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DE19913792A1 - Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

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DE19913792A1
DE19913792A1 DE19913792A DE19913792A DE19913792A1 DE 19913792 A1 DE19913792 A1 DE 19913792A1 DE 19913792 A DE19913792 A DE 19913792A DE 19913792 A DE19913792 A DE 19913792A DE 19913792 A1 DE19913792 A1 DE 19913792A1
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internal combustion
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Roland Bischoff
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DaimlerChrysler AG
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Abstract

Im Betrieb einer mittels Abgasturbolader (10) aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) wird durch Öffnen eines Sperrventils (8) in einer Überströmleitung (7) in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (1) verdichtete Ladeluft aus einer Ladeluftleitung (5) zur Brennkraftmaschine (1) in einer Abgasleitung (6) zur Turbine (11) des Abgasturboladers (10) bei treibendem Druckgefälle (p2-p3) umgeblasen. DOLLAR A Um im gesamten Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine die Aufladungsleistung zu optimieren und die Abgasemission der Brennkraftmaschine zu senken, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Überströmleitung (7) bei Vorliegen eines zur Ladeluftleitung (5) treibenden Druckgefälles (p2-p3) bedarfsweise freigegeben wird zur Rückführung in die Ladeluftleitung (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfähren zum Betrieb einer mittels Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Durch Aufladung, das heißt durch Vorverdichten der Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder, kann die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht werden. Bei einem Abgasturbolader wird der Verdichter in der Ladeluftleitung von einer Turbine rotierend angetrieben, welche in der Abgasleitung angeordnet ist und vom Abgasstrom der Zylinder beaufschlagt wird.
Um die Aufladungsleistung insbesondere in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine mit geringem Abgasvolumen und daher niedrigem Grunddrehmoment des Abgasturboladers zu erhöhen, schlägt die DE 32 44 928 A1 eine Umblasung eines Teilstroms der verdichteten Ladeluft in die Abgasleitung vor. Die Ladeluft wird gemeinsam mit dem Abgasstrom in die Turbine eingeleitet, welche daher mit größerem Luftdurchsatz stärker beschleunigt wird. Die Umblasung der Ladeluft erfolgt in den Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, wenn der Ladedruck den Abgasdruck der Turbine übersteigt. Zum Einleiten der Umblasung wird ein Sperrventil in einer Überströmleitung geöffnet und der umzublasende Ladeluftteilstrom wird vom Druckgefälle in der Überströmleitung zur Turbine des Abgasturbolader getrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine zu schaffen, welches im gesamten Betriebskennfeld die Aufladungsleistung optimiert und die Abgasemission der Brennkraftmaschine senkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Überströmleitung alternativ zur Umblasung von Ladeluft in die Abgasleitung oder zur Rückführung von Abgasen eingesetzt. Mit Abgasrückführung kann in vielen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine die Abgasemission wirkungsvoll gesenkt werden. Die Abgasrückführung kann bei Vorliegen eines zur Ladeluftleitung treibenden Druckgefälles in der Überströmleitung erfolgen, das heißt der Abgasdruck übersteigt den Ladedruck. Soll die Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung betrieben werden, so wird das Steuerventil in der Überströmleitung geöffnet und der Abgasdruck treibt einen Abgasteilstrom in die Ladeluftleitung. Ohne zusätzlichen baulichen Aufwand kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl eine Ladeluft- Umblasung als auch eine Abgasrückführung bedarfsweise erfolgen.
Zweckmäßig ist der Durchsatz der Überströmleitung durch Variation des Öffnungsquerschnittes des Sperrventils einstellbar, wodurch im Umblasbetrieb die Erhöhung des Laderdrehmomentes und im Abgasrückführungsbetrieb die Abgasrückführungsrate einstellbar ist. Eine Steuereinheit kann auf der Grundlage eines Eingangssignals mindestens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine den vorliegenden Betriebspunkt ermitteln. Die Steuereinheit bestimmt anschließend die dem jeweils ermittelten Betriebspunkt zugeordnete Betriebsart (Umblasbetrieb/Abgasrückführung) und den entsprechenden Durchsatz der Überströmleitung. Von der Steuereinheit wird das Sperrventil in der Überströmleitung angesteuert und der vorgesehene Durchgangsquerschnitt eingestellt.
Die jeweiligen Betriebsbereiche, in denen einerseits die Umblasung und andererseits die Abgasrückführung entsprechend dem vorliegenden Druckgefälle möglich sind, sind erweiterbar, wenn das Druckgefälle über die Überströmleitung mittels eines auf den Abgasstromwirkenden Drosselorgans einstellbar ist. Durch Zustellung des Drosselorgans wird der Abgasstrom aufgestaut und der Abgasdruck erhöht. Bei einer entsprechenden Zunahme des Abgasdruckes über den vorliegenden Ladedruck hinaus kann auf diese Weise auch in Betriebspunkten, in denen das natürliche Druckgefälle einer Abgasrückführung entgegensteht, trotzdem Abgas dem Ladeluftstrom bei Bedarf beigemischt werden. Ebenso kann durch entsprechende Einstellung des Drosselorgans ein ladelufttreibendes Druckgefälle über die Überströmleitung eingestellt werden, um den Umblasbetrieb zu unterstützen. Besonders zweckmäßig wird als Drosselorgan für den Abgasstrom ein Abgasturbolader mit einer variabel einstellbaren Turbinengeometrie eingesetzt. Die Steuereinheit kann dabei den Abgasdruck vor der Turbine durch entsprechende Einstellung des Durchgangsquerschnittes der Turbine bestimmen, beispielsweise durch Einstellung eines variablen Turbinenleitgitters.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert:
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1, welche mehrere Zylinder 2 umfaßt. Die Zylinder 2 werden über jeweils einen Einlaß 3 aus einer Ladeluftleitung 5 mit vorverdichteter Ladeluft versorgt. Die Abgase der Zylinder 2 werden über jeweils einen Auslaß 4 und eine sammelnde Abgasleitung 6 abgeführt. Die Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erfolgt über einen Abgasturbolader 10, dessen Turbine 11 in der Abgasleitung 6 angeordnet ist und vom Abgasstrom beaufschlagt wird. Der Abgasstrom tritt mit dem Abgasdruck p3 in die Turbine 11 ein, wobei die Turbine 11 unter Absenkung des Abgasdruckes auf das Niveau p4 in Drehbewegung gesetzt wird. Über eine Laderwelle 13 treibt die Turbine 11 einen Verdichter 12 an, welcher mit dem Druck P1 eintretende Frischluft auf den Ladedruck P2 in der Ladeluftleitung 5 verdichtet. Durch die Ladeluftleitung 5 wird die Ladeluft über die Einlässe 3 zu den Zylindern 2 der Brennkraftmaschine 1 gefördert. Die Turbine 11 weist eine variabel einstellbare Turbinengeometrie auf, wobei beispielsweise ein einstellbares Turbinenleitgitter über einen Stellantrieb 14 einstellbar ist. Über die Variation der Turbinengeometrie ist der Durchgangsquerschnitt der Turbine 11 einstellbar und so einerseits die Stauwirkung auf den Abgasstrom der Brennkraftmaschine und die Beschleunigung sowie das Drehmoment des Abgasturboladers 10 beeinflußbar.
Die Ladeluftleitung 5 ist in Durchströmungsrichtung hinter dem Verdichter 12 durch eine Überströmleltung 7 mit der Abgasleitung 6 verbunden, wobei die Überströmleitung 7 in Strömungsrichtung des Abgases vor der Turbine 11 einmündet. In der Überströmleitung 7 ist ein Sperrventil 8 angeordnet, welches bedarfsweise zur Überströmung zwischen der Ladeluftleitung 5 und der Abgasleitung 6 zu öffnen ist. Bei geöffnetem Sperrventil 8 strömt ein Teilstrom aus einer der beiden verbundenen Leitungen vom vorliegenden Druckgefälle p2-p3 getrieben in die jeweils andere Leitung. In Betriebspunkten mit positivem Druckgefälle, wenn der Ladedruck p2 den Abgasdruck p3 übersteigt, wird Ladeluft über die Überströmleitung 7 umgeblasen und dem Abgasstrom beigemischt. Durch die Umblasung wird der Turbinendurchsatz erhöht, wodurch sich insbesondere in Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 mit geringem Abgasvolumen, beispielsweise in unteren Drehzahl- und Lastbereichen, die Aufladungsleistung des Abgasturboladers 10 erhöht. Liegt negatives Druckgefälle p2-p3 vor bei höherem Abgasdruckniveau, so kann durch die Überströmöffnung bei geöffnetem Sperrventil 8 Abgas in die Ladeluftleitung 5 zurückgeführt werden.
Der Durchsatz der Überströmleitung 7 ist durch Variation des Öffnungsquerschnittes des Sperrventils 8 einstellbar. Der Öffnungsquerschnitt des Sperrventils 8 wird in Abstimmung mit dem Druckgefälle p2-p3 beim jeweils vorliegenden Betriebspunkt eingestellt, um im Umblasbetrieb bzw. im Abgasrückführungsbetrieb den optimalen Durchsatz einzustellen. Der Umblasluftdurchsatz bzw. die Abgasrückführungsrate wird durch Einstellung des Sperrventils 8 von einer Steuereinheit bestimmt, welche das Sperrventil mit einem entsprechenden Steuersignal 17 ansteuert. Den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ermittelt die Steuereinheit aus einem oder mehreren Betriebsparametern 16 der Brennkraftmaschine bspw. der Drehzahl. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, der Steuereinheit 9 zur Ermittlung des Betriebspunktes bzw. als Störgröße für die Steuerkette des Sperrventils 8 Meßwerte des Ladedruckes p2 und des Abgasdruckes p3 einzugeben. Die Steuereinheit 9 liest aus einem Kennfeld 15 die dort abgespeicherten optimalen Einstellungsparameter für das Sperrventil 8 für den ermittelten Betriebspunkt aus.
Die Steuereinheit 9 steuert weiterhin den Stellantrieb 14 der variabel einstellbaren Turbinengeometrie. Durch eine Veränderung des Strömungsquerschnittes durch Verstellung der Turbinengeometrie verändert die Steuereinheit 9 bedarfsweise die Stauwirkung der Turbine 11 und kann so den Abgasdruck p3 senken bzw. anheben. Die variable Turbinengeometrie wird als auf den Abgasstrom wirkendes Drosselorgan eingesetzt. Ist eine Abgasrückführung zur Senkung der Schadstoffemission zweckmäßig, so wird durch Aufstauen des Abgasstromes der Abgasdruck p3 erhöht und ein negatives Druckgefälle p2-p3 in der Überströmleitung 9 erzeugt, welches Abgas in die Ladeluftleitung 5 treibt. In analoger Weise ist bei Bedarf einer Erhöhung der Umblasluftmenge eine Absenkung des Abgasdruckes p3 möglich, so daß eine stärkere Druckdifferenz p2-p3 eine größere Ladeluftmenge in die Abgasleitung 6 treibt. Die Steuereinheit 9 stimmt das Stellsignal 18 für die variable Turbinengeometrie mit dem Steuersignal 17 für den Durchgangsquerschnitt der Überströmleitung ab und stellt so den gewünschten Luftdurchsatz der Überströmleitung (Umblasluft/rückgeführtes Abgas) ein.
Durch Drosselung des Abgasstromes mittels Verstellung der Turbinengeometrie und die Einstellbarkeit des Druckgefälles zwischen Ladeluftleitung 5 und Abgasleitung 6 kann in großen Kennfeldbereichen wahlweise zwischen Umblasbetrieb und Abgasrückführungsbetrieb umgeschaltet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb einer mittels Abgasturbolader (10) aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), wobei in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (1) durch Öffnen eines Sperrventils (8) in einer Überströmleitung (7) verdichtete Ladeluft aus einer Ladeluftleitung (5) zur Brennkraftmaschine (1) in eine Abgasleitung (6) der Brennkraftmaschine (1) zur Turbine (11) des Abgasturboladers (10) bei treibendem Druckgefälle (p2-p3) über die Überströmleitung (7) umgeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmleitung (7) bei Vorliegen eines zur Ladeluftleitung (5) treibenden Druckgefälles (p2-p3) bedarfsweise freigegeben wird zur Rückführung von Abgas in die Ladeluftleitung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Überströmleitung (7) durch Variation des Öffnungsquerschnittes des Sperrventils (8) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (9) auf der Grundlage eines Eingangssignals (16) mindestens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine (1) die dem vorliegenden Betriebspunkt zugeordnete Betriebsart (Umblasbetrieb/Abgasrückführung) bestimmt sowie den entsprechenden Durchsatz der Überströmleitung (7) bestimmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefälle (p2-p3) über die Überströmleitung (7) mittels eines auf den Abgasstrom wirkenden Drosselorgans einstellbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (9) den Abgasdruck (p3) vor der Turbine (11) durch entsprechende Einstellung des Durchgangsquerschnittes einer variablen Turbinengeometrie bestimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (9) aus einem Kennfeld (15) die für den vorliegenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) vorgesehene Betriebsart und Strömungsrichtung der Gasüberströmung zwischen Ladeluftleitung (5) und Abgasleitung (6) und das entsprechende Druckgefälle (p2-p3) sowie den Öffnungsquerschnitt des Sperrventils (8) einstellt.
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