WO2011100958A1 - Verfahren zur einstellung eines ladedruckes in einer brennkraftmachine mit einem druckwellenlader - Google Patents

Verfahren zur einstellung eines ladedruckes in einer brennkraftmachine mit einem druckwellenlader Download PDF

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Jillis Legrom
Theo Van Den Munckhof
Fabian Fricke
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Benteler Automobiltechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for adjusting a boost pressure of an internal combustion engine, wherein the boost pressure is built up by a pressure wave supercharger, according to claim 1.
  • One way to charge the internal combustion engine by compressing the intake fresh air is the use of a pressure wave supercharger.
  • the efficiency of these pressure wave superchargers is determined by the mechanical components and the possibility of adaptive adaptation to the respective operating state of the engine in the form of a control and regulation.
  • the pressure wave loader is made up of fixed and rotating components.
  • the fixed components are: the housing shell, the rotor housing, which is divided into hot gas and cold gas housing and the supply and discharge lines for guiding the gaseous fluids.
  • the rotating components are formed by the rotor itself and optionally by an electric motor for driving the rotor.
  • a method for operating an internal combustion engine in which fresh air is compressed by a pressure wave supercharger, wherein at least one operating parameter of the pressure wave supercharger is controlled or regulated depending on at least one actual operating variable of the internal combustion engine.
  • the method disclosed here in this respect means a departure from the previous rigid and essentially uncontrolled or uncontrolled operating concepts of pressure wave chargers.
  • An operating parameter of the pressure wave charger to be controlled or regulated is the housing offset.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method for controlling and regulating a pressure wave supercharger, which optimizes the emission behavior, the response, the durability and the efficiency of the pressure wave supercharger while allowing a largely independent of external influences series use.
  • the inventive method for adjusting a boost pressure of an internal combustion engine wherein the boost pressure is built up by a pressure wave supercharger and wherein the pressure wave supercharger, a channel 1 for sucking fresh air, a channel 2 for discharging the compressed fresh air, a channel 3 for supplying exhaust gas and a channel 4 for discharging exhaust gas are connected and the pressure wave supercharger a cold gas housing, are connected to the channel 1 and channel 2, a gas pocket valve , which is arranged in the region of the channel 3 and a recirculation valve, which connects the channel 2 with the channel 3, are connected, characterized in that in the cold gas housing a control disc for adjusting the pressure wave process via a geometric offset of channel 3 - 4 to channel 1-2 and the boost pressure is adjusted and / or regulated as a function of a control disk position and / or a gas pocket valve position and / or a rotor speed of the pressure wave supercharger and / or a circulating air valve position.
  • individual operating parameters are adjusted and /
  • a variable valve timing of the intake valves and / or exhaust valves can be used to flush air into the exhaust system in front of the pressure wave supercharger, so as to cause a post-reaction with simultaneous increase in temperature.
  • An advantage of the method according to the invention is a control that can be realized inexpensively in the series production for control and regulation of pressure wave superchargers on internal combustion engines.
  • a lower energy consumption is made possible in the case of the pressure wave loader than in the prior art.
  • the quasi real-time adaptation of the operating variables of the pressure wave supercharger to the respective operating state of the internal combustion engine thus results in low power losses by pressure wave superchargers themselves.
  • An increase in the efficiency of the pressure wave supercharger is followed by an increase in the efficiency of the internal combustion engine.
  • a control disk position means the setting of the control disk arranged in the cold gas housing, the openings distributed over its surface comprising, on the one hand, the supply opening of the fresh air sucked in or the discharge line of the compressed fresh air or, on the other side, the rotor cell inlet regions to each other.
  • the duration of the pressure wave acting on the gaseous fluid to be compressed is determined. Consequently, there is an offset between channel 1 - 2 and channel 3 - 4.
  • control disk itself is in turn controlled via a control disk slide motor.
  • This is an electric actuator, which can turn the control disc quickly and efficiently in their setting.
  • the control disc position is set in response to at least one of the following operating parameters: the engine speed, the engine temperature, the charge air temperature, the intake air temperature actual value, the ambient air pressure, the exhaust temperature, the boost pressure setpoint, the boost pressure feedback, the operating pressure. set point.
  • the ambient air pressure or else the ambient temperature can also be used to control the control disk position.
  • the engine temperature may be a temperature tap, for example in the engine block housing, the engine oil or the cooling water, or the like, so that it can be used on existing sensors.
  • a conversion of the sensor tapped motor temperature to the required operating variable of the engine temperature to the control disk position can again take place via a computer model within a control unit. This results in the advantage that it is possible to fall back on existing sensors, which has a cost-effective effect on a close-to-production use, in particular in a motor vehicle.
  • the exhaust gas temperature within the scope of the invention, for example by a combined lambda probe temperature exhaust gas measurement be performed. This in turn makes it possible to dispense with additional sensors in the exhaust area.
  • the exhaust gas temperature is determined on the basis of an exhaust gas temperature model. Here, no sensor technology detection takes place.
  • the boost pressure desired value can be determined within the scope of the invention by means of a computer model as a function of the operating point in a respective characteristic map of the internal combustion engine and thus predetermined.
  • the boost pressure setpoint can also be read out directly from the engine control unit or provided by the engine control unit.
  • the boost pressure actual value is a value that can be measured in the sensor 2 in the channel 2 before the throttle or before entering the combustion chamber.
  • the internal combustion engine has a charge air cooler between compressed air and inlet in the cylinder. This again changes the pressure state of the boost pressure, so that the boost pressure can be converted via a computer model in the desired operating size.
  • the boost pressure actual value via a computer model.
  • the respective desired charge pressure can be determined via the ideal gas law in the form of a temperature measurement and / or further variables, for example air mass meter or pressure sensor.
  • the operating setpoint is the desired operating point in a map of the internal combustion engine. This can in turn be determined for example by the engine speed and the accelerator pedal position of a motor vehicle. It is also conceivable within the scope of the invention that the operating setpoint is determined directly from the engine control unit. This is preferably a value that is determined via the accelerator pedal position becomes. In the context of the invention, it is also conceivable that the operating setpoint is derived or read directly from a control unit via the torque-based load detection.
  • control disk position is set as a function of the difference between the boost pressure desired value and the boost pressure actual value.
  • the boost pressure desired value can be determined within the scope of the invention, for example, via a computer model.
  • control disk position is set as a function of the temperature and / or the thermodynamic state of the fresh air in the channel 1, the rotor speed and / or the pressure wave supercharger geometry.
  • a determination of the respectively occurring and expected local speed of sound is decisively carried out.
  • this can not be detected metrologically and is thus determined by computational models, which are derived from the ideal gas law and fluid mechanical formulas for determining velocities.
  • the rotor speed can be in the simplest embodiment directly from the Rotor motor, which is mainly an electric motor, are tapped.
  • pressure wave loader geometry is understood to mean space state variables which result from the mechanical components. These are defined, for example, by the length, width, height of the pressure wave supercharger housing, by volumes of the rotor cells or else by the respective inlet and outlet openings of the channels 1 to 4.
  • dynamic state variables are also understood by the pressure wave supercharger geometry. This may be, for example, the angle of attack or inflow angle. The inlet angles arise due to the setting of the control disc position or through various valves, such as the throttle. But it may also be a bypass opening in the form of the recirculation valve or by flow around, for example, a charge air cooler.
  • the complexity of the calculation model of the geometric pressure wave loader dimensions must be selected.
  • the flow into the rotor cells themselves depends on the fixed geometry of the channels in the housing itself.
  • the scavenging air quantity from channel 1 to channel 4 is regulated by the adjustment of the control disk position.
  • the control disk position depending on the desired operating state, it is possible to flush a large amount of fresh air from the inlet of channel 1 directly into channel 4, so that little residual gas mixture remains in the rotor cell.
  • this can lead to a high exhaust gas recirculation or a high purging rate.
  • this setting is influenced by the outside temperature.
  • the exhaust gas temperature in the channel 3 is the critical size, which can be influenced for example by the control disc position and / or gas pocket valve position and / or rotor speed and / or recirculation valve position and thus in turn affects the boost pressure.
  • an overflow of exhaust gas from channel 3 to channel 2 into the fresh gas region is avoided by the control disk position as a function of at least one of the following operating parameters: the charge air temperature actual value, the operating set point, the engine speed, the intake air temperature, the exhaust gas temperature ,
  • the gas pocket valve position is set as a function of at least one of the following operating parameters: the engine speed, the engine temperature, the exhaust gas temperature, the boost pressure actual value, the boost pressure target value, the ambient air pressure.
  • the gas pocket valve sits in the channel 3 just before the inlet of the exhaust gas discharged from the combustion tract in the pressure wave supercharger. With the help of the gas pocket valve, it is possible to increase the inlet openings for the exhaust gas on the hot gas housing side.
  • the gas pocket valve itself is controlled by a gas pocket valve motor. About the gas pocket valve, a part of the exhaust gas mass flow can be controlled so that it does not participate in the compression.
  • This servomotor may again be an electric actuator, which allows the desired setting of the gas pocket valve to be particularly responsive.
  • the compression capacity is determined and in particular improves the response of the internal combustion engine. An undesirable breakthrough of exhaust gas from channel 3 to channel 2 and the associated recirculation of the exhaust gas to the combustion process can be avoided by the control and regulation of the gas pocket valve in combination with the control disc position.
  • the difference between the boost pressure set value and the boost pressure actual value is used to set the gas pocket valve position.
  • a controller for example in the form of a P, I or PID controller or the like can be applied to correct overshoots.
  • the controller regulates the deviations between setpoint and actual value of the boost pressure which occur in the real operating behavior. A resulting from the deviations overriding is thus avoided.
  • the rotor speed is set as a function of the engine speed and / or the charge pressure actual value.
  • the rotor speed is a decisive factor for the change of charge within the pressure wave loader.
  • the rotor speed is set by an electric motor which actively drives the pressure wave supercharger rotor.
  • load oscillations are compensated during idling of the internal combustion engine by adjusting the gas pocket valve position and / or the control disk position. This makes it possible in the Keep substantially constant rotor speed, thereby positive or negative accelerations of the rotor can be avoided.
  • load oscillations are compensated during idling of the internal combustion engine by short-term switching off a consumer.
  • a consumer means, for example, an air-conditioning compressor, a vehicle heater or even a power-steering compressor, a water pump, a rear window heater or similar components.
  • the idling speed is set as low as possible to save fuel.
  • a position above the rotor speed is required in addition to a control and regulation option on the control disc position or the gas pocket valve position, it can be redirected to the control and regulation of the electric motor motor in the invention by switching off a consumer short term thereby released electric energy. Thereby, an idle load vibration is suppressed.
  • it can be generated by mechanical loads, transmitted for example via the drive train, or else electrical loads in the load oscillations, for example by positive acceleration of the rotor motor, which represents an electrical load oscillation in the form of an electrical excess consumption.
  • load oscillations are compensated during operation of the internal combustion engine at a substantially constant operating point by adjusting the gas pocket valve position and / or the control disk position.
  • a substantially constant operating point is a point in an internal combustion engine map that is determined by a substantially constant engine speed and a substantially constant load.
  • this operating point is in real use always only for a very small period of time in the millisecond range, which is why a control and control can be done significantly with the inventive method in real time and responsive.
  • the load oscillations during operation of the internal combustion engine at a substantially constant operating point compensated by adjusting the rotor speed.
  • this variant is a good alternative or even the possibility of a redundant system in case of failure of one of the aforementioned settings.
  • a recirculation valve position is set in response to at least one of the following operating parameters: the boost pressure feedback, the boost pressure setpoint, the engine temperature, the exhaust temperature, the engine speed, the operating setpoint.
  • the recirculation valve is a valve which connects the channel 2 with the channel 3. By the recirculation valve is possible to supply the compressed air in the intake directly to the exhaust tract. This creates a bypass function that excludes both the intercooler and the internal combustion engine in the circuit between intake air and exhaust gas. This has a particularly advantageous effect on the possibility of rapid pressure increase in the channel 3 and on an exhaust gas temperature increase by afterburning in a catalyst.
  • variable valve timing of intake valve and exhaust valve may be used to control these parameters.
  • an identical effect is achieved and the recirculation valve can be omitted. This saves further costs in mass production.
  • Figure 1 is a schematic diagram of the circuit of intake air via
  • Figure 2 is a flowchart for controlling and controlling the
  • FIG. 1 shows a portion of an internal combustion engine A in an embodiment shown here as gasoline engine. Shown is a sectional view through the cylinder, wherein an intake valve 1, an exhaust valve 2, a piston 3, a spark plug 4, an injection nozzle 5 and a combustion chamber 6.
  • a pressure wave supercharger B is connected to the internal combustion engine A.
  • the pressure wave loader B in turn has four channels (O, P, Q, R) connected to it. These are the channel 1 (0) in the region of the intake fresh air, the channel 2 (P) in the region of the compressed fresh air for supply to a charge air cooler J and an adjoining throttle valve K after which the compressed fresh air is supplied to the combustion chamber 6.
  • the pressure wave supercharger B furthermore has a cold gas housing side 7 and a hot gas housing side 8. In the cold gas housing half 7, a control disk is arranged. The control disk is controlled by a Steuerusionnstellmotor.
  • the arranged in the pressure wave supercharger B rotor C is driven by an electric rotor motor E.
  • the sucked fresh air follows a path through the channel 1 (0) in each of the channel 1 (O) adjacent rotor cell 9 and is compressed in the pressure wave supercharger B.
  • the compressed air is then supplied to the inlet valve 1 via the passage 2 (P) in the outlet area of the passage 2 (P).
  • a recirculation valve with associated servomotor H in the channel 2 (P) is interposed still arranged to bypass the intercooler and the combustion chamber 6 through a bypass line.
  • the intercooler J the compressed and heated air is cooled so that its volume decreases, which leads to a higher degree of cylinder filling in the combustion chamber 6.
  • the exhaust stroke the exhaust gas formed in the combustion chamber 6 through the channel 3 (Q) the pressure wave supercharger B is fed back to the hot gas side.
  • a catalyst L is interposed, which carries out a first exhaust aftertreatment.
  • the gas pocket valve F located in the channel 3 (Q) is the gas pocket valve F, driven via a gas pocket valve motor F allows increased entry of residual gas into the rotor cells 9 via the inlet port of the channel 3 (Q) and exhaust past the rotor leads directly into channel 4 (R ).
  • the blast compresses the fresh air drawn in through the channel 1 and causes the compressed fresh air to flow into the channel 2 (P) and then into the channel 4 (R) through the outlet of the rotor cells Off-gas transfered.
  • the exhaust gas then flows through optionally further exhaust aftertreatment components, for example in the form of an oxidation catalyst M.
  • Position 1 shows a tap of measurement data in the intake area of the fresh air.
  • Pos. 2 US shows a tap of parameters in the compressed fresh air before the intercooler J.
  • Pos. 2 DS shows a tap after the throttle K just before the inlet valve 1 of the internal combustion engine A.
  • Pos. 3 US shows a possible tap point in the third (Q).
  • Pos. 3 DS shows a measuring point in the channel 3 (Q) before entering the pressure wave charger B.
  • Pos. 3 US and 3 DS are each chosen so that they measure the total flow after or in front of the recirculation valve F or gas pocket valve H. to provide readings for a recirculation valve position or gas pocket valve position b.
  • Pos. 4 shows a possible measurement point in the exhaust line S after the pressure wave supercharger B.
  • the measurement positions shown here have proved in the invention to be advantageous, but can be supplemented or reduced depending on the application to other measurement positions and also set freely selectable in their local position become.
  • Figure 2 shows a block diagram for setting a boost pressure.
  • the picture plane on the left side is supplied via the point IN data via a data bus system. These data are forwarded to the image plane on the right side in a point OUT turn into a data bus.
  • the operating parameters required for a method according to the invention can be tapped on the data bus.
  • the block diagram shown here is implemented, for example, on a control unit.
  • the control disk position a is determined in the uppermost evaluation and calculation module 10 related to the image plane.
  • boost pressure setpoint g boost pressure actual value h, engine speed o, exhaust gas temperature f, Charge air temperature actual value I, intake air temperature actual value n and ambient air pressure p read from the data bus.
  • the evaluation and calculation module 10 uses a method according to the invention to determine the desired desired control disk position and in turn forwards it to a data bus.
  • the transfer can also be made directly to the Steuerusionnstellmotor.
  • the gas pocket valve position b is determined.
  • boost pressure setpoint g, boost pressure actual value h, engine speed o, exhaust gas temperature f, engine temperature e and ambient air pressure p are fed into the evaluation and calculation module 10.
  • the gas pocket valve target position is determined and, in turn, passed on to a data bus system or else directly to the gas pocket valve actuating motor F.
  • the rotor speed c of the pressure wave supercharger B is determined.
  • charge pressure setpoint g and engine speed o are evaluated from the data bus. Again, this can be done on a data bus or direct control of the evaluation and calculation module 10 of the rotor motor E.
  • Another evaluation and calculation module 10 determines the desired recirculation valve position d. For this purpose, boost pressure setpoint g, engine temperature e, exhaust gas temperature f and engine speed o are evaluated.
  • the Umbuchventilsoll ein is in turn passed on to a bus system or directly to the Umluftventilstellmotor H.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine (A), wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader (B) aufgebaut wird und an den Druckwellenlader (B) ein Kanal 1 (O) zum Ansaugen von Frischluft, ein Kanal 2 (P) zum Abführen der komprimierten Frischluft, ein Kanal 3 (Q) zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 (R) zum Abführen von Abgas angeschlossen sind und der Druckwellenlader (B) ein Kaltgasgehäuse, an dem Kanal 1 (O) und Kanal 2 (P) angeschlossen sind, ein Gastaschenventil (F), das im Bereich des Kanal 3 (Q) angeordnet ist und ein Umluftventil (H), das den Kanal 2 (P) mit dem Kanal 3 (Q) verbindet, angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Kaltgasgehäuse eine Steuerscheibe (D) zur Einstellung des Druckwellenprozesses über einen geometrischen Versatz von Kanal 3 - 4 zu Kanal 1 - 2 angeordnet ist und der Ladedruck in Abhängigkeit einer Steuerscheibenstellung (a) und/oder einer Gastaschenventilstellung (b) und/oder einer Rotordrehzahl (c) des Druckwellenladers (B) und/oder einer Umluftventilstellung (d) eingestellt oder geregelt wird.

Description

VERFAHREN ZUR EINSTELLUNG EINES LADEDRUCKES IN EINER BRENNKRAFTMACHINE MIT EINEM DRUCKWELLENLADER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader aufgebaut wird, gemäß Patentanspruch 1.
Verbrennungskraftmaschinen nutzen zur Erhöhung ihrer Leistungsausbeute Bauteile, die geeignet sind, angesaugte Frischluft zu verdichten und anschließend dem Verbrennungsvorgang zuzuführen. Diese als Aufladesystem bezeichneten Maschinen nutzen verschiedene Verdichtertypen um den zuvor genannten Vorgang durchzuführen.
Eine Möglichkeit die Verbrennungskraftmaschine durch Verdichten der angesaugten Frischluft aufzuladen, besteht in der Nutzung eines Druckwellenladers. Der Wirkungsgrad dieser Druckwellenlader wird durch die mechanischen Bauteile und durch die Möglichkeit der adaptiven Anpassung auf den jeweiligen Betriebszustand des Motors in Form einer Regelung und Steuerung bestimmt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Der Druckwellenlader ist aus feststehenden und rotierenden Bauteilen aufgebaut. Die feststehenden Bauteile sind: der Gehäusemantel, das Rotorgehäuse, das in Heißgas- und Kaltgasgehäuse aufgeteilt ist sowie die Zu- und Ableitungen zur Führung der gasförmigen Fluide. Die rotierenden Bauteile werden durch den Rotor selbst und gegebenenfalls durch einen Elektromotor zum Antrieb des Rotors gebildet.
Aus der DE 10 2006 020 522 A1 ist eine Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Frischluft durch ein Druckwellenlader komprimiert wird, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Druckwellenladers abhängig von mindestens einer Ist-Betriebsgröße der Brennkraftmaschine gesteuert oder geregelt wird. Das hier offenbarte Verfahren bedeutet insoweit eine Abkehr von dem bisherigen starren und im Wesentlichen ungesteuerten bzw. ungeregelten Betriebskonzepten von Druckwellenladern.
Durch die Anpassung des Betriebes des Druckwellenladers an den Ist- Betriebszustand der Brennkraftmaschine werden Pumpverluste der Brennkraftmaschine minimiert. Auch kann auf diese Weise das Ansprechverhalten des Druckwellenladers verbessert werden und es können die Bedingungen für eine Abgasnachbehandlung optimiert werden. Ein zu steuernder oder zu regelnder Betriebparameter des Druckwellenladers ist der Gehäuseversatz.
Für den Serieneinsatz eines Druckwellenladers, beispielsweise an einer Verbrennungskraftmaschine im Kraftfahrzeugbereich, gelten jedoch hohe Anforderungen an die Einsatzbedingungen sowie die Lebensdauererwartung. Hier ist es beispielsweise vorstellbar, dass der Druckwellenlader bei - 20 °C und bei + 50 °C Außentemperatur und über einen Lebenszyklus von mehreren Jahren hinweg einwandfrei funktionieren muss. Auch die Abgastemperaturen von 900 °C und höher wirken sich negativ auf die Langlebigkeit und die einwandfreie Funktion des Druckwellenladers aus. Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Druckwellenladern ist die Steuerung des Druckwellenladers über einen Gehäuseversatz. Einen robusten Gehäuseversatz bereitzustellen, der ebenfall serientauglich ist, ist in einem wirtschaftlichen Ausmaß mit den bisher bekannten Herstellungsverfahren, insbesondere vor dem Hintergrund, dass geringe Spaltmaße zwischen den rotierenden und feststehenden Bauteilen des Druckwellenladers eingehalten werden müssen, um einen hohen Wirkungsgrad des Druckwellenladers zu garantieren, nicht möglich.
Weiterhin offenbaren die aus dem Stand der Technik bekannten Regelungsund Steuerungsverfahren für Druckwellenlader den Einsatz einer Vielzahl von Sensoren, die für einen Serieneinsatz wiederum einen hohen Kostenaufwand verursachen und auch eine hohe Störanfälligkeit bedingen. Der Einsatz von redundanten Sensorsystemen würde zu noch höheren Kosten führen
Aufgrund der Druckunterschiede zwischen Ansaugtrakt und Abgastrakt bildet sich ein gasdynamischer Vorgang in den Rotorzellen des Druckwellenladers aus. Hier ist eine detaillierte Modellierung eines Druckwellenladers, die auf einem Steuergerät implementiert werden könnte, mit den heutigen CAx- Methoden (zum Beispiel CAE, CFD, BEM) nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Druckwellenladers bereit zu stellen, welches das Emissionsverhalten, das Ansprechverhalten, die Dauerhaltbarkeit und den Wirkungsgrad des Druckwellenladers optimiert und gleichzeitig einen von äußeren Einflüssen weitestgehend unabhängigen Serieneinsatz ermöglicht.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader aufgebaut wird und wobei an den Druckwellenlader ein Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, eine Kanal 2 zum Abführen der komprimierten Frischluft, ein Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 zum Abführen von Abgas angeschlossen sind und der Druckwellenlader ein Kaltgasgehäuse, an dem Kanal 1 und Kanal 2 angeschlossen sind, ein Gastaschenventil, das im Bereich des Kanals 3 angeordnet ist und ein Umluftventil, das den Kanal 2 mit dem Kanal 3 verbindet, angeschlossen sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Kaltgasgehäuse eine Steuerscheibe zur Einstellung des Druckwellenprozesses über einen geometrischen Versatz von Kanal 3 - 4 zu Kanal 1 - 2 angeordnet ist und der Ladedruck in Abhängigkeit von einer Steuerscheibenstellung und/oder einer Gastaschenventilstellung und/oder einer Rotordrehzahl des Druckwellenladers und/oder einer Umluftventilstellung eingestellt und/oder geregelt wird. Im Rahmen der Erfindung können einzelne Betriebsparameter geregelt werden und gleichzeitig andere, bspw. die Umluftventilstellung, eingestellt werden.
Als Alternative zu der Regelung durch die Umluftventilstellung kann eine variable Ventilsteuerzeit der Einlassventile und/oder Auslassventile dazu genutzt werden, Luft ins Abgassystem vor den Druckwellenlader zu spülen, um damit eine Nachreaktion mit gleichzeitigem Temperaturanstieg zu bewirken.
Vorteilig bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Steuerung, die kostengünstig in dem Serieneinsatz zur Steuerung und Regelung von Druckwellenladern an Verbrennungskraftmaschinen realisiert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird bei dem Druckwellenlader ein gegenüber dem Stand der Technik geringerer Energieverbrauch ermöglicht. Durch die quasi Echtzeitanpassung der Betriebsgrößen des Druckwellenladers an den jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, ergeben sich somit geringe Verlustleistungen durch Druckwellenlader selber. Einer Steigerung des Wirkungsgrades des Druckwellenladers folgt eine Steigerung des Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine.
Unter eine Steuerscheibenstellung ist die Einstellung der im Kaltgasgehäuse angeordneten Steuerscheibe gemeint, die über ihre Fläche verteilt Öffnungen aufweist, die auf der einen Seite die Zuführungsöffnung der angesaugten Frischluft bzw. die Abführungsleitung der komprimierten Frischluft bzw. auf der anderen Seite die Rotorzelleneintrittsbereiche miteinander verbindet. Je nach Stellung der Steuerscheibe wird die Dauer der auf das zu verdichtende gasförmige Fluid wirkenden Druckwelle bestimmt. Es ergibt sich folglich ein Versatz zwischen Kanal 1 - 2 und Kanal 3 - 4.
Dies wirkt sich vorteilig auf den sich einstellenden gasdynamischen Effekt des Druckwellenladers direkt aus. Die Steuerscheibe selber wird dabei wiederum über einen Steuerscheibenschiebermotor angesteuert. Hierbei handelt es sich um einen Elektroaktuator, der die Steuerscheibe schnell und effizient in ihrer Einstellung verdrehen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Steuerscheibenstellung in Abhängigkeit von mindestens einem der folgenden Betriebsparameter eingestellt: der Motordrehzahl, der Motortemperatur, der Ladelufttemperatur, der Ansauglufttemperatur-Istwert, dem Umgebungsluftdruck, der Abgastemperatur, des Ladedruck-Sollwertes, des Laderdruck- Istwertes, dem Betriebs-Sollpunkt.
Im Rahmen der Erfindung kann weiterhin der Umgebungsluftdruck oder aber auch die Umgebungstemperatur mit zur Steuerung der Steuerscheibenstellung genutzt werden. Bei der Motortemperatur kann es sich dabei um einen Temperaturabgriff, beispielsweise im Motorblockgehäuse, am Motoröl oder am Kühlwasser, oder Ähnlichem handeln, so dass auf vorhandene Sensoren zurückgegriffen werden kann. Eine Umrechnung der sensortechnisch abgegriffenen Motortemperatur auf die benötigte Betriebsgröße der Motortemperatur zur Steuerscheibenstellung kann wiederum über ein Rechenmodell innerhalb eines Steuergerätes erfolgen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auf bereits vorhandene Sensoren zurückgegriffen werden kann, was sich kostengünstig auf einen seriennahen Einsatz, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, auswirkt.
Weiterhin kann die Abgastemperatur im Rahmen der Erfindung, beispielsweise durch eine kombinierte Lambdasonden Temperaturabgasmessung durchgeführt werden. Hierdurch kann wiederum auf zusätzliche Sensorik im Abgasbereich verzichtet werden. Es ist jedoch auch vorstellbar im Abgasaustritt zwischen Auslassventil und Eintritt über den Kanal 3 in den Druckwellenlader bzw. nach Austritt aus dem Druckwellenlader in Kanal 4 bzw. einem sich daran anschließenden Abgastrakt bzw. Krümmer die Abgastemperatur zu messen. Es ist jedoch auch im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass die Abgastemperatur aufgrund eines Abgastemperaturmodels ermittelt wird. Hierbei erfolgt keine sensortechnische Erfassung.
Der Ladedruck-Sollwert kann dabei im Rahmen der Erfindung über ein Rechenmodell in Abhängigkeit des Betriebspunktes in einem jeweiligen Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine bestimmt und somit vorgegeben werden. Der Ladedruck-Sollwert kann dabei auch direkt aus dem Motorsteuergerät ausgelesen werden bzw. durch das Motorsteuergerät zur Verfügung gestellt werden. Der Ladedruck-Istwert ist dabei ein Wert der sensortechnisch im Kanal 2 vor der Drosselklappe bzw. vor Eintritt in den Brennraum gemessen werden kann. Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, dass die Verbrennungskraftmaschine zwischen verdichteter Luft und Einlass in den Zylinder einen Ladeluftkühler aufweist. Hierdurch ändert sich nochmals der Druckzustand des Ladedruckes, so dass der Ladedruck über ein Computermodell in die gewünschte Betriebsgröße umgerechnet werden kann. Auch ist im Rahmen der Erfindung vorstellbar, den Ladedruck-Istwert über ein Rechenmodell zu bestimmen. Beispielsweise kann über das ideale Gasgesetz in Form einer Temperaturmessung und/oder weitere Größen, beispielweise Luftmassenmesser oder Drucksensor, der jeweilige benötigte Ladedruck bestimmt werden.
Der Betriebs-Sollpunkt ist der gewünschte Betriebspunkt in einem Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine. Dieser kann wiederum beispielsweise durch die Motordrehzahl und die Fahrpedalstellung eines Kraftfahrzeuges ermittelt werden. Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass der Betriebssollpunkt aus dem Motorsteuergerät direkt ermittelt wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Wert, der über die Fahrpedalstellung ermittelt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch vorstellbar, dass der Betriebssollpunkt über die drehmomentbasierte Lasterkennung direkt aus einem Steuergerät abgeleitet oder ausgelesen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Steuerscheibenstellung in Abhängigkeit von der Differenz von Ladedruck- Sollwert und Ladedruck-Istwert eingestellt.
Durch eine Regelung und Steuerung der Steuerscheibenstellung in Abhängigkeit von der Differenz der beiden Ladedruckwerte ergibt sich die Möglichkeit den Ladedruck-Istwert besonders schnell ab- oder aufzubauen. Der Ladedruck-Sollwert kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise über ein Rechenmodell bestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Steuerscheibenstellung in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder dem thermodynamischen Zustand der Frischluft im Kanal 1 , der Rotordrehzahl und/oder der Druckwellenladergeometrie eingestellt. Im Rahmen der Erfindung wird abhängig von der Temperatur und dem thermodynamischen Zustand der Frischluft maßgeblich eine Bestimmung der jeweils sich einstellenden und zu erwartenden lokalen Schallgeschwindigkeit durchgeführt. Diese kann jedoch messtechnisch nicht erfasst werden und wird somit über Rechenmodelle bestimmt, die sich aus dem idealen Gasgesetz sowie strömungsmechanischen Formeln zur Bestimmung von Geschwindigkeiten herleiten.
Beispielsweise ist es möglich, über den Zustand im Kanal 1 vor Eintritt in die Rotorzelle über die thermodynamische Zustandsgieichung, die Geschwindigkeit als Funktion von der Gaskonstante, der Temperatur- und des Isentropenexponenten die lokale Schallgeschwindigkeit in den Zellen zu berechnen. Weitere Einflüsse, die zum Beispiel durch die Erwärmung der Zelle dargestellt sind, erfordern eine Korrektur des berechneten Wertes der lokalen Schallgeschwindigkeit in der Rotorzelle, da in der Rotorzelle selbst keine Messung der Temperatur und/oder der Gaszusammensetzung möglich ist. Die Rotordrehzahl kann dabei in einfachster Ausführungsform direkt von dem Rotormotor, bei dem es sich maßgeblich um einen Elektromotor handelt, abgegriffen werden.
Unter der Druckwellenladergeometrie werden, im Rahmen der Erfindung Bauraumzustandsgrößen verstanden, die sich aus den mechanischen Komponenten ergeben. Diese sind beispielsweise durch Länge, Breite, Höhe des Druckwellenladergehäuses definiert, durch Volumina der Rotorzellen oder aber auch durch die jeweiligen Ein- und Auslassöffnungen der Kanäle 1 bis 4. Weiterhin werden unter der Druckwellenladergeometrie auch dynamische Zustandsgrößen verstanden. Es kann sich hierbei beispielsweise um Anströmwinkel oder Einströmwinkel handeln. Die Einströmwinkel ergeben sich aufgrund der Einstellung der Steuerscheibenstellung oder durch verschiedene Ventile, wie beispielsweise der Drosselklappe. Es kann sich aber auch um eine Bypassöffnung in Form des Umluftventils oder aber durch Umströmungen beispielsweise eines Ladeluftkühlers handeln. Hierbei ist je nach zu erreichender Genauigkeit des einzustellenden Betriebszustandes des Druckwellenladers die Komplexität des Rechenmodells der geometrischen Druckwellenladerabmaße zu wählen. Die Anströmung in die Rotorzellen selber ist je nach Druckwellenladergeometrie aber auch von der fixen Geometrie der Kanäle in das Gehäuse selber abhängig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Spülluftmenge von Kanal 1 zu Kanal 4 durch die Einstellung der Steuerscheibenstellung geregelt. Hierbei ist je nach gewünschtem Betriebszustand möglich, eine große Menge Frischluft von dem Einlass von Kanal 1 direkt in Kanal 4 zu überspülen, so dass wenig Restgasgemisch in der Rotorzelle verbleibt. In Teillastbetriebszuständen ist es unter Umständen vorteilig, einen gewissen Anteil von Restgas der Verbrennung erneut zuzuführen. Zur Reduzierung von Abgasemissionen ist es hier jedoch vorteilig, einen gewissen Anteil von Restgas der Verbrennung erneut zuzuführen, um weiterhin den Abbau von Stickoxiden zu fördern.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird die Spülluftmenge von Kanal 1 zu Kanal 4 während eines Kaltstarts durch die Steuerscheibenstellung eingestellt. Hierbei kann es je nach gewünschtem Betriebszustand im Kaltstartverhalten der Verbrennungskraftmaschine zu einer hohen Abgasrückführung oder aber einer hohen Durchspülungsrate kommen. Maßgeblich wird diese Einstellung mit von der Außentemperatur beeinflusst. Im Kaltstartverhalten ist jedoch die Abgastemperatur im Kanal 3 die kritische Größe, die beispielsweise durch die Steuerscheibenstellung und/oder Gastaschenventilstellung und/oder Rotordrehzahl und/oder Umluftventilstellung beeinflussbar ist und sich somit wiederum auf den Ladedruck auswirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird ein Überströmen von Abgas von Kanal 3 zu Kanal 2 in den Frischgasbereich durch die Steuerscheibestellung in Abhängigkeit von mindestens einem der nachfolgenden Betriebsparameter vermieden: dem Ladelufttemperatur-Istwert, dem Betriebs-Sollpunkt, der Motordrehzahl, der Ansauglufttemperatur, der Abgastemperatur.
Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ist es hierbei das Ziel, den Durchbruch von Abgas von Kanal 3 zu Kanal 2 weitestgehend zu vermeiden. Durch ein Überströmen des Abgases in den Kanal 2 steigt die Ladelufttemperatur, wodurch sich das Volumen der Ladeluft erhöht, was im Teillastbetrieb zur Verbesserung des Wirkungsgrades durch entdrosseln genutzt wird. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass eine zu hohe rückgeführte Abgasmenge zu Verbrennungsaussetzern führen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Gastaschenventilstellung in Abhängigkeit von mindestens einem der nachfolgenden Betriebsparameter eingestellt: der Motordrehzahl, der Motortemperatur, der Abgastemperatur, dem Ladedruck-Istwert, dem Ladedruck-Sollwert, dem Umgebungsluftdruck.
Das Gastaschenventil sitzt dabei im Kanal 3 kurz vor dem Einlass des vom Verbrennungstrakt abgeführten Abgases in den Druckwellenlader. Mit Hilfe des Gastaschenventils ist es auf der Heißgasgehäuseseite möglich die Einlassöffnungen für das Abgas zu vergrößern. Das Gastaschenventil selber wird dabei über einen Gastaschenventilstellmotor gesteuert. Über das Gastaschenventil kann ein Teil des Abgasmassenstroms gesteuert werden, so dass dieser nicht an der Verdichtung teilnimmt. Bei diesem Stellmotor kann es sich wiederum um einen Elektroaktuator handeln, der besonders reaktionsschnell die gewünschte Einstellung des Gastaschenventils ermöglicht. Durch die Steuerung oder Regelung der Stellung des Gastaschenventils wird die Verdichtungsleistung bestimmt und insbesondere das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine verbessert. Ein unerwünschtes Durchbrechen von Abgas von Kanal 3 zu Kanal 2 und die damit verbundene Wiederzuführung des Abgases zu dem Verbrennungsvorgang kann durch die Steuerung und Regelung des Gastaschenventils in Kombination mit der Steuerscheibenstellung vermieden werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Differenz zwischen Ladedruck-Sollwert und Ladedruck-Istwert zur Einstellung der Gastaschenventilstellung genutzt. Dabei kann ein Regler, beispielsweise in Form eines P, I oder auch PID-Reglers oder Ähnlichem appliziert werden, um Überschwingungen auszuregeln. Der Regler regelt dabei die im realen Betriebsverhalten auftretenden Abweichungen zwischen Soll- und Istwert des Ladedruckes aus. Ein aus den Abweichungen resultierendes Überregeln wird somit vermieden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird die Rotordrehzahl in Abhängigkeit der Motordrehzahl und/oder des Ladedruck-Istwertes eingestellt. Die Rotordrehzahl ist dabei eine entscheidende Einflussgröße für den Ladungswechsel innerhalb des Druckwellenladers. Die Rotordrehzahl wird von einem Elektromotor, der den Druckwellenladerrotor aktiv antreibt, vorgegeben.
Besonders bevorzugt werden Lastschwingungen während des Leerlaufes der Verbrennungskraftmaschine durch Einstellung der Gastaschenventilstellung und/oder der Steuerscheibenstellung kompensiert. Dies ermöglicht es eine im Wesentlichen konstante Rotordrehzahl zu halten, wodurch positive oder auch negative Beschleunigungen des Rotors vermieden werden.
Dies wirkt sich zum einen besonders vorteilig auf die zu erwartenden akustischen Effekte aus, zum anderen wird durch Vermeidung von Beschleunigungen des Rotors weitestgehend Energie eingespart, was sich wiederum vorteilig auf den Wirkungsgrad des Druckwellenladers auswirkt. Die Einstellung des Gastaschenventils oder aber der Steuerscheibe kann durch die jeweils korrespondierenden Aktuatoren besonders schnell und effizient erfolgen. Hieraus resultiert eine schnelle Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, was wiederum zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades dieser führt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung werden Lastschwingungen während des Leerlaufes der Verbrennungskraftmaschine durch kurzfristiges Abschalten eines Verbrauchers kompensiert. Unter einem Verbraucher sind im Rahmen der Erfindung beispielsweise ein Klimakompressor, eine Fahrzeugheizung oder aber auch ein Servolenkungskompressor, eine Wasserpumpe, eine Heckscheibenheizung oder ähnliche Bauteile zu verstehen.
Bei heutigen Verbrennungskraftmaschinen wird zur Kraftstoffeinsparung die Leerlaufdrehzahl so niedrig wie möglich eingestellt. Bei aufgeladenen hubraumkleinen Motoren ist es schwierig die Motorleerlaufdrehzahl konstant zu halten, so dass es schlimmstenfalls zu einer unerwünschten Motorabschaltung kommen kann, wenn Verbraucher ein- und/oder ausgeschaltet werden.
Ebenfalls kann bei niedrigem Umgebungsluftdruck und niedriger Umgebungslufttemperatur ein Anfahrproblem entstehen, wenn alle Verbraucher eingeschaltet sind. Dieses Phänomen tritt besonders bei hubraumarmen Motoren in schweren Kraftfahrzeugen auf, die mit zahlreichen elektrischen Verbrauchern ausgestattet sind. Um den Stromverbrauch des Druckwellenladers im Leerlauf und auch im leerlaufnahen Bereich so gering wie möglich zu halten, sollen Stelleingriffe über den Rotormotor durch Abschalten der Verbraucher kompensiert werden.
Ist zusätzlich zu einer Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit über die Steuerscheibenstellung bzw. die Gastaschenventilstellung eine Stellung über die Rotordrehzahl erforderlich, so kann im Rahmen der Erfindung durch Abschalten eines Verbrauchers kurzfristig der hierdurch freiwerdende elektrische Energieanteil auf die Steuerung und Regelung des Elektrorotormotors umgeleitet werden. Dadurch wird eine Leerlauflastschwingung unterdrückt. Im Rahmen der Erfindung kann es sich bei den Lastschwingungen um Schwingungen erzeugt durch mechanische Lasten, beispielsweise übermittelt über den Antriebsstrang, oder aber auch elektrische Lasten handeln, beispielsweise durch positive Beschleunigung des Rotormotors, die eine elektrische Lastschwingung in Form eines elektrischen Mehrverbrauches darstellt.
In einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung werden Lastschwingungen während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine bei im Wesentlichen konstantem Betriebspunkt durch Einstellung der Gastaschenventilstellung und/oder der Steuerscheibenstellung kompensiert. Im Rahmen der Erfindung ist ein im Wesentlichen konstanter Betriebspunkt ein Punkt in einem Verbrennungskraftmaschinenkennfeld, der durch eine im Wesentlichen konstante Motordrehzahl und eine im Wesentlichen konstante Last bestimmt ist. Dieser Betriebspunkt liegt allerdings im realen Einsatz immer nur für einen sehr kleinen Zeitabschnitt im Millisekundenbereich vor, weshalb eine Regelung und Steuerung maßgeblich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in Echtzeit und reaktionsschnell erfolgen kann. Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine ist ebenfalls zur Ausregelung von Lastschwingungen ein Ausschalten eines Verbrauchers möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung werden die Lastschwingungen während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine bei im Wesentlichen konstanten Betriebspunkt durch Einstellung der Rotordrehzahl kompensiert. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, den Betriebspunkt des Druckwellenladers auf dem vorliegenden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine durch Einstellung der Rotordrehzahl optimal einzustellen. In Kombination mit der Gastaschenventilstellung und/oder der Steuerscheibenstellung zur Kompensierung von Lastschwingungen während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine ist diese Variante eine gute Alternative oder aber auch die Möglichkeit, ein redundantes System bei einem Defekt einer der zuvor genannten Einstellungsmöglichkeiten.
Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass bei einer Änderung der Rotordrehzahl ein elektrischer Verbraucher abgeschaltet wird, um die elektrische Lastschwingung zu kompensieren.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Umluftventilstellung in Abhängigkeit von mindestens einem der folgenden Betriebsparameter eingestellt: dem Ladedruck-Istwert, dem Ladedruck- Sollwert, der Motortemperatur, der Abgastemperatur, der Motordrehzahl, dem Betriebs-Sollpunkt. Bei dem Umluftventil handelt es sich dabei um ein Ventil, das den Kanal 2 mit dem Kanal 3 verbindet. Durch das Umluftventil besteht die Möglichkeit, die verdichtete Luft im Ansaugtrakt direkt dem Abgastrakt zuzuführen. Hierdurch entsteht eine Bypassfunktion, die sowohl den Ladeluftkühler als auch den Verbrennungsmotor im Kreislauf zwischen Ansaugluft und Abgas ausschließt. Besonders vorteilig wirkt sich dies auf die Möglichkeit der schnellen Druckerhöhung im Kanal 3 aus und auf eine Abgastemperaturerhöhung durch Nachverbrennung in einem Katalysator.
Durch dieses System kann eine wesentliche Verbesserung des Anspringverhaltens des Druckwellenladers erzielt werden. Alternativ können zur Steuerung dieser Parameter auch variable Ventilsteuerzeiten von Einlassventil und Auslassventil genutzt werden. Hierdurch wird ein identischer Effekt erzielt und das Umluftventil kann entfallen. Dies spart im Großserieneinsatz weitere Kosten. Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen, wie Sie in schematischen Zeichnungen dargestellt sind. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung des Kreislaufes von Ansaugluft über
Verbrennungskraftmaschine bis zur Abgasabführung und
Figur 2 ein Flussdiagramm zur Regelung und Steuerung der
Einstellungsgrößen.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Die Figur 1 zeigt einen Teilbereich einer Verbrennungskraftmaschine A in einer hier dargestellten Ausführungsversion als Ottomotor. Dargestellt ist eine Schnittansicht durch den Zylinder, wobei ein Einlassventil 1 , ein Auslassventil 2, ein Kolben 3, eine Zündkerze 4, eine Einspritzdüse 5 und ein Brennraum 6. An die Brennkraftmaschine A ist ein Druckwellenlader B angeschlossen. Der Druckwellenlader B weist wiederum vier an diesem angeschlossene Kanäle (O, P, Q, R) auf. Dieses sind der Kanal 1 (0) im Bereich der angesaugten Frischluft, der Kanal 2 (P) im Bereich der komprimierten Frischluft zur Zuführung zu einem Ladeluftkühler J und einer sich daran anschließenden Drosselklappe K nach der die komprimierte Frischluft dem Brennraum 6 zugeführt wird. Weiterhin ein Kanal 3 (Q), der nach dem Auslassventil 2 und einem Katalysator vor dem Druckwellenlader B angeordnet ist, um das Abgas in den Druckwellenlader B einzuführen. Ebenfalls im Kanal 3 (Q) angeordnet ist ein Gastaschenventil mit einem Gastaschenventilstellmotor F. Im Bereich des Abgasstranges S weist der Druckwellenlader B den Kanal 4 (R) zur Abführung des Abgases nach dem Kompressionsvorgang im Druckwellenlader B auf. Der Kanal 4 (R) weist ebenfalls einen Oxidationskatalysator M auf. Der Druckwellenlader B weist weiterhin eine Kaltgasgehäuseseite 7 sowie eine Heißgasgehäuseseite 8 auf. In der Kaltgasgehäusehälfte 7 ist eine Steuerscheibe angeordnet. Die Steuerscheibe wird durch einen Steuerscheibenstellmotor angesteuert. Der in dem Druckwellenlader B angeordnete Rotor C wird über einen elektrischen Rotormotor E angesteuert.
Die angesaugte Frischluft folgt einem Weg durch den Kanal 1 (0) in die jeweils am Kanal 1 (O) anliegende Rotorzelle 9 und wird im Druckwellenlader B komprimiert. Die komprimierte Luft wird dann im Auslassbereich des Kanals 2 (P) über den Kanal 2 (P) dem Einlassventil 1 zugeführt. Hierbei ist dem zwischengeschaltet noch ein Umluftventil mit dazugehörigem Stellmotor H in Kanal 2 (P) angeordnet, um den Ladeluftkühler und den Brennraum 6 durch eine Bypassleitung zu umgehen. Im Ladeluftkühler J wird die komprimierte und erhitzte Luft abgekühlt, so dass sich ihr Volumen verkleinert, was zu einem höheren Zylinderfüllungsgrad im Brennraum 6 führt.
Es folgt der Einlasstakt, gefolgt von dem Kompressionstakt, dem Verbrennungstakt und dem Auslasstakt am Beispiel des Viertaktmotors. Im Rahmen der Erfindung ist aber auch die Verwendung für einen anders getakteten Motor vorstellbar.
Im Auslasstakt wird das im Brennraum 6 gebildete Abgas durch den Kanal 3 (Q) dem Druckwellenlader B wieder auf der Heißgasseite zugeführt. Dabei ist ein Katalysator L zwischengeschaltet, der eine erste Abgasnachbehandlung vornimmt. Ebenfalls im Kanal 3 (Q) befindet sich das Gastaschenventil F, das angetrieben über einen Gastaschenventilstellmotor F einen vermehrten Eintritt von Restgas in die Rotorzellen 9 über die Einlassöffnung des Kanals 3 (Q) ermöglicht sowie Abgas vorbei am Rotor führt direkt in Kanal 4 (R). Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich das Abgas direkt über das Gastaschenventil von Kanal 3 (Q) in Kanal 4 (R) zu leiten.
Die Druckwelle komprimiert die durch den Kanal 1 angesaugte Frischluft und sorgt dafür, dass die komprimierte Frischluft in den Kanal 2 (P) strömt und wird anschließend durch die Auslassöffnung der Rotorzellen am Kanal 4 (R) in den Abgasstraiig überführt. Das Abgas durchströmt dann gegebenenfalls weitere Abgasnachbehandlungskomponenten, beispielsweise in Form eines Oxidationskatalysators M.
Weiterhin sind in der Figur 1 Messpunkte angegeben, die mögliche Abgriffe der benötigten Betriebsgrößen darstellen. Position 1 zeigt einen Abgriff von Messdaten im Ansaugbereich der Frischluft. Pos. 2 US zeigt einen Abgriff von Messgrößen im Bereich der verdichteten Frischluft vor dem Ladeluftkühler J. Pos. 2 DS zeigt einen Abgriff nach der Drosselklappe K kurz vor dem Einlassventil 1 der Verbrennungskraftmaschine A. Pos. 3 US zeigt einen möglichen Abgriffspunkt im Kanal 3 (Q). Pos. 3 DS zeigt einen Messpunkt im Kanal 3 (Q) vor dem Eintritt in den Druckwellenlader B. Die Pos. 3 US und 3 DS sind jeweils so gewählt, dass sie den Gesamtstrom nach bzw. vor dem Umluftventil F bzw. Gastaschenventil H messen, um so Messdaten für eine Umluftventilstellung oder Gastaschenventilstellung b zu liefern.
Pos. 4 zeigt einen möglichen Messpunkt im Abgasstrang S nach dem Druckwellenlader B. Die hier dargestellten Messpositionen haben sich in Rahmen der Erfindung als vorteilig erwiesen, können jedoch je nach Anwendungsfall um weitere Messpositionen ergänzt oder verringert werden und auch in ihrer örtlichen Position frei wählbar gesetzt werden.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Einstellung eines Ladedruckes. Hierbei werden auf die Bildebene bezogen auf der linken Seite über den Punkt IN Daten über ein Datenbussystem geliefert. Diese Daten werden auf die Bildebene bezogen auf der rechten Seite in einen Punkt OUT wiederum in einen Datenbus weitergegeben. Auf dem Datenbus sind jeweils die für ein erfindungsgemäßes Verfahren benötigten Betriebsparameter abgreifbar. Das hier dargestellte Blockschaltbild ist beispielsweise auf einem Steuergerät implementiert.
In dem obersten auf die Bildebene bezogene Auswerte- und Rechenmodul 10 wird die Steuerscheibenstellung a ermittelt. Hierzu werden Ladedruck- Sollwert g, Ladedruck-Istwert h, Motordrehzahl o, Abgastemperatur f, Ladelufttemperatur-Istwert I, Ansauglufttemperatur-Istwert n und Umgebungsluftdruck p aus dem Datenbus eingelesen. Das Auswerte- und Rechenmodul 10 ermittelt dann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren die gewünschte Soll-Steuerscheibenstellung und gibt diese wiederum an einen Datenbus weiter. Die Weitergabe kann allerdings auch direkt an den Steuerscheibenstellmotor erfolgen .
In einem weiteren Auswerte- und Rechenmodul 10 wird die Gastaschenventilstellung b ermittelt. Hierzu werden Ladedruck-Sollwert g, Ladedruck-Istwert h, Motordrehzahl o, Abgastemperatur f, Motortemperatur e und Umgebungsluftdruck p in das Auswerte- und Rechenmodul 10 gespeist. Mit mindestens einer der Betriebsgrößen wird die Gastaschenventilsollstellung ermittelt und ebenfalls wiederum an einem Datenbussystem oder aber auch direkt an den Gastaschenventilstellmotor F weitergegeben.
In einem weiteren Auswerte- und Rechenmodul 10 wird die Rotordrehzahl c des Druckwellenladers B ermittelt. Hierzu werden aus dem Datenbus Ladedruck-Sollwert g und Motordrehzahl o ausgewertet. Auch wiederum kann hier eine Weitergabe an einen Datenbus erfolgen oder aber eine direkte Ansteuerung des Auswerte- und Rechenmoduls 10 des Rotormotors E.
Ein weiteres Auswerte- und Rechenmodul 10 ermittelt die gewünschte Umluftventilstellung d. Hierzu werden Ladedruck-Sollwert g, Motortemperatur e, Abgastemperatur f sowie Motordrehzahl o ausgewertet. Die Umluftventilsollstellung wird wiederum an ein Bussystem oder aber auch direkt an den Umluftventilstellmotor H weitergegeben.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, die in Figur 2 beschriebenen Auswerte- und Steuermodule 10 in einem Auswerte- und Steuermodul zusammenzufassen bzw. die Auswertungs- und Rechenarbeit auf ein Steuergerät zu applizieren. Bezugszeichen:
1 - Einlassventil
2 - Auslassventil
3- Kolben
4 - Zündkerze
5 - Einspritzdüse
6 - Brennraum
7 - Kaltgasgehäuseseite
8 - Heißgasgehäuseseite 9- Rotorzelle
10- Auswerte-/Rechenmodul
A- Verbrennungskraftmaschine
B- Druckwellenlader
C- Rotor
D- Steuerscheibe
E- Rotormotor
F- Gastaschenventil + Motor
G- Steuerscheibenmotor
H - Umluftventil + Motor
I - Luftfilter
J - Ladeluftkühler
K- Drosselklappe
L- Katalysator
M - Oxidationskatalysator
N - Fahrpedal
O- Kanal 1
P- Kanal 2
Q- Kanal 3
R- Kanal 4
S- Abgasstrang a - Steuerscheibenstellung
b - Gastaschenventilstellung
c - Rotordrehzahl des Druckwellenladers d - Umluftventilstellung
e - Motortemperatur
f - Abgastemperatur
g - Ladedruck-Sollwert
h - Ladedruck-Istwert
i - Betriebssollpunkt
j - Temperaturfrischluft Kanal 1 k - Rotordrehzahl
I - Ladelufttemperatur-Istwert m - Betriebssollpunkt
n - Ansauglufttemperatur-Istwert o - Motordrehzahl
p - Umgebungsluftdruck

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine (A), wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader (B) aufgebaut wird und an den Druckwellenlader (B) ein Kanal 1 (O) zum Ansaugen von Frischluft, ein Kanal 2 (P) zum Abführen der komprimierten Frischluft, ein Kanal 3 (Q) zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 (R) zum Abführen von Abgas angeschlossen sind und der Druckwellenlader (B) ein Kaltgasgehäuse, an dem Kanal 1 (O) und Kanal 2 (P) angeschlossen sind, ein Gastaschenventil (F), das im Bereich des Kanal 3 (Q) angeordnet ist und ein Umluftventil (H), das den Kanal 2 (P) mit dem Kanal 3 (Q) verbindet, angeschlossen sind, d ad u rch geken nze ich net, dass im Kaltgasgehäuse eine Steuerscheibe (D) zur Einstellung des Druckwellenprozesses über einen geometrischen Versatz von Kanal 3 - 4 zu Kanal 1 - 2 angeordnet ist und der Ladedruck in Abhängigkeit einer Steuerscheibenstellung (a) und/oder einer Gastaschenventilstellung (b) und/oder einer Rotordrehzahl (c) des Druckwellenladers (B) und/oder einer Umluftventilstellung (d) eingestellt und/oder geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dad u rch geken nzeich net, dass die Steuerscheibenstellung (a) in Abhängigkeit von mindestens einem der folgenden Betriebsparameter eingestellt wird: der Motordrehzahl (o), der Motortemperatur (e), dem Ladelufttemperatur-Istwert (I), dem Ansauglufttemperatur-Istwert (n), dem Umgebungsluftdruck (p), der Abgastemperatur (f), des Ladedruck-Sollwertes (g), des Ladedruck- Istwertes (h), dem Betriebssollpunkt (i).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dad u rch geke n nzeich net, dass die Steuerscheibenstellung (a) in Abhängigkeit von der Differenz von Ladedruck-Sollwert (g) und Ladedruck-Istwert (h) eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibenstellung (a) in Abhängigkeit von der Temperatur (n) und dem thermodynamischen Zustand der Frischluft im Kanal 1 (O), der Rotordrehzahl (c) und/oder der Druckwellenladergeometrie eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d ad u rch geke n nzeich net, dass eine Spülluftmenge von Kanal 1 (O) zu Kanal 4 (R) durch die Einstellung der Steuerscheibenstellung (a) geregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d ad u rch geken nze ich net , dass die Spülluftmenge von Kanal 1 (O) zu Kanal 4 (R) während eines Kaltstarts durch die Steuerscheibenstellung (a) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d ad u rch geken nzeich net, dass ein Überströmen von Abgas von Kanal 3 (Q) zu Kanal 2 (P) in den Frischgasbereich durch die Steuerscheibenstellung (a) in Abhängigkeit von mindestens einem der nachfolgenden Betriebsparameter vermieden wird: den Ladelufttemperatur-Istwerte (I), dem Betriebssollpunkt (i), der Motordrehzahl (o), der Ansauglufttemperatur (n), der Abgastemperatur (f).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d ad u rch geken nzeich net, dass die Gastaschenventilstellung (b) in Abhängigkeit von mindestens einem der nachfolgenden Betriebsparameter eingestellt wird: der Motordrehzahl (o), der Motortemperatur (e), der Abgastemperatur (f), dem Ladedruck-Istwert (h), Ladedruck-Sollwert (g), dem Umgebungsluftdruck (p).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d ad u rch geken nzei ch net, dass eine Differenz zwischen Ladedruck-Sollwert (g) und Ladedruck-Istwert (h) zur Einstellung der Gastaschenventilstellung (b) genutzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotordrehzahl (c) in Abhängigkeit der Motordrehzahl (o) und/oder des Ladedruck-Istwertes (h) eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Lastschwingungen während des Leerlaufes der Verbrennungskraftmaschine (A) durch Einstellung der Gastaschenventilstellung (b) und/oder Steuerscheibenstellung (a) kompensiert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Lastschwingungen während des Leerlaufes der Verbrennungskraftmaschine (A) durch kurzfristiges Abschalten eines Verbrauchers kompensiert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Lastschwingungen während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine (A) bei im Wesentlichen konstantem Betriebspunkt durch Einstellung der Gastaschenventilstellung (b) und/oder der Steuerscheibenstellung (a) kompensiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Lastschwingungen während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine (A) bei im Wesentlichen konstantem Betriebspunkt durch Einstellung der Rotordrehzahl (c) kompensiert werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umluftventilstellung (d) in Abhängigkeit von mindestens einem der folgenden Betriebsparameter eingestellt wird: dem Ladedruck-Istwert (h), dem Ladedruck-Sollwert (g), der Motortemperatur (e), der Abgastemperatur (f), der Motordrehzahl (o), dem Betriebs- Sollpunkt (m).
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