WO2003044348A1

WO2003044348A1 - Verfahren zum ladungswechsel bei einem verbrennungsmotor der kolbenbauart und zur durchführung des verfahrens geeignetes ladungswechselsystem

Info

Publication number: WO2003044348A1
Application number: PCT/EP2002/013028
Authority: WO
Inventors: Oskar Schatz
Original assignee: Schatz Thermo Engineering GmbH
Current assignee: Schatz Thermo Engineering GmbH
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2003-05-30
Anticipated expiration: 2004-05-20
Also published as: DE10156839A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Ladungswechsel bei einem Verbrennungsmotor der Kolbenbauart wird einem wenigstens ein Einlassventil 14 und ein Auslassventil 16 aufweisenden Brennraum 10 über einen Luftfilter 12 Ladeluft zugeführt. Dabei wird die Ladeluft wahlweise entweder über einen Verdichterzweig 28a eines Ladersystems geführt, das einen Verdichter 22 für die Ladeluft und eine dem Verdichter zugeordnete Antriebseinheit 20 enthält, oder über einen Saugluftzweig 28b, der als Bypass den Verdichter 22 umgeht. Sowohl im im Verdichterzweig 28b als auch im Saugluftzweig 28a befinden sich Sperrorgane 32, 30. Die Drehzahl des Ladersystems ist von der Verdichterlast abhängig und die Sperrorgane 32, 30 werden durch eine Steuereinrichtung 34 in gesteuerter Weise wechselseitig geöffnet.

Description

BESCHREIBUNG

Verfahren zum Ladungswechsel bei einem Verbrennungsmotor der Kolbenbauart und zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Ladungswechselsystem.

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 .

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 die

Steuereinrichtung nur dann befähigt ist, den Verdichterzweig zu öffnen, wenn die

Drehzahl der Antriebseinheit eine vorgegebene Betriebsdrehzahl erreicht hat.

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.

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.

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.

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 verdichtete

Luft zugeführt werden kann.

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 ein

Absperrorgan geschlossenen Bereich eingebracht werden, auch wenn während des

Saughubs dem Motor zumindest ein Anteil verdichteter Ladeluft zugeführt wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Ladungswechselsystem eines

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.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen bestehen darin, daß das Absperrorgan im Saugluftzweig ein Rückschlagventil ist und daß beide Sperrorgane ansteuerbar sind.

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.

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.

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.

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.

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..

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

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 , dessen

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 eines

Dreizylindermotors, Fig. 5 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladungswechselsystems mit der Möglichkeit zur Abgasrückführung,

Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Ladungswechselsystem mit einem Elektromotor zur

Beschleunigung des Verdichters,

Fig. . 7 ein erfindungsgemäßes Ladungswechselsystem mit einem Volumenspeicher im Bypass, F Fiigg.. 8 8 eine Variante des in Fig. 7 gezeigten Ladungswechselsystems,

Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Ladungswechselsystem mit einem dem Verdichter nachgeschalteten Speichervolumen,

Fig. 10 eine graphische Darstellung des Luftaufwands in Abhängigkeit von

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.

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.

Die zwischen dem Luftfilter 12 und dem Einlaßventil 14 am Brennraum 10 verlaufende Ladeluftleitung 28 ist ebenfalls in zwei parallele Leitungszweige 28a und 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.

Über eine Signalleitung 40 erhält die Steuereinrichtung 34 eine Information über den

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.

Bei plötzlicher Erhöhung der Motorlast schließt die Steuereinrichtung 34 über eine

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.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante ist der Brennraum 10 mit zwei Einlaßventilen

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 03/044348

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.

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.

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.

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.

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 den

!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

D Lufttaktventile ausgebildet sein.

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.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen Anordnungen, die jeweils einen Luftsammler 54 mit anschließendem Schwingrohrabschnitt 56 enthalten.

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.

Bei der Anordnung nach Fig. 8 ist im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 7 als

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.

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.

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.

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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

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)

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) im

Verdichterzweig (28b) und im Saugluftzweig (28a), dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Steuereinrichtung (34) die Sperrorgane (32, 30) in gesteuerter Weise wechselseitig geöffnet werden.

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.

3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter durch Schließen des Sperrorgans (32) im Verdichterzweig (28b) abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Antriebseinheit durch einen Sensor (38) ermittelt und ein von dieser

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.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Ladersystems (20, 22) auf einen vorgegebenen 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.

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.

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 verdichteten

Luftvolumens aus der Brennkammer (10) geschlossen wird

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Startphase angewandt wird, bis der Verdichter (22) seine Betriebsdrehzahl erreicht hat.

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 verdichteter

Luft das Sperrorgan (32) im Verdichterzweig (28b) geöffnet und wieder geschlossen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus dem Saugluftzweig (28a) über ein erstes

Einlaßventil (14a) und die verdichtete Luft aus dem Verdichterzweig (28b) über ein zweites Einlaßventil (14b) in den Brennraum (10) eingeleitet wird.

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 den

Luftfilter (12) durch ein Absperrorgan (30, 32) geschlossenen Bereich eingebracht wird.

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 den

Absperrorganen (30, 32) eine Steuerung (34) derart zugeordnet ist, daß gleichzeitig nur eines der Absperrorgane geöffnet sein kann.

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.

14. Ladungswechselsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (30) im Saugluftzweig (28a) ein Rückschlagventil ist.

15. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Sperrorgane (30, 32) ansteuerbar sind.

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.

17. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitungszweige 28a, 28b) vordem Einlaßventil (14) vereinigen.

18. Ladungswechselsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Leitungszweige (28a, 28b) ein Einlaßventil

(14a, 14b) am Brennraum (10) zugeordnet ist.

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.

20. Ladungswechselsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem der Sperrorgane (30, 32) und dem ihm zugeordneten

Einlaßventil (14a, 14b) eine mit einer Rückflußsperre versehene Abgasrückführung (44) einmündet.

21. Ladungswechselsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung (44) mit einem Druckregler (46) versehen ist. '

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.

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.

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.