic charging in the combustion chamber 10. During a suction stroke, the blocking element 30 opens once.
  • Shut-off device 30 an air cycle valve is provided. This valve can be opened twice during the suction stroke and thus operated with early inlet closing and then late inlet opening. With the compressor branch 28b switched off, this also leads to dynamic charging each time the shut-off element 30 is opened.
  • the arrangement according to FIG. 9 contains the air collector 54 and the oscillating tube section 56 in the compressor branch 28b.
  • the shut-off device 32 is an air cycle valve
  • the shut-off device 30 can be a controlled check valve or also an air cycle valve.
  • the combustion chamber 10 can first be supplied with suction air from the suction air branch 28a, whereupon after the shut-off member 30 has been closed and the shut-off member 32 has been opened by the pressure wave from the compressor branch 28b, dynamic recharging takes place. If the combustion chamber 10 is filled only via the compressor branch 28b, a dynamic supercharging can also be carried out with this arrangement via the compressor branch 28b.
  • the graphic representation in FIG. 10 shows the achievable air expenditure with different charging methods for a speed range from 0.5 to 2.5 ⁇ 10 3 rpm. Due lowermost curve 1 shows how during suction of about 1, 25 x 10 3 U / min of air consumption gradually increases from about 0.5 to 0.9 at 2 x 10 3 U / min increases.
  • Curve 2 located shows that with dynamic charging from the suction air branch with late inlet opening and early inlet closing, a somewhat higher air expenditure can be achieved.
  • Curve 3 shows how a much steeper increase in air consumption is possible by charging by means of the compressor, which value is 1.0 at 1.5 ⁇ 10 3 rpm and already at approximately 1.85 ⁇ 10 3 rpm Value 1, 8 reached.
  • the suction air branch 28a serving to supply the combustion chambers 10 of a multi-cylinder engine with suction air which is connected to the cylinder inlet valves 14a via branches 64, and that for supplying the combustion chambers 10 with compressed air
  • Air-serving compressor branch 28b, which leads to an air collector 54, from which oscillating tubes 56 lead to the cylinder inlet valves 14b, are switched on or off alternately for all combustion chambers 10 of the engine by the mode switches 30 and 32 for suction or compressor operation can.
  • a check valve is normally provided in each branch 64 in order to prevent the backflow of compressed air from the combustion chamber 10 to the mode switch 30.
  • an air cycle valve 60 can also be provided instead of a check valve in order to enable dynamic charging even when the compressor is switched off.
  • an air cycle valve 62 is connected upstream of the cylinder inlet valve 14b. If the operating mode switch 32 is closed, the compressor 22 is short-circuited via a connection (not shown) between the suction and pressure-side connection, so that it can be driven by the turbine 20 without load. The speed is increased by the control member 26 compared to the operating speed during compressor operation in the direction of the mechanical and thermal limit speed so that when switching to compressor operation by opening the mode switch 32 and g easy closing of the Mode switch 30, the air density in the collector 54 quickly increases to the desired level without the compressor speed falling below the operating speed.

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Abstract

The invention relates to a method for charge exchange in a piston-type internal combustion engine, whereby charge air is supplied to a combustion chamber (10), comprising at least one inlet valve (14) and one exhaust valve (16),through an air filter (12). The charge air is supplied selectively, either through a compressor branch (28a) of a charging system, comprising a compressor (22) for the charge air and a drive unit (20) for the compressor, or through a naturally-aspirated branch (28b), which circumvents the compressor (22) as a bypass. Closing bodies (32, 30) are provided in both the compressor branch (28b) and the naturally-aspirated branch (28a). The speed of the charging system is dependent on the compressor load and the closing bodies (32, 30) are alternately opened in a controlled manner by means of a controller (34).

Description

BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Verfahren zum Ladungswechsel bei einem Verbrennungsmotor der Kolbenbauart und zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Ladungswechselsystem.Process for changing the charge in an internal combustion engine of the piston type and suitable charge change system for carrying out the process.
Die Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zum Ladungswechsel bei einem Verbrennungsmotor der Kolbenbauart bei welchem einem wenigstens ein Einlaßventil und ein Auslaßventil aufweisenden Brennraum über einen Luftfilter Ladeluft zugeführt wird und dabei die Ladeluft wahlweise entweder über einen Verdichterzweig eines Ladersystems geführt wird, der einen Verdichter für die Ladeluft und eine dem Verdichter zugeordnete Antriebseinheit enthält, oder über einen Saugluftzweig, der als Bypass den Verdichter umgeht, und mit Sperrorganen im Verdichterzweig und im Saugluftzweig , sowie ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Ladung swechselsystem .According to the preamble of claim 1, the invention relates to a method for changing the charge in an internal combustion engine of the piston type in which charge air is supplied to a combustion chamber having at least one intake valve and one exhaust valve via an air filter, and the charge air is optionally guided either via a compressor branch of a supercharger system which contains a compressor for the charge air and a drive unit assigned to the compressor, or via a suction air branch which bypasses the compressor, and with blocking elements in the compressor branch and in the suction air branch, and a charge exchange system suitable for carrying out the method.
Ein solches Verfahren ist früher insbesondere bei Großdieselmotoren in Verbindung mit mechanischen Verdichtern zum Zwecke der Nachladung angewandt worden, d.h. es wurde bei jedem Zyklus der Zylinder zunächst mit Saugluft gefüllt, dann der Saugluftzweig geschlossen und nach der Saugluft zur Erhöhung des Drucks aus dem Verdichterzweig verdichtete Luft in den Brennraum eingebracht. Die Sperrorgane werden also bei jedem Zyklus abhängig vom Kurbelwinkel geöffnet und geschlossen. Der Zweck dieser Verfahrensweise bestand darin, den Verbrauch im Vergleich zu einem konventionell aufgeladenen Motor zu senken. In letzter Zeit ist mit der gleichen Zielsetzung die Nachladung insbesondere für Kraftfahrzeug motoren wieder ins Gespräch gekommen, wobei sie in Verbindung mit den heute üblichen Abgasturboladern vorgeschlagen wird.Such a method has previously been used in particular in large diesel engines in connection with mechanical compressors for the purpose of recharging, i.e. In each cycle, the cylinder was first filled with suction air, then the suction air branch was closed and, after the suction air, compressed air from the compressor branch was introduced into the combustion chamber to increase the pressure. The locking devices are therefore opened and closed in each cycle depending on the crank angle. The purpose of this approach was to reduce consumption compared to a conventionally charged engine. Recently, the reloading has come into discussion again, in particular for motor vehicle engines, with it being proposed in connection with the exhaust gas turbochargers customary today.
Die Verwendung des Abgasturboladers leidet unter einer diesen Ladern prinzipiell anhaftenden Schwierigkeit, daß er nämlich bei niedriger Motorlast und insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen mit verhältnismäßig niedriger Drehzahl läuft und dann praktisch wirkungslos ist. Bei diesen Ladern stellt sich bei einer gegebenen Antriebsleistung und einem gegebenen Lastmoment des Verdichters eine bestimmte Drehzahl ein. Soll die Förderleistung des Verdichters erhöht werden, muß folgerichtig die Drehzahl des Laders und die Antriebsleistung erhöht werden. Er würde dann viel Energie benötigen, um schnell genug auf eine höhere Lastanforderung anzusprechen, d.h. auf die erforderliche Mindestdrehzahl beschleunigt zu werden, bei der der Verdichter die gewünschte Wirkung entfaltet. Wenn - was bei Kraftfahrzeugmotoren relativ häufig eintritt - der Motor plötzlich belastet und gegebenenfalls auch noch beschleunigt werden soll, dauert es sehr lang, bis der Abgasturbolader auf die erforderliche Leistung hochgefahren ist, d.h. eine ausreichende Luftmenge mit ausreichendem Druck liefert. Dies ist die Ursache der berüchtigten Anfahrschwäche von mit Turboladern ausgerüsteten Motoren, die sich zeigt, wenn das Fahrzeug aus dem Stand beschleunigt werden soll. Sie macht sich aber auch bemerkbar bei plötzlichem Leistungsbedarf während der Fahrt, insbesondere wenn der Motor mit niedriger Drehzahl und niedriger Belastung läuft.The use of the exhaust gas turbocharger suffers from a problem inherent in these superchargers, namely that it runs at a relatively low speed at low engine load and in particular at low engine speeds and is then virtually ineffective. With these superchargers, a certain speed is set for a given drive power and a given load torque of the compressor. If the delivery capacity of the compressor is to be increased, the speed of the charger and the drive power must be increased accordingly. It would then require a lot of energy to respond quickly enough to a higher load requirement, that is, the required one Minimum speed to be accelerated at which the compressor has the desired effect. If - what happens relatively often in motor vehicle engines - the engine is suddenly loaded and possibly also accelerated, it takes a very long time for the exhaust gas turbocharger to ramp up to the required power, ie to supply a sufficient amount of air with sufficient pressure. This is the cause of the notorious weak start of engines equipped with turbochargers, which shows up when the vehicle is to be accelerated from a standing start. It is also noticeable when there is a sudden need for power while driving, especially when the engine is running at low speed and low load.
Wegen der Anfahrschwäche wurde bereits vorgeschlagen, den Antrieb des Verdichters zeitweilig durch einen elektrischen Hilfsmotor, einen sogenannten E-Booster, zu unterstützen. Dies ist mit entsprechenden Mehrkosten verbunden, nimmt kostbaren Raum in Anspruch, erhöht das Fahrzeuggewicht und entzieht dem elektrischen Bordsystem elektrische Energie, was sich insbesondere in der Startphase, wenn ohnehin ein hoher Bedarf an elektrischer Energie besteht, unerwünscht ist.Because of the weak starting, it has already been proposed to temporarily support the drive of the compressor by means of an electric auxiliary motor, a so-called e-booster. This is associated with corresponding additional costs, takes up valuable space, increases the weight of the vehicle and extracts electrical energy from the electrical on-board system, which is undesirable particularly in the starting phase, when there is a high demand for electrical energy anyway.
Der Nachteil, unter Last eine verhältnismäßig lange Hochfahrzeit zu benötigen, haftet nicht nur Turboantriebsmaschinen, sondern auch Turboarbeitsmaschinen an. Er wird sich also auch bemerkbar machen, wenn man einem Turboverdichter statt einer Abgasturbine als Antrieb einen Elektromotor zuordnet.The disadvantage of requiring a relatively long start-up time under load is not only associated with turbo drive machines, but also turbo work machines. It will also be noticeable if you assign an electric motor to a turbo compressor instead of an exhaust gas turbine.
Der Erfindung liegt allgemein die Aufgabe zugrunde, Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart mit Turboverdichtern bei möglichst einfacher und kostengünstiger Gestaltung des Systems so zu betreiben, daß auch bei niedrigen Motordrehzahlen hohe Drehmomente zur Verfügung stehen, instationäre Vorgänge (plötzliche Lastwechsel) gut bewältigt werden, eine möglichst verzögerungsfreie und optimale Anpassung des Ladungswechsels an die jeweilige Betriebssituation ermöglicht wird und dabei zugleich dem Wunsch nach möglichst verbrauchsgünstigen und abgasarmen Motoren entsprochen wird.The invention is generally based on the object to operate internal combustion engines of the piston type with turbo compressors with the simplest and cheapest possible design of the system in such a way that high torques are available even at low engine speeds, unsteady processes (sudden load changes) are coped with as well as possible, without delay optimal adaptation of the gas exchange to the respective operating situation is made possible and at the same time the desire for the most economical and low-emission engines is met.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 darin, daß unter Anwendung des eingangs genannten Verfahrens durch eine Steuereinrichtung die Sperrorgane in gesteuerter, vom Arbeitszyklus des Motors unabhängiger Weise wechselseitig geöffnet werden. Damit wird die Möglichkeit eröffnet die Ladeluft während bestimmter Betriebsperioden des Motors entweder über den Saugluftzweig oder den Verdichterzweig dem Brennraum zuzuführen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung schaltet die Steuereinrichtung bei vorgegebenen Betriebszuständen des Motors den Verdichter luftseitig ab, während der Antrieb des Ladersystems aufrechterhalten wird. Dabei wird vorzugsweise der Verdichter durch Schließen des Sperrorgans im Verdichterzweig abgeschaltet. Um ein Pumpen des weiterhin angetriebenen Verdichters zu vermeiden, kann der Verdichter kurzgeschlossen werden, etwa durch ein an sich bekanntes Umluftventil.The solution to this problem is according to the characterizing part of claim 1 is that using the above-mentioned method by a control device, the locking members are mutually opened in a controlled, independent of the working cycle of the engine. This opens up the possibility of supplying the charge air to the combustion chamber during certain operating periods of the engine either via the suction air branch or the compressor branch. According to an advantageous embodiment, the control device switches off the compressor on the air side in the case of predetermined operating states of the engine, while the drive of the charging system is maintained. The compressor is preferably switched off by closing the blocking member in the compressor branch. In order to prevent the compressor, which is still driven, from pumping, the compressor can be short-circuited, for example by a recirculating air valve known per se.
Die Erfindung erhöht die Geschwindigkeit, mit der die Drehzahl des Laders und damit die Förderleistung des Verdichters auf das erforderliche Maß gesteigert wird dadurch, daß der Verdichter kurzzeitig entlastet wird, während die dadurch ausfallende Förderleistung durch das Ansaugen einer entsprechenden Luftmenge durch den Motor übernommen wird. Sobald der Lader die gewünschte Drehzahl erreicht hat, kann der Verdichter wieder belastet werden, wobei es offen bleibt, ob die Möglichkeit der Luftansaugung des Motors aus der Umgebung, d.h. unter Umgehung des Verdichters, für die optimale Anpasssung des Ladungswechsels als alternative Funktion neben der Zufuhr verdichteter Brennluft beibehalten wird oder nicht. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können zwei aus den einleitenden Erläuterungen herleitbare Probleme bewältigt werden: es muß einerseits eine möglichst schnelle Beschleunigung des Ladersystems ermöglicht werden, um die Startschwäche zu überwinden, was durch luftseitiges Abschalten des Verdichters in der Startphase erreichbar ist, weil dadurch die vom Verdichter kaum belastete Antriebseinheit sehr schnell ihre Betriebsdrehzahl erreichen kann. Andererseits kann durch luftseitiges Abschalten des Verdichters während des Motorbetriebs bei niedriger Last und/oder niedriger Drehzahl des Motors verhindert werden, daß die Drehzahl des Ladersystems unter die Mindestdrehzahl absinkt, bei der der Verdichter bereit ist, die gewünschte Förderleistung zu erbringen.The invention increases the speed at which the speed of the supercharger and thus the delivery rate of the compressor is increased to the required extent by relieving the compressor for a short time, while the resulting delivery rate is taken over by the intake of a corresponding amount of air by the engine. As soon as the supercharger has reached the desired speed, the compressor can be loaded again, leaving it open whether the possibility of air intake of the engine from the environment, i.e. bypassing the compressor, for optimal adjustment of the gas exchange as an alternative function besides the supply of compressed combustion air is maintained or not. With the solution according to the invention, two problems that can be derived from the introductory explanations can be overcome: on the one hand, the charger system must be accelerated as quickly as possible in order to overcome the weakness in starting, which can be achieved by switching off the compressor on the air side in the start-up phase, because this means that the compressor hardly loaded drive unit can reach its operating speed very quickly. On the other hand, switching off the compressor on the air side during engine operation with low load and / or low engine speed can prevent the speed of the charger system from dropping below the minimum speed at which the compressor is ready to produce the desired delivery rate.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht deshalb darin, daß die Drehzahl der Antriebseinheit durch einen Sensor ermittelt und ein von dieser Drehzahl abhängiger Steuerparameter in eine Steuereinrichtung eingegeben wird und dieA particularly advantageous embodiment of the invention is therefore that the speed of the drive unit is determined by a sensor and a control parameter dependent on this speed is entered into a control device and the
Steuereinrichtung nur dann befähigt ist, den Verdichterzweig zu öffnen, wenn dieControl device is only able to open the compressor branch when the
Drehzahl der Antriebseinheit eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht hat.Speed of the drive unit has reached a predetermined operating speed.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Drehzahl des Ladersystems auf einen vorgegebenen Höchstwert begrenzt wird und daß bei geringer Motorlast, wenn die Luftförderung des Verdichters nicht benötigt wird, das Sperrorgan im Verdichterzweig geschlossen wird, um den Verdichter aus dem Ladeluftstrom herauszunehmen, während der Abgasstrom den Verdichter antreibt, so daß der Verdichter relativ unbelastet seine Betriebsdrehzahl während des Motorbetriebs halten kann. Dabei wird durch die automatische Drehzahlbegrenzung erreicht, daß der unbelastete Verdichter nicht seine zulässige Höchstdrehzahl überschreitet.Another very advantageous embodiment is that the speed of the charger system is limited to a predetermined maximum value and that at lower Engine load, when the air supply to the compressor is not required, the blocking element in the compressor branch is closed in order to remove the compressor from the charge air flow, while the exhaust gas flow drives the compressor, so that the compressor can maintain its operating speed relatively unloaded during engine operation. The automatic speed limitation ensures that the unloaded compressor does not exceed its permissible maximum speed.
Bei Motoren, deren Verdichterzweig einen Luftsammler enthält ist zu berücksichtigen, daß die Luftdichte im Luftsammler den Aufladegrad im Motor bestimmt, und zwar auch dann, wenn in der Brennkammer eine zusätzliche dynamische Verdichtung stattfindet. Es besteht deshalb das Bedürfnis, beim Übergang von Teillast- zu Vollastbetrieb durch den dann eingesetzten Verdichter die Luftdichte im Luftsammler möglichst schnell deutlich über den Wert bei Teillastbetrieb anzuheben. Hierzu ist kurzzeitig zusätzliche Verdichterenergie erforderlich. Es besteht deshalb eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, daß bei geschlossenem Sperrorgan im Verdichterzweig die Drehzahl des Ladersystems gegenüber der Betriebsdrehzahl bei Ladeluftzufuhr über den Verdichterzweig erhöht ist. Damit wird verhindert, daß die Verdichterdrehzahl beim Übergang von Teillast auf Vollast unerwünscht unter die vorgegebene Betriebsdrehzahl absinkt.For engines whose compressor branch contains an air collector, it must be taken into account that the air density in the air collector determines the degree of charging in the engine, even if additional dynamic compression takes place in the combustion chamber. There is therefore a need to increase the air density in the air collector as quickly as possible above the value in part-load operation when changing from part-load to full-load operation by the compressor used. This requires additional compressor energy for a short time. There is therefore an advantageous embodiment of the invention in that when the blocking member in the compressor branch is closed, the speed of the supercharger system is increased compared to the operating speed when the charge air is supplied via the compressor branch. This prevents the compressor speed from dropping undesirably below the specified operating speed during the transition from part load to full load.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß das Sperrorgan in der Saugluftleitung mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber dem zugeordneten Einlaßventil am Brennraum geöffnet und vor der Rückströmung des dynamisch verdichteten Luftvolumens aus der Brennkammer geschlossen wird. Durch diese an sich bekannte Verfahrensweise entsteht im Brennraum zunächst ein Unterdruck, der dazu führt, daß nach dem Öffnen des Sperrorgans die am Sperrorgan anstehende Luft mit erhöhter Geschwindigkeit in den Brennraum einströmt und durch die ihr innewohnende Bewegungsenergie beim Auftreffen auf die Brennraumbegrenzung verdichtet wird. Durch rechtzeitiges Schließen des Sperrorgans kann diese Verdichtung zur Leistungssteigerung nutzbar gemacht werden, was insbesondere in der Phase von Vorteil ist, in der ein erhöhter Leistungsbedarf zum Hochfahren des Verdichters besteht, der seinerseits zur Befriedigung dieses Leistungsbedarfs noch nichts beitragen kann, weil er seine Betriebsdrehzahl noch nicht erreicht hat. Mit der Verbesserung des Leistungsverhaltens des Motors beim instationären Betrieb sind die vorteilhaften Möglichkeiten dieses Ladungswechselverfahrens noch nicht erschöpft, nachdem es - wenn der Verdichter nach dem Motorstart seine Betriebsdrehzahl einmal erreicht hat - während der Betriebsdauer des Motors zwei verschiedene Brennluftquellen zur Verfügung hält, die alternativ durch Anwahl über die Steuereinrichtung genutzt werden können, nämlich den Saugluftzweig und den Verdichterzweig mit verdichteter Luft. Es besteht deshalb die Möglichkeit, in Abhängigkeit von der augenblicklichen Betriebssituation des Motors das jeweils günstigste Ladungswechselverfahren auszuwählen. Insbesondere kann der Motor nicht nur mit Aufladung, sondern insbesondere auch mit Nachladung betrieben werden, und zwar sowohl statisch als auch gegebenenfalls dynamisch. Es ist also eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, daß nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl des Verdichters bei geeigneter Betriebssituation des Motors bei jedem Saughub im Brennraum zunächst das Sperrorgan im Saugluftzweig geöffnet und vorzeitig geschlossen wird, worauf zur Nachladung verdichteter Luft das Sperrorgan im Verdichterzweig geöffnet und wieder geschlossen wird.A further advantageous embodiment consists in that the blocking element in the suction air line is opened with a time delay compared to the assigned inlet valve on the combustion chamber and is closed before the dynamically compressed air volume flows back from the combustion chamber. This procedure, which is known per se, initially creates a negative pressure in the combustion chamber, which leads to the fact that, after the blocking member has been opened, the air present at the blocking member flows into the combustion chamber at a higher speed and is compressed by its inherent kinetic energy when it hits the combustion chamber boundary. By closing the blocking element in good time, this compression can be used to increase performance, which is particularly advantageous in the phase in which there is an increased power requirement for starting up the compressor, which in turn cannot contribute to satisfying this power requirement because it is still operating speed has not reached. With the improvement in the performance of the engine during transient operation, the advantageous possibilities of this gas exchange process have not yet been exhausted after it has kept two different combustion air sources available during the engine's operating time, once the compressor has reached its operating speed after starting the engine Selection can be used via the control device, namely the suction air branch and the compressor branch with compressed air. It is therefore possible, depending on the current operating situation of the engine, to select the most favorable charge exchange method. In particular, the engine can be operated not only with charging, but in particular also with recharging, both statically and optionally dynamically. It is a further advantageous embodiment of the invention that after reaching the operating speed of the compressor with a suitable operating situation of the engine, the blocking member in the suction air branch is opened and closed prematurely for each suction stroke in the combustion chamber, whereupon the blocking member in the compressor branch is opened and reloaded for compressed air is closed again.
Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Luft aus dem Saugluftzweig über ein erstes Einlaßventil und die verdichtete Luft aus dem Verdichterzweig über ein zweites Einlaßventil in den Brennraum eingeleitet wird, so daß dem Brennraum je nach Bedarf und zu wählbaren Zeitpunkten Saugluft oder verdichteteA particularly advantageous further embodiment consists in that the air from the suction air branch is introduced into the combustion chamber via a first inlet valve and the compressed air from the compressor branch is introduced into the combustion chamber via a second inlet valve, so that the combustion chamber is suction air or compressed as required and at selectable times
Luft zugeführt werden kann.Air can be supplied.
Zur Verbesserung des Emissionsverhaltens kann im Teillastbereich zu Beginn der Saugphase aus einer gegen Rückfluß sperrbaren Abgasrückführieitung Abgas in einen mit dem Einlaßventil in Verbindung stehenden, in Richtung auf den Luftfilter durch einIn order to improve the emission behavior, in the part-load range, exhaust gas can be exhausted from an exhaust gas recirculation line that can be blocked against backflow into a direction connected to the inlet valve in the direction of the air filter
Absperrorgan geschlossenen Bereich eingebracht werden, auch wenn während desShutoff closed area can be introduced, even if during the
Saughubs dem Motor zumindest ein Anteil verdichteter Ladeluft zugeführt wird.Suction strokes are fed to the engine at least a portion of compressed charge air.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Ladungswechselsystem einesThe invention also relates to a charge exchange system
Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens, mit zumindest einem wenigstens ein Einlaßventil und ein Auslaßventil aufweisenden Brennraum und einem zwischen einem Luftfilter und dem Einlaßventil angeordneten Verdichter, wobei die Ladeluftzufuhr des Motors in zwei parallele Leitungszweige aufgeteilt ist, deren erster als Verdichterzweig über den Verdichter führt und deren zweiter als Saugluftzweig den Verdichter umgeht. Die Erfindung besteht dabei gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 darin, daß der Saugluftzweig und der Verdichterzweig jeweils ein Absperrorgan enthalten und daß zumindest das Absperrorgan im Verdichterzweig ansteuerbar ist und den Absperrorganen eine Steuerung derart zugeordnet ist, daß gleichzeitig nur eines der Absperrorgane geöffnet sein kann, wobei vorzugsweise der Verdichter Teil eines Ladersystems ist, dem ein Sensor zur Überwachung der Verdichterdrehzahl zugeordnet ist, daß dieser Sensor mit einer Steuereinheit in Signalverbindung steht und die Steuereinheit geeignet ist, das Absperrorgan im Verdichterzweig nur zu öffnen, wenn das Sensorsignal anzeigt, daß der Verdichter eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht hat.Internal combustion engine of the piston type, in particular for carrying out the method explained above, with at least one combustion chamber having at least one inlet valve and one outlet valve and a compressor arranged between an air filter and the inlet valve, the charge air supply to the engine being divided into two parallel line branches, the first of which is the compressor branch leads over the compressor and the second bypasses the compressor as a suction air branch. The invention consists in that the suction air branch and the compressor branch each contain a shut-off device and that at least the shut-off device in the compressor branch can be controlled and the shut-off devices are assigned a control such that only one of the shut-off devices can be opened at the same time , wherein the compressor is preferably part of a charger system to which a sensor for monitoring the compressor speed is assigned, that this sensor is in signal connection with a control unit and the control unit is suitable for opening the shut-off device in the compressor branch only when the sensor signal indicates that the Compressor has reached a predetermined operating speed.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen bestehen darin, daß das Absperrorgan im Saugluftzweig ein Rückschlagventil ist und daß beide Sperrorgane ansteuerbar sind.Further expedient configurations consist in the fact that the shut-off element in the suction air branch is a check valve and that both shut-off elements can be controlled.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit geeignet, über einen Signaleingang Informationen über den Betriebszustand des Motors zu empfangen, das Sperrorgan im Verdichterzweig zu schließen, wenn dieser Betriebszustand eine Luftförderung des Verdichters nicht erfordert, und die Drehzahl der Abgasturbine auf einen vorgegebenen Höchstwert zu begrenzen.According to a particularly preferred embodiment, the control unit is suitable for receiving information about the operating state of the engine via a signal input, for closing the blocking element in the compressor branch if this operating state does not require the compressor to be supplied with air, and for limiting the speed of the exhaust gas turbine to a predetermined maximum value ,
Eine Variante des Ladungswechselsystems besteht darin, daß sich die Leitungszweige vor dem Einlaßventil vereinigen, nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedoch jedem der Leitungszweige ein Einlaßventil am Brennraum zugeordnet, wobei nach einer bevorzugten Weiterbildung die Einlaßventile beider Leitungszweige durch die Steuereinrichtung variabel ansteuerbare Einlaßventile sind, die die Funktion der Sperrorgane übernehmen.A variant of the gas exchange system is that the line branches unite upstream of the inlet valve, but according to an advantageous embodiment, each of the line branches is assigned an inlet valve on the combustion chamber, whereby according to a preferred development, the inlet valves of both line branches are variably controllable inlet valves which are the control device Take over the function of the blocking organs.
Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß zwischen einem der Sperrorgane und dem ihm zugeordneten Einlaßventil eine mit einer Rückflußsperre versehene Abgasrückführung einmündet, die zweckmäßigerweise mit einem Druckregler versehen ist.Another expedient embodiment consists in that an exhaust gas recirculation provided with a non-return valve, which is expediently provided with a pressure regulator, opens between one of the blocking members and the inlet valve assigned to it.
Um auch dynamische Effekte beim Ladungswechsel nutzbar machen zu können, enthält nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Saugluftzweig zwischen Luftfilter und Absperrorgan einen Luftsammler mit nachfolgendem Schwingrohr enthält. Vorzugsweise enthält der Verdichterzweig zwischen Verdichter und Absperrorgan einen Luftsammler mit nachfolgendem Schwingrohr enthält und das Absperrorgan ein Lufttaktventil ist.In order to be able to use dynamic effects when changing the charge, according to a further expedient embodiment, the suction air branch between the air filter and the shut-off device contains an air collector with a subsequent oscillating tube. The compressor branch between the compressor and the shut-off device preferably contains an air collector with a subsequent oscillating tube and the shut-off device is an air cycle valve.
Ist das Ladersystem ein Turbolader, so kann für spezielle Anwendungsfälle, bei welchen der Mehraufwand gerechtfertigt ist, zur weiteren Verkürzung der Ansprechzeit des Turboladers dem Verdichter ein elektrischer Beschleunigungsmotor zugeordnet und die Antriebsverbindung zwischen dem Verdichter und einer Abgasturbine mit einem Freilauf versehen sein..If the supercharger system is a turbocharger, for special applications in which the additional effort is justified, an electric acceleration motor can be assigned to the compressor to further shorten the response time of the turbocharger, and the drive connection between the compressor and an exhaust gas turbine can be provided with a freewheel.
Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.Based on the following description of the embodiments of the invention shown in the drawing, this will be explained in more detail.
Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Ladungswechselsystem mit einem Saugluftzweig und einem Verdichterzweig, wobei der Brennraum ein Einlaßventil aufweist, Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines Verbrennungsmotors , dessen1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine with a charge exchange system according to the invention with a suction air branch and a compressor branch, the combustion chamber having an inlet valve, FIG. 2 shows an illustration of an internal combustion engine similar to FIG
Brennraum mit zwei Einlaß- und Auslaßventilen versehen ist, Fig. 3 . eine schematische Darstellung eines Dreizylindermotors mit einem erfindungsgemäßen Ladungswechselsystem, Fig. 4 eine Variante des Ladungswechselsystems am Beispiel einesCombustion chamber is provided with two intake and exhaust valves, Fig. 3rd a schematic representation of a three-cylinder engine with a gas exchange system according to the invention, Fig. 4 shows a variant of the gas exchange system using the example of a
Dreizylindermotors, Fig. 5 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladungswechselsystems mit der Möglichkeit zur Abgasrückführung,3-cylinder engine, FIG. 5 a representation similar to FIG. 2 of a charge exchange system according to the invention with the possibility of exhaust gas recirculation,
Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Ladungswechselsystem mit einem Elektromotor zurFig. 6 shows a charge exchange system according to the invention with an electric motor for
Beschleunigung des Verdichters,Acceleration of the compressor,
Fig. . 7 ein erfindungsgemäßes Ladungswechselsystem mit einem Volumenspeicher im Bypass, F Fiigg.. 8 8 eine Variante des in Fig. 7 gezeigten Ladungswechselsystems,Fig. 7 shows a charge exchange system according to the invention with a volume store in the bypass, F Fiigg. 8 8 shows a variant of the charge exchange system shown in FIG. 7,
Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Ladungswechselsystem mit einem dem Verdichter nachgeschalteten Speichervolumen,9 shows a charge exchange system according to the invention with a storage volume downstream of the compressor,
Fig. 10 eine graphische Darstellung des Luftaufwands in Abhängigkeit vonFig. 10 is a graphical representation of the air expenditure as a function of
Motordrehzahl und Ladungswechselverfahren und F Fiigg.. 1 111 eine Variante des in Fig. 9 gezeigten Ladungswechselsystems. In der nachfolgenden Beschreibung werden einander entsprechende Elemente in den einzelnen Figuren mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.Engine speed and charge exchange method and F Fiigg .. 1 111 a variant of the charge exchange system shown in Fig. 9. In the following description, corresponding elements are identified in the individual figures with the same reference numbers.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Basiskonfiguration eines zur Realisierung der Erfindung geeigneten Ladungswechselsystems bezeichnet 10 den Brennraum, in dem ein nicht gezeigter Kolben bewegbar ist. Die Verbrennungsluft wird dem System über einen Luftfilter 12 zugeführt und kann während der Öffnungsphase eines Einlaßventils 14 in den Brennraum 10 eintreten. Die Abgase strömen bei geöffnetem Auslaßventil 16 aus dem Brennraum 10 in eine Abgasleitung 18 ab. Sie können in einer Turbine 20 zum Antrieb eines Verdichters 22 benutzt werden, durch den die Ladeluft verdichtet werden kann. Turbine 20 und Verdichter 22 bilden zusammen den Turbolader. Die Antriebsverbindung zwischen der Turbine 20 und dem Verdichter 22 ist mit 24 bezeichnet. Beim gezeigten Beispiel können die Abgase über einen parallel zur Turbine 20 angeordneten Leitungszweig 18a der Abgasleitung abgeführt oder über einen Leitungszweig 18b über die Turbine geführt werden. Durch ein verstellbares Regelorgan 26 in diesem Leitungszweig 18a kann die Beaufschlagung der Turbine 20 entsprechend dem Leistungsbedarf eingestellt werden. Es ist aber beispielsweise auch möglich, die Turbine durch die Verstellung der Turbinenschaufeln zu regeln.In the basic configuration shown in FIG. 1 of a charge exchange system suitable for realizing the invention, 10 denotes the combustion chamber in which a piston (not shown) can be moved. The combustion air is fed to the system via an air filter 12 and can enter the combustion chamber 10 during the opening phase of an intake valve 14. When the exhaust valve 16 is open, the exhaust gases flow out of the combustion chamber 10 into an exhaust gas line 18. They can be used in a turbine 20 to drive a compressor 22, by means of which the charge air can be compressed. Turbine 20 and compressor 22 together form the turbocharger. The drive connection between the turbine 20 and the compressor 22 is designated by 24. In the example shown, the exhaust gases can be discharged via a line branch 18a of the exhaust gas line arranged parallel to the turbine 20 or can be conducted via a line branch 18b over the turbine. By means of an adjustable control element 26 in this line branch 18a, the admission of the turbine 20 can be adjusted according to the power requirement. However, it is also possible, for example, to regulate the turbine by adjusting the turbine blades.
Die zwischen dem Luftfilter 12 und dem Einlaßventil 14 am Brennraum 10 verlaufende Ladeluftleitung 28 ist ebenfalls in zwei parallele Leitungszweige 28a und 28bThe charge air line 28 running between the air filter 12 and the inlet valve 14 on the combustion chamber 10 is likewise in two parallel line branches 28a and 28b
aufgeteilt, wobei der Leitungszweig 28b, auch Verdichterzweig genannt, den Verdichter 22 enthält, während der Leitungszweig 28a, auch Saugluftzweig genannt, als Bypass den Verdichter 22 umgeht. Der Durchfluß durch den Saugluftzweig 28a kann durch ein ansteuerbares Sperrorgan 30 geöffnet oder geschlossen werden. Gleichermaßen kann der Durchfluß durch den Verdichterzweig 28b durch ein Sperrorgan 32 geöffnet oder geschlossen werden. Das Ventil 32 ist symbolisch zu verstehen, um die Möglichkeit zum Ausdruck zu bringen, den Verdichterzweig 28b abschalten zu können. Hierbei ist vorauszusetzen, daß der Verdichter 22 kurzgeschlossen werden kann, beispielsweise durch ein an sich bekanntes Umluftventil, das ebenso wie ein auf den Verdichter 22 folgender Ladeluftkühler zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt ist. Die Sperrorgane 30 und 32 werden durch eine Steuereinrichtung 34 derart koordiniert, daß jeweils nur eines der beiden Sperrorgane geöffnet sein kann. Die Steuereinrichtung 34 steht über eine Signalleitung 36 mit einem Sensor 38 in Verbindung, der geeignet ist, ein von der Drehzahl des Verdichters 22 abhängiges Signal zu erzeugen, das der Steuereinrichtung 34 anzeigt, ob die Drehzahl des Verdichters 22 eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht hat, bei welcher der Verdichter 22 in der Lage ist, eine ausreichende Verdichterleistung abzugeben. Nur wenn diese Betriebsdrehzahl erreicht ist oder überschritten wurde, kann das Sperrorgan 32 im Verdichterzweig 28b geöffnet werden. Andernfalls erfolgt die Luftversorgung des Brennraums 10 über den Saugluftzweig 28a bei geöffnetem Sperrorgan 30. Dabei wird die Beschleunigungsphase des Verdichters spürbar verkürzt, weil die von der Turbine 20 abgegebene Antriebsenergie nach der Einstellung eines Druckgleichgewichts am Verdichter bis auf dadurch bedingte Reibungsverluste ohne weitere Förderleistung zur Beschleunigung des Verdichters 22 genutzt wird. divided, the line branch 28b, also called the compressor branch, containing the compressor 22, while the line branch 28a, also called the suction air branch, bypasses the compressor 22 as a bypass. The flow through the suction air branch 28a can be opened or closed by a controllable blocking member 30. Likewise, the flow through the compressor branch 28b can be opened or closed by a blocking member 32. The valve 32 is to be understood symbolically in order to express the possibility of being able to switch off the compressor branch 28b. It must be assumed here that the compressor 22 can be short-circuited, for example by a recirculating air valve known per se, which, like a charge air cooler following the compressor 22, is not shown to simplify the illustration. The locking members 30 and 32 are coordinated by a control device 34 such that only one of the two locking members can be opened. The control device 34 is connected via a signal line 36 to a sensor 38 which is suitable for generating a signal which is dependent on the speed of the compressor 22 and which indicates to the control device 34 whether the speed of the compressor 22 has reached a predetermined operating speed which of the compressors 22 is capable of delivering sufficient compressor output. The blocking member 32 in the compressor branch 28b can only be opened when this operating speed has been reached or exceeded. Otherwise, the air supply to the combustion chamber 10 takes place via the suction air branch 28a with the blocking member 30 open. The acceleration phase of the compressor is noticeably shortened because the drive energy emitted by the turbine 20 after the setting of a pressure equilibrium on the compressor, apart from the resulting frictional losses, without further delivery capacity for acceleration of the compressor 22 is used.
Über eine Signalleitung 40 erhält die Steuereinrichtung 34 eine Information über denVia a signal line 40, the control device 34 receives information about the
Betriebszustand des Motors. Bei geringer Motorlast, wenn die Luftförderung des Verdichters nicht benötigt wird, schließt die Steuereinrichtung 34 das Sperrorgan 32 im Verdichterzweig 28b und öffnet zugleich das Sperrorgan 30 im Saugluftzweig 28a, wodurch der Verdichter 22 entlastet wird, während er zugleich weiter durch die Abgasturbine 20 angetrieben wird. Damit er dabei nicht die zulässige Höchstdrehzahl überschreitet, wird weiterhin über den Sensor 38 die Verdichterdrehzahl überwacht und durch ein über eine Signalleitung 42 ein Signal an das Regelorgan 26 abgegeben, um die Drehzahl entsprechend zu begrenzen.Operating state of the engine. With a low engine load, when the air delivery of the compressor is not required, the control device 34 closes the blocking member 32 in the compressor branch 28b and at the same time opens the blocking member 30 in the suction air branch 28a, whereby the compressor 22 is relieved, while at the same time it continues to be driven by the exhaust gas turbine 20 , So that it does not exceed the permissible maximum speed, the compressor speed is also monitored via the sensor 38 and a signal is sent to the control element 26 via a signal line 42 in order to limit the speed accordingly.
Bei plötzlicher Erhöhung der Motorlast schließt die Steuereinrichtung 34 über eineIn the event of a sudden increase in the engine load, the control device 34 closes via a
Steuerleitung 41 das Sperrorgan 30 im Saugluftzweig 28a und öffnet zugleich das Sperrorgan 32 im Verdichterzweig 28b, wobei sich der Verdichter 22 bereits auf seiner vollen Betriebsdrehzahl befindet und keiner zeitraubenden Beschleunigung bedarf.Control line 41, the blocking member 30 in the suction air branch 28a and at the same time opens the blocking member 32 in the compressor branch 28b, the compressor 22 already being at its full operating speed and requiring no time-consuming acceleration.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante ist der Brennraum 10 mit zwei EinlaßventilenIn the variant shown in FIG. 2, the combustion chamber 10 has two inlet valves
14a und 14 b, sowie zwei Auslaßventilen 16a und 16b versehen. Die mit den Auslaßventilen 16a und 16b verbundenen Kanäle der Abgasleitung 18 werden zunächst zusammengeführt, bevor die Abgasleitung 18 zur Regelung der Turbine 20 in die Leitungszweige 18a und 18b aufgeteilt wird. O 03/04434814a and 14b, and two exhaust valves 16a and 16b. The channels of the exhaust gas line 18 connected to the exhaust valves 16a and 16b are first brought together before the exhaust gas line 18 is divided into the line branches 18a and 18b for regulating the turbine 20. O 03/044348
Auf der Einlaßseite des Brennraums 10 ist der den Verdichter 22 umgehende Saugluftzweig 28a mit dem Einlaßventil 14a, der Verdichterzweig 28b mit dem Einlaßventil 14b verbunden. Dem Einlaßventil 14a ist das Sperrorgan 30, dem Einlaßventil 14b das Sperrorgan 32 vorgeschaltet, wobei diese Sperrorgane in gleicher Weise angesteuert werden, wie dies für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung bereits beschrieben wurde. Zur Vereinfachung der Darstellung wird die Steuereinrichtung 34 mit ihren Signalleitungen 36, 40, 41 und 42 nur in Fig. 1 gezeigt, um ihre Funktion zu erläutern. Bei den Anordnungen nach den Fig. 2 bis 9 wird vorausgesetzt, daß eine entsprechende Einrichtung für die Ventile vorhanden ist, die eine Ansteuerung erfordern. Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist, sofern nur ein Aufladebetrieb gewünscht wird, nur eine Ansteuerung des Sperrorgans 32 erforderlich, damit der Verdichterzweig 28b erst geöffnet wird, wenn der Verdichter 22 seine Betriebsdrehzahl erreicht hat. Das Absperrorgan 30 kann dagegen als kostengünstiges Rückschlagventil ausgebildet sein, das einerseits den Saugbetrieb gestattet und andererseits den Rückfluß verdichteter Luft zum Luftfilter 12 verhindert.On the inlet side of the combustion chamber 10, the suction air branch 28a bypassing the compressor 22 is connected to the inlet valve 14a, and the compressor branch 28b is connected to the inlet valve 14b. The blocking member 30 is connected upstream of the inlet valve 14a, the blocking member 32 is connected upstream of the inlet valve 14b, these blocking members being actuated in the same way as has already been described for the arrangement shown in FIG. 1. To simplify the illustration, the control device 34 with its signal lines 36, 40, 41 and 42 is only shown in FIG. 1 in order to explain its function. In the arrangements according to FIGS. 2 to 9 it is assumed that there is a corresponding device for the valves which require control. In the arrangement according to FIG. 2, if only a charging operation is desired, only a control of the blocking member 32 is necessary so that the compressor branch 28b is only opened when the compressor 22 has reached its operating speed. The shut-off device 30, on the other hand, can be designed as an inexpensive check valve which, on the one hand, permits suction operation and, on the other hand, prevents the return flow of compressed air to the air filter 12.
Die Anordnung nach Fig. 2 läßt sich aber auch mit zwei steuerbaren Luftleitungen betreiben, um eine Nachladung zu bewirken. Es wird dann das Sperrorgan 30 bei jedem Saughub frühzeitig geschlossen und danach durch spätes Öffnen des Sperrorgans 32 verdichtete Ladeluft nachgefüllt.The arrangement according to FIG. 2 can also be operated with two controllable air lines in order to effect recharging. The locking member 30 is then closed early on each suction stroke and then compressed air is refilled by opening the locking member 32 late.
Obwohl in den Fig. 1 , 2 und 5 bis 9 stets nur ein Brennraum 10 dargestellt ist, ist darin keine Einschränkung zu sehen. Die Fig. 3 zeigt prinzipiell die gleiche Anordnung, die in Fig. 2 für einen Brennraum 10 gezeigt ist in ihrer Anwendung bei einem Dreizylindermotor. Die Fig. 4 zeigt eine Variante hierzu, wobei im Unterschied zu Fig. 3 die Einlaßventile 14a und 14b als variabel ansteuerbare Ventile ausgebildet sind, so daß sie die Aufgabe der Sperrorgane 30 und 32 in Fig. 3 übernehmen können. Variable Einlaßventile sind teuer, weshalb es vorteilhafter sein kann, konventionellen Einlaßventilen voneinander abhängige, nur wechselseitig öffnende Sperrorgane 30 und 32 vorzuschalten. Immerhin ist festzuhalten, daß es grundsätzlich möglich ist, die Einlaßventile 14a und 14b mit den ihnen zugeordneten und vorgeschalteten Sperrorganen 30 bzw. 32 auch durch variable Einlaßventile zu ersetzen, sofern nicht - wie im Falle der nachfolgend noch näher erläuterten Fig. 5 - eine Abgasrückführung ein gesondertes Sperrorgan zwischen der Einmündung einer Abgasrückführieitung 44 in die zum Einlaßventil führende Ladeluftleitung und dem Luftfilter 12 erfordert. Bei der in Fig. 5 gezeigten Variante ist die Abgasleitung 1.8 durch diese Rückführleitung 44 mit dem zwischen dem Sperrorgan 30 und dem Einlaßventil 14a befindlichen Abschnitt des Saugluftzweigs 28a verbunden. Die Rückführleitung 44 enthält eine Druckregelvorrichtung 46. Vor der Einmündung der Rückführleitung 44 in den 5 Saugluftzweig 28a enthält die Rückführleitung 44 ein Absperrorgan 48, vorzugsweise ein Rückschlagventil, das gegebenenfalls auch gesteuert sein kann. Das Absperrorgan 48 ermöglicht einerseits die Rückführung von Abgas in den Brennraum 10, während es andererseits ein Entweichen von Ladeluft über die Rückführleitung 44 und die Abgasleitung 18 verhindert. Die Abgasrückführung wird aus Emissionsgründen eingesetzt, und zwar im 0 Teillastbereich, wenn kein maximaler Luftbedarf des Motors besteht.Although only one combustion chamber 10 is always shown in FIGS. 1, 2 and 5 to 9, no restriction is to be seen therein. 3 shows in principle the same arrangement that is shown in FIG. 2 for a combustion chamber 10 in its application in a three-cylinder engine. FIG. 4 shows a variant of this, in which, in contrast to FIG. 3, the inlet valves 14a and 14b are designed as variably controllable valves, so that they can take over the task of the blocking members 30 and 32 in FIG. 3. Variable inlet valves are expensive, which is why it can be more advantageous to connect conventional inlet valves with interdependent, mutually opening blocking members 30 and 32. After all, it should be noted that it is fundamentally possible to replace the inlet valves 14a and 14b with their associated and upstream blocking elements 30 and 32 by variable inlet valves, unless - as in the case of FIG. 5 explained in more detail below - exhaust gas recirculation a separate locking member between the confluence of an exhaust gas recirculation line 44 in the charge air line leading to the inlet valve and the air filter 12 is required. In the variant shown in FIG. 5, the exhaust line 1.8 is connected through this return line 44 to the section of the suction air branch 28a located between the blocking member 30 and the inlet valve 14a. The return line 44 contains a pressure control device 46. Before the return line 44 opens into the 5 suction air branch 28a, the return line 44 contains a shut-off device 48, preferably a check valve, which can also be controlled if necessary. The shut-off device 48 on the one hand enables exhaust gas to be returned to the combustion chamber 10, while on the other hand it prevents charge air from escaping via the return line 44 and the exhaust gas line 18. The exhaust gas recirculation is used for emission reasons, in the 0 partial load range, when there is no maximum air requirement of the engine.
Bei Ladermotoren ist bisher eine Abgasrückführung nicht bekannt geworden, weil bei solchen Motoren der Druck in der Ansaugleitung über dem Atmosphärendruck liegt und deshalb ein Ansaugen von Abgas nicht möglich ist. Bei Anwendung des 5 erfindungsgemäßen Verfahrens kann - wie in Fig. 5 gezeigt - die Rückführleitung 44 stromab vom Sperrorgan 30 in den Saugluftzweig 28a münden, sie kann aber auch stromab vom Absperrorgan 32 in den Verdichterzweig 28b münden, sofern der Motor mit Nachladung betrieben wird bzw. das Absperrorgan 32 später öffnet als das Einlaßventil 14, so daß das Abgas den Brennraum 10 erreichen kann, bevor das Absperrorgan 32 den 0 Zutritt verdichteter Luft in diesen Leitungszweig gestattet.So far, exhaust gas recirculation has not become known in the case of supercharged engines, because in such engines the pressure in the intake line is above atmospheric pressure and intake of exhaust gas is therefore not possible. When using the method 5 according to the invention - as shown in FIG. 5 - the return line 44 can open downstream of the blocking member 30 into the suction air branch 28a, but it can also open downstream of the shutoff member 32 into the compressor branch 28b if the engine is operated with recharging or the shut-off device 32 opens later than the inlet valve 14, so that the exhaust gas can reach the combustion chamber 10 before the shut-off device 32 allows compressed air to enter this line branch.
Beim Motorbetrieb mit Abgasrückführung und Nachladung sind zu Beginn des Saughubs bei der in Fig. 5 gezeigten Anordnung zunächst die Absperrorgane 30 und 32 geschlossen, während das geöffnete Absperrorgan 48 das Einströmen von Abgas in denIn engine operation with exhaust gas recirculation and recharging, the shut-off elements 30 and 32 are initially closed at the start of the suction stroke in the arrangement shown in FIG. 5, while the open shut-off element 48 prevents the inflow of exhaust gas into the
!5 Brennraum 10 ermöglicht. Vorzugsweise wird das Absperrorgan 48 geschlossen, bevor das Absperrorgan 30 geöffnet wird, um das Ansaugen von Luft zu ermöglichen. Das Absperrorgan 30 wird wieder geschlossen, während der Saughub andauert.. Im Bereich des Unteren Totpunkts der Kolbenbewegung wird zur Nachladung das Sperrorgan 32 kurzzeitig geöffnet. Die Sperrorgane 30 und 32 können als gesteuerte Rückschlagventile oder als! 5 combustion chamber 10 enables. The shut-off device 48 is preferably closed before the shut-off device 30 is opened in order to allow air to be drawn in. The shut-off device 30 is closed again while the suction stroke continues. In the area of the bottom dead center of the piston movement, the shut-off device 32 is briefly opened for reloading. The blocking elements 30 and 32 can be used as controlled check valves or as
D Lufttaktventile ausgebildet sein.D air cycle valves should be designed.
Sofern in Sonderfällen der zusätzliche Materialaufwand und Platzbedarf und die Belastung des elektrischen Bordnetzes vertretbar erscheint, kann - wie in Fig. 6 gezeigt - für eine -zusätzliche Beschleunigung des Verdichters 22 ein elektrischer Hilfsantrieb 50 vorgesehen werden, wobei dann in der Antriebsverbindung 24 zwischen der Turbine 20 und dem Verdichter 22 ein Freilauf 52 vorgesehen ist, der es dem Verdichter 22 gegebenenfalls gestattet, die Turbine 20 zu überholen.If, in special cases, the additional material and space requirements and the load on the electrical system appear to be justifiable, an auxiliary electric drive 50 can be provided - as shown in FIG. 6 - for an additional acceleration of the compressor 22, in which case the drive connection 24 between the turbine 20 and the compressor 22 is provided with a freewheel 52 which, if necessary, allows the compressor 22 to overtake the turbine 20.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen Anordnungen, die jeweils einen Luftsammler 54 mit anschließendem Schwingrohrabschnitt 56 enthalten.7 to 9 show arrangements which each contain an air collector 54 with a subsequent oscillating tube section 56.
Die Anordnungen nach den Fig. 7 und 8 enthalten den Luftsammler 54 im Saugluftzweig 28a mit Schwingrohrabschnitt 56 vor dem als Rückschlagventil ausgebildeten Absperrorgan 30. Das Absperrorgan 32 ist ein gesteuertes Rückschlagventil. Solang der Brennraum 10 über den Saugluftzweig 28a versorgt wird, führt das späte Öffnen des Absperrorgans 30 in Verbindung mit der sich im Schwingrohrabschnitt 56 ausbildenden Druckwelle zu einer dynamischen Aufladung im Brennraum 10. Während eines Saughubs öffnet sich das Sperrorgan 30 einmal.The arrangements according to FIGS. 7 and 8 contain the air collector 54 in the suction air branch 28a with an oscillating tube section 56 in front of the shut-off device 30 designed as a check valve. The shut-off device 32 is a controlled check valve. As long as the combustion chamber 10 is supplied via the suction air branch 28a, the late opening of the shut-off element 30 in connection with the pressure wave forming in the oscillating tube section 56 leads to dynamic charging in the combustion chamber 10. During a suction stroke, the blocking element 30 opens once.
Bei der Anordnung nach Fig. 8 ist im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 7 als8, in contrast to the arrangement according to FIG. 7, is as
Absperrorgan 30 ein Lufttaktventil vorgesehen. Dieses Ventil kann während des Saughubs zweimal geöffnet und somit mit frühem Einlaßschließen und anschließendem späten Einlaßöffnen betrieben werden. Auch dies führt bei abgeschaltetem Verdichterzweig 28b bei jeder Öffnung des Absperrorgans 30 zu einer dynamischen Aufladung.Shut-off device 30 an air cycle valve is provided. This valve can be opened twice during the suction stroke and thus operated with early inlet closing and then late inlet opening. With the compressor branch 28b switched off, this also leads to dynamic charging each time the shut-off element 30 is opened.
Die Anordnung nach Fig. 9 enthält den Luftsammler 54 und den Schwingrohrabschnitt 56 im Verdichterzweig 28b. . Das Absperrorgan 32 ist ein Lufttaktventil, das Absperrorgan 30 kann ein gesteuertes Rückschlagventil oder ebenfalls ein Lufttaktventil sein. Der Brennraum 10 kann zunächst mit Saugluft aus dem Saugluftzweig 28a versorgt werden, worauf dann nach dem Schließen des Absperrorgans 30 und dem Öffnen des Absperrorgans 32 durch die Druckwelle aus dem Verdichterzweig 28b eine dynamische Nachladung erfolgt. Füllt man den Brennraum 10 nur über den Verdichterzweig 28b, kann mit dieser Anordnung auch über den Verdichterzweig 28b eine dynamische Aufladung durchgeführt werden.The arrangement according to FIG. 9 contains the air collector 54 and the oscillating tube section 56 in the compressor branch 28b. , The shut-off device 32 is an air cycle valve, the shut-off device 30 can be a controlled check valve or also an air cycle valve. The combustion chamber 10 can first be supplied with suction air from the suction air branch 28a, whereupon after the shut-off member 30 has been closed and the shut-off member 32 has been opened by the pressure wave from the compressor branch 28b, dynamic recharging takes place. If the combustion chamber 10 is filled only via the compressor branch 28b, a dynamic supercharging can also be carried out with this arrangement via the compressor branch 28b.
Um die vielseitigen, sich bei Anwendung der Erfindung eröffnenden Möglichkeiten aufzuzeigen, ist in der grafischen Darstellung in Fig. 10 für einen Drehzahlbereich von 0,5 bis 2,5 x 103 U/min der erreichbare Luftaufwand bei unterschiedlichen Ladeverfahren dargestellt. Due unterste Kurve 1 zeigt, wie bei Saugbetrieb von etwa 1 ,25 x 103 U/min der Luftbedarf allmählich von etwa 0,5 bis auf 0,9 bei 2 x 103 U/min ansteigt. Die darüber befindliche Kurve 2 läßt erkennen, daß bei dynamischer Aufladung aus dem Saugluftzweig mit spätem Einlaßöffnen und frühem Einlaßschließen ein etwas höherer Luftaufwand erreichbar ist. Die Kurve 3 zeigt, wie durch Aufladung mittels des Verdichters ein wesentlich steilerer Anstieg des Luftaufwands möglich ist, der bei 1,5 x 103 U/min den Wert 1 ,0 und bereits bei etwa 1 ,85 x 103 U/min den Wert 1 ,8 erreicht. Die Kurve 4 zeigt die Überlegenheit der Nachladung aus dem Verdichterzweig, die bereits bei 1 ,25 x 103 U/min bei einem Luftaufwand von etwa 1 ,5 beginnt und bei 1 ,5 x 103 U/min 1 ,8 erreicht. Der Punkt N bezeichnet die Normbelastung bei Stadtbetrieb, die bei 2 x 103 U/min einen Luftaufwand von 0,4 zeigt. Die vertikale Linie zeigt den Anstieg des Luftbedarfs bei plötzlichem Lastbedarf bei gleichbleibender Drehzahl an. Diesen Luftbedarf kann der Lader zunächst nicht sofort befriedigen, so daß in diesem Fall, die Erfindung dadurch genutzt werden kann, daß auf Nachladung ungeschaltet wird. Dies bedeutet, daß der Lader annähernd gleich viel Luft fördert, daß aber zu Beginn des Saughubs eine Luftmenge in der Größenordnung (Dichte) von ρ = 0,75 beim nächsten Arbeitszyklus angesaugt wird, so daß man von einem Zyklus zum nächsten die Luftförderung um diesen Betrag 0,75 schlagartig erhöht.In order to demonstrate the versatile possibilities that open up when the invention is applied, the graphic representation in FIG. 10 shows the achievable air expenditure with different charging methods for a speed range from 0.5 to 2.5 × 10 3 rpm. Due lowermost curve 1 shows how during suction of about 1, 25 x 10 3 U / min of air consumption gradually increases from about 0.5 to 0.9 at 2 x 10 3 U / min increases. The one above Curve 2 located shows that with dynamic charging from the suction air branch with late inlet opening and early inlet closing, a somewhat higher air expenditure can be achieved. Curve 3 shows how a much steeper increase in air consumption is possible by charging by means of the compressor, which value is 1.0 at 1.5 × 10 3 rpm and already at approximately 1.85 × 10 3 rpm Value 1, 8 reached. Curve 4 shows the superiority of the recharging from the compressor branch, which begins at 1.25 × 10 3 rpm with an air consumption of approximately 1.5 and reaches 1.8 at 1.5 × 10 3 rpm. The point N denotes the standard load in city operation, which shows an air consumption of 0.4 at 2 x 10 3 U / min. The vertical line shows the increase in air demand with a sudden load requirement at constant speed. The charger cannot initially satisfy this air requirement immediately, so that in this case the invention can be used by switching to reloading. This means that the loader conveys approximately the same amount of air, but at the beginning of the suction stroke an amount of air of the order (density) of ρ = 0.75 is sucked in during the next work cycle, so that from one cycle to the next the air is conveyed around it Amount 0.75 increased suddenly.
Bei der in Fig. 11 gezeigten Variante zu Fig. 9 ist vorgesehen, daß der zur Versorgung der Brennräume 10 eines Mehrzylindermotors mit Saugluft dienende Saugluftzweig 28a, der mit den Zylindereinlaßventilen 14a über Abzweigungen 64 verbunden ist, und der zur Versorgung der Brennräume 10 mit verdichteter Luft dienende Verdichterzweig 28b, der zu einem Luftsammler 54 führt, von dem aus Schwingrohre 56 zu den Zylindereinlaßventilen 14b führen, jeweils zentral für alle Brennräume 1 0 des Motors durch die Betriebsartenschalter 30 bzw. 32 wechselseitig für Saug- oder Verdichterbetrieb zu- oder abgeschaltet werden können. In jeder Abzweigung 64 ist normalerweise ein Rückschlagventil vorgesehen, um den Rückfluß verdichteter Luft aus dem Brennraum 10 bis zum Betriebsartenschalter 30 zu verhindern. Es kann aber auch, wie in Fig. 11 gezeigt, anstelle eines Rückschlagventils ein Lufttaktventil 60 vorgesehen sein, um auch bei abgeschaltetem Verdichter eine dynamische Aufladung zu ermöglichen. In jedem Saugrohr 56 ist dem Zylindereinlaßventil 14b ein Lufttaktventil 62 vorgeschaltet. Ist der Betriebsartenschalter 32 geschlossen, wird der Verdichter 22 über eine nicht dargestellte Verbindung zwischen saug- und druckseitigem Anschluß kurzgeschlossen, so daß er ohne Last durch die Turbine 20 antreibbar ist. Die Drehzahl wird durch das Regelorgan 26 gegenüber der Betriebsdrehzahl bei Verdichterbetrieb in Richtung auf die mechanische und thermische Grenzdrehzahl so weit erhöht, daß beim Umschalten auf Verdichterbetrieb durch Öffnen des Betriebsartenschalters 32 und g leichzeitigem Schließen des Betriebsartenschalters 30 die Luftdichte im Sammler 54 schnell auf das erwünschte Maß ansteigt, ohne daß die Verdichterdrehzahl unter die Betriebsdrehzahl absinkt. In the variant of FIG. 9 shown in FIG. 11, it is provided that the suction air branch 28a serving to supply the combustion chambers 10 of a multi-cylinder engine with suction air, which is connected to the cylinder inlet valves 14a via branches 64, and that for supplying the combustion chambers 10 with compressed air Air-serving compressor branch 28b, which leads to an air collector 54, from which oscillating tubes 56 lead to the cylinder inlet valves 14b, are switched on or off alternately for all combustion chambers 10 of the engine by the mode switches 30 and 32 for suction or compressor operation can. A check valve is normally provided in each branch 64 in order to prevent the backflow of compressed air from the combustion chamber 10 to the mode switch 30. However, as shown in FIG. 11, an air cycle valve 60 can also be provided instead of a check valve in order to enable dynamic charging even when the compressor is switched off. In each intake pipe 56, an air cycle valve 62 is connected upstream of the cylinder inlet valve 14b. If the operating mode switch 32 is closed, the compressor 22 is short-circuited via a connection (not shown) between the suction and pressure-side connection, so that it can be driven by the turbine 20 without load. The speed is increased by the control member 26 compared to the operating speed during compressor operation in the direction of the mechanical and thermal limit speed so that when switching to compressor operation by opening the mode switch 32 and g easy closing of the Mode switch 30, the air density in the collector 54 quickly increases to the desired level without the compressor speed falling below the operating speed.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:CLAIMS:
1. Verfahren zum Ladungswechsel bei einem Verbrennungsmotor der Kolbenbauart bei welchem einem wenigstens ein Einlaßventil (14) und ein Auslaßventil (16) aufweisenden Brennraum (10) über einen Luftfilter (12)1. Process for changing the charge in a piston-type internal combustion engine, in which a combustion chamber (10) having at least one inlet valve (14) and one outlet valve (16) is provided via an air filter (12)
Ladeluft zugeführt wird und dabei die Ladeluft wahlweise entweder über einen Verdichterzweig (28b) eines Ladersystems geführt wird, das einen Verdichter (22) für die Ladeluft und eine dem Verdichter zugeordnete Antriebseinheit (20) enthält, oder über einen Saugluftzweig (28a), der als Bypass den Verdichter (22) umgeht, und mit Sperrorganen (32, 30) imCharge air is supplied and the charge air is either guided via a compressor branch (28b) of a charger system which contains a compressor (22) for the charge air and a drive unit (20) assigned to the compressor, or via a suction air branch (28a), which as Bypass bypasses the compressor (22), and with blocking elements (32, 30) in the
Verdichterzweig (28b) und im Saugluftzweig (28a), dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Steuereinrichtung (34) die Sperrorgane (32, 30) in gesteuerter Weise wechselseitig geöffnet werden.Compressor branch (28b) and in the suction air branch (28a), characterized in that the blocking members (32, 30) are opened alternately in a controlled manner by a control device (34).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung bei vorgegebenen Betriebszuständen des Motors den Verdichter luftseitig abschaltet, während der Antrieb des Ladersystems aufrechterhalten wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the control device switches off the compressor on the air side at predetermined operating conditions of the engine while the drive of the charging system is maintained.
3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter durch Schließen des Sperrorgans (32) im Verdichterzweig (28b) abgeschaltet wird.3 The method according to claim 2, characterized in that the compressor is switched off by closing the locking member (32) in the compressor branch (28b).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Antriebseinheit durch einen Sensor (38) ermittelt und ein von dieser4. The method according to claim 3, characterized in that the speed of the drive unit is determined by a sensor (38) and one of these
Drehzahl abhängiger Steuerparameter in eine Steuereinrichtung (34) eingegeben wird und die Steuereinrichtung (34) nur dann befähigt ist, den Verdichterzweig (28b) zu öffnen, wenn die Drehzahl der Antriebseinheit (20) eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht hat.Speed-dependent control parameters are entered into a control device (34) and the control device (34) is only able to open the compressor branch (28b) when the speed of the drive unit (20) has reached a predetermined operating speed.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Ladersystems (20, 22) auf einen vorgegebenen O 03/044348Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the speed of the charger system (20, 22) to a predetermined O 03/044348
Höchstwert begrenzt wird und daß bei geringer Motorlast, wenn die Luftförderung des Verdichters (23) nicht benötigt wird, das Sperrorgan (32) im Verdichterzweig (28b) geschlossen wird.The maximum value is limited and that at low engine loads, when the air delivery of the compressor (23) is not required, the blocking member (32) in the compressor branch (28b) is closed.
6. Verfahren nach Anspruch 5 zum Ladungswechsel bei einem Motor, dessen Verdichterzweig (28b) einen Luftsammler (54) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß bei geschlossenem Sperrorgan (32) im Verdichterzweig (28b) die Drehzahl des Ladersystems (20, 22) gegenüber der Betriebsdrehzahl bei Ladeluftzufuhr über den Verdichterzweig (28b) erhöht ist.6. The method according to claim 5 for gas exchange in an engine, the compressor branch (28b) contains an air collector (54), characterized in that when the locking member (32) in the compressor branch (28b) the speed of the charger system (20, 22) compared to Operating speed with charge air supply via the compressor branch (28b) is increased.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrorgan (30) im Saugluftzweig (28a) mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber dem zugeordneten Einlaßventil (14, 14a) am Brennraum geöffnet und vor der Rückströmung des dadurch dynamisch verdichteten7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the blocking member (30) in the suction air branch (28a) with a time delay compared to the associated inlet valve (14, 14a) on the combustion chamber and before the backflow of the thereby dynamically compressed
Luftvolumens aus der Brennkammer (10) geschlossen wirdAir volume from the combustion chamber (10) is closed
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Startphase angewandt wird, bis der Verdichter (22) seine Betriebsdrehzahl erreicht hat.8. The method according to claim 7, characterized in that it is used in the starting phase until the compressor (22) has reached its operating speed.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl des Verdichters (22) bei geeigneter Betriebssituation des Motors bei jedem Saughub zunächst das Sperrorgan (30) im Saugluftzweig (28a) geöffnet und dann zur Nachladung verdichteter9. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that after reaching the operating speed of the compressor (22) with a suitable operating situation of the engine at each suction stroke, the blocking member (30) in the suction air branch (28 a) is opened and then compressed for recharging
Luft das Sperrorgan (32) im Verdichterzweig (28b) geöffnet und wieder geschlossen wird.Air the blocking member (32) in the compressor branch (28b) is opened and closed again.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus dem Saugluftzweig (28a) über ein erstes10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the air from the suction air branch (28a) via a first
Einlaßventil (14a) und die verdichtete Luft aus dem Verdichterzweig (28b) über ein zweites Einlaßventil (14b) in den Brennraum (10) eingeleitet wird. Inlet valve (14a) and the compressed air from the compressor branch (28b) is introduced into the combustion chamber (10) via a second inlet valve (14b).
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbereich zu Beginn der Saugphase aus einer gegen Rückfluß sperrbaren Abgasrückführieitung (44) Abgas in einen mit dem Einlaßventil (14a, 14b) in Verbindung stehenden, in Richtung auf den11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the partial load range at the beginning of the suction phase from a lockable against backflow exhaust gas recirculation line (44) exhaust gas in a with the inlet valve (14a, 14b) in connection, in the direction of
Luftfilter (12) durch ein Absperrorgan (30, 32) geschlossenen Bereich eingebracht wird.Air filter (12) is introduced through a shut-off device (30, 32) closed area.
12. Ladungswechselsystem eines Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem wenigstens ein Einlaßventil (14; 14a, 14b) und ein Auslaßventil (16; 16a, 16b) aufweisenden Brennraum (10) und einem zwischen einem Luftfilter (12) und dem Einlaßventil (14; 14b) angeordneten Verdichter (22), wobei die Ladeluftzufuhr des Motors in zwei parallele Leitungszweige aufgeteilt ist, deren erster als Verdichterzweig (28b) über den Verdichter (22) führt und deren zweiter als Saugluftzweig (28a) den Verdichter umgeht, dadurch gekennzeichnet, daß der Saugluftzweig (28a) und der Verdichterzweig (28b) jeweils ein Absperrorgan (30, 32) enthalten und daß zumindest das Absperrorgan (32) im Verdichterzweig (28b) ansteuerbar ist und den12. Charge exchange system of an internal combustion engine of the piston type, in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, with at least one at least one inlet valve (14; 14a, 14b) and one outlet valve (16; 16a, 16b) having a combustion chamber (10) and an intermediate one an air filter (12) and the inlet valve (14; 14b) arranged compressor (22), wherein the charge air supply of the engine is divided into two parallel line branches, the first as a compressor branch (28b) over the compressor (22) and the second as a suction air branch (28a) bypasses the compressor, characterized in that the suction air branch (28a) and the compressor branch (28b) each contain a shut-off element (30, 32) and that at least the shut-off element (32) in the compressor branch (28b) can be controlled and the
Absperrorganen (30, 32) eine Steuerung (34) derart zugeordnet ist, daß gleichzeitig nur eines der Absperrorgane geöffnet sein kann.Shut-off devices (30, 32) a control (34) is assigned such that only one of the shut-off devices can be open at the same time.
13. Ladungswechselsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (22) Teil eines Ladersystems (20, 22) ist, dessen Drehzahl von der Verdichterlast abhängig ist und dem ein Sensor (38) zur Überwachung der Verdichterdrehzahl zugeordnet ist, daß dieser Sensor (38) mit einer Steuereinheit (34) in Signalverbindung steht und die Steuereinheit (34) geeignet ist, das Absperrorgan (32) im Verdichterzweig (28b) nur zu öffnen, wenn das Sensorsignal anzeigt, daß der Verdichter (22) eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht hat. 13. Charge exchange system according to claim 12, characterized in that the compressor (22) is part of a charger system (20, 22), the speed of which is dependent on the compressor load and which is assigned a sensor (38) for monitoring the compressor speed, that this sensor (38) is in signal connection with a control unit (34) and the control unit (34) is suitable for opening the shut-off device (32) in the compressor branch (28b) only when the sensor signal indicates that the compressor (22) has reached a predetermined operating speed Has.
14. Ladungswechselsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (30) im Saugluftzweig (28a) ein Rückschlagventil ist.14. Charge exchange system according to claim 13, characterized in that the shut-off element (30) in the suction air branch (28a) is a check valve.
15. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Sperrorgane (30, 32) ansteuerbar sind.15. Charge exchange system according to one of claims 12 to 14, characterized in that both locking members (30, 32) can be controlled.
16. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit geeignet ist, über einen Signaleingang Informationen über den Betriebszustand des Motors zu empfangen, das Sperrorgan (32) im Verdichterzweig (28b) zu schließen, wenn dieser Betriebszustand eine Luftförderung des Verdichters (22) nicht erfordert, und die Drehzahl der Abgasturbine (20) auf einen vorgegebenen Höchstwert zu begrenzen.16. Charge exchange system according to one of claims 13 to 15, characterized in that the control unit is suitable for receiving information about the operating state of the engine via a signal input, to close the blocking member (32) in the compressor branch (28b) when this operating state involves air delivery of the compressor (22) does not require, and limit the speed of the exhaust gas turbine (20) to a predetermined maximum value.
17. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitungszweige 28a, 28b) vordem Einlaßventil (14) vereinigen.17. Charge exchange system according to one of claims 12 to 16, characterized in that the line branches 28a, 28b) unite before the inlet valve (14).
18. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Leitungszweige (28a, 28b) ein Einlaßventil18. Charge exchange system according to one of claims 12 to 16, characterized in that each of the line branches (28a, 28b) has an inlet valve
(14a, 14b) am Brennraum (10) zugeordnet ist.(14a, 14b) is assigned to the combustion chamber (10).
19. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16 und Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventile (14a, 14b) beider Leitungszweige (28a, 28b) durch die Steuereinrichtung (34) variabel ansteuerbare Einlaßventile sind, die die Funktion der Sperrorgane übernehmen.19. Charge exchange system according to one of claims 12 to 16 and claim 17, characterized in that the inlet valves (14a, 14b) of both line branches (28a, 28b) by the control device (34) are variably controllable inlet valves which take over the function of the blocking members.
20. Ladungswechselsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem der Sperrorgane (30, 32) und dem ihm zugeordneten20. Charge exchange system according to claim 18, characterized in that between one of the locking members (30, 32) and that assigned to it
Einlaßventil (14a, 14b) eine mit einer Rückflußsperre versehene Abgasrückführung (44) einmündet. Inlet valve (14a, 14b) opens an exhaust gas recirculation (44) provided with a non-return valve.
21. Ladungswechselsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung (44) mit einem Druckregler (46) versehen ist. '21. Charge exchange system according to claim 19, characterized in that the exhaust gas recirculation (44) is provided with a pressure regulator (46). '
22. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Saugluftzweig (28a) zwischen Luftfilter (12) und Absperrorgan (30) einen Luftsammler (54) mit nachfolgendem Schwingrohr (56) enthält.22. Charge exchange system according to one of claims 13 to 19, characterized in that the suction air branch (28a) between the air filter (12) and shut-off device (30) contains an air collector (54) with a subsequent oscillating tube (56).
23. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterzweig (28b) zwischen Verdichter (22) und Absperrorgan (32) einen Luftsammler (54) mit nachfolgendem Schwingrohr (56) enthält und das Absperrorgan (32) ein Lufttaktventil ist.23. Charge exchange system according to one of claims 13 to 19, characterized in that the compressor branch (28b) between the compressor (22) and the shut-off device (32) contains an air collector (54) with a subsequent oscillating tube (56) and the shut-off device (32) contains an air cycle valve is.
24. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladersystem (20, 22) ein Turbolader ist und dem Verdichter ein elektrischer Beschleunigungsmotor zugeordnet ist und daß die Antriebsverbindung zwischen dem Verdichter und einer Abgasturbine mit einem Freilauf versehen ist. 24. Charge exchange system according to one of claims 13 to 23, characterized in that the charger system (20, 22) is a turbocharger and the compressor is associated with an electric acceleration motor and that the drive connection between the compressor and an exhaust gas turbine is provided with a freewheel.
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