DE10331396A1 - Turbine system for an additional air and exhaust gas range in an internal combustion engine has an exhaust gas turbine and exhaust gas control elements with an operating device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor.The The invention relates to a turbocharger for an internal combustion engine.
Solche Turbolader sind als Turbinenanordnung für den Zuluft- und Abgasbereich eines Verbrennungsmotors ausgebildet. Dabei ist eine Abgasturbine mit einem Kompressor gekoppelt, wobei die Abgasturbine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Der Kompressor ist im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angekoppelt und fördert diesem verdichtete Luft zu.Such Turbochargers are used as a turbine arrangement for the supply air and exhaust gas area an internal combustion engine is formed. This is an exhaust gas turbine coupled with a compressor, wherein the exhaust gas turbine in the exhaust system of the internal combustion engine is arranged. The compressor is in the intake system coupled to the internal combustion engine and promotes this compressed air to.
Zur
Betätigung
des Turboladers sind ein oder mehrere Abgasleitelemente sowie eine
Betätigungseinrichtung
für die
Abgasleitelemente vorgesehen. Das Abgasleitelement kann dabei als
Waste-Gate-Ventil ausgebildet sein, wie es in der
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, der mit einer Turbinenanordnung ausgerüstet ist. Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung soll dabei einfach aufgebaut sein und eine gute Regelung bereitstellen.It Object of the invention is an improved motor vehicle with a To provide an internal combustion engine with a turbine assembly equipped is. The turbine arrangement according to the invention should be simple in this case and provide a good regulation.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen.These Task is solved by the independent claims. advantageous Further developments emerge from the respective dependent claims.
Die Erfindung sieht als Betätigungseinrichtung für das Abgasleitelement bzw. für die Abgasleitelemente einen hydraulischen Aktuator mit einem Druckölanschluss vor. Dabei weist die Abgasturbine Vorteilhafterweise ein mit Drucköl geschmiertes Lager auf, wobei der hydraulische Aktuator und das Lager einen zusammenhängenden Druckölanschluss aufweisen können, der mit einem Druckölvorrat am Verbrennungsmotor verbunden ist.The Invention provides as an actuator for the Exhaust guide or for the exhaust guide a hydraulic actuator with a pressure oil connection in front. In this case, the exhaust gas turbine advantageously has a lubricated with pressure oil Bearings, wherein the hydraulic actuator and the bearing is a contiguous Have pressure oil connection can, the one with a pressure oil supply connected to the internal combustion engine.
Mit der Erfindung lassen sich Motoren in der Leistung steigern, indem man sie mit Druckluft versorgt. Eine Möglichkeit dazu ist die erfindungsgemäße Turboaufladung. Dabei wird über das Abgas eine Turbine angetrieben, die wiederum einen Kompressor antreibt, der Druckluft liefert. Da Turbolader Strömungsmaschinen sind, die – anders als Kompressoren – nicht direkt bzw. unmittelbar von der Drehzahl des Motors abhängen, sondern vom Gasmassenstrom und dessen Temperatur, regelt man energetisch günstig und technisch einfach den Ladedruck durch Beeinflussung der über die Turbine fließenden Abgasmenge.With The invention allows engines to increase in performance by they are supplied with compressed air. One possibility for this is the turbocharging according to the invention. It is about the exhaust is powered by a turbine, which in turn is a compressor drives, which supplies compressed air. Because turbochargers turbomachinery are that - different as compressors - not directly or directly depend on the speed of the engine, but From the gas mass flow and its temperature, one regulates energetically Cheap and technically easy the boost pressure by influencing the over the Turbine flowing exhaust gas.
Dazu gibt es z. B. ein sogenanntes Waste-Gate, das eine Umgehungsleitung verschließen oder freigeben kann. Wenn das Waste-Gate geöffnet wird, fließt eine Teilmenge des Abgasstroms an der Turbine vorbei, die Drehzahl der Turbine nimmt ab und der Ladedruck sinkt.To there are z. B. a so-called waste gate, which is a bypass line close or can release. When the waste gate is opened, flows a subset of the exhaust flow past the turbine, the speed the turbine decreases and the charge pressure drops.
Weiterhin gibt es verschiedene Konzepte von Turbinen mit variabler Geometrie, die durch Leitschaufeln den Abgasstrom in verschiedenen Winkeln auf die Turbine leiten können. Die Erfindung ermöglicht den Einsatz solcher Turbolader mit variabler Geometrie nicht nur für Dieselmotoren, sondern auch für Ottomotoren.Farther There are different concepts of turbines with variable geometry, the guide vanes the exhaust gas flow at different angles can direct the turbine. The invention allows not only the use of such variable geometry turbochargers for diesel engines, but also for gasoline engines.
Das Waste-Gate wird bei aufgeladenen Ottomotoren herkömmlich mit Druckluft betätigt, die vom Turbosystem bereitgestellt wird. Bei Dieselmotoren wird die Regelung meist über Unterdruck vorgenommen, der von einer im Dieselmotor sowieso für die Bremsunterstützung vorhandenen Vakuumpumpe erzeugt wird. Diese Möglichkeit besteht beim Ottomotor i.a. nicht. Der für das Bremsen erforderliche Unterdruck entsteht zuverlässig im Saugrohr, weil gleichzeitig die Drosselklappe geschlossen wird.The Waste-Gate is commonly used in supercharged gasoline engines Compressed air actuated, provided by the turbo system. For diesel engines will the scheme mostly over Negative pressure made by an existing in the diesel engine anyway for the brake assist Vacuum pump is generated. This possibility exists in the gasoline engine i.a. Not. The for The braking required negative pressure arises reliably in the Intake manifold, because at the same time the throttle valve is closed.
Es hat sich ergeben, dass die erfindungsgemäße Betätigung der Regeleinrichtungen den bisher bekannten Möglichkeiten überlegen ist. Im Stand der Technik wird Druckluft, die der Lader selbst erzeugt hat, auf eine Druckdose geleitet, die mittels einer Membran die Regeleinrichtung bewegt.It has shown that the inventive operation of the control devices consider the previously known possibilities is. In the prior art, compressed air, which has been generated by the loader itself, directed to a pressure cell, the means of a membrane control device emotional.
Gemäß der Erfindung wird die Regeleinrichtung mit Öldruck betätigt. Dieser Druck wird elektronisch geregelt. Dazu befindet sich ein Ventil in der Leitung zur Betätigungsdose. Mit diesem Ventil lässt sich in einer Stellung Drucköl auf eine Membran oder einen hydraulischen Kolben leiten, in einer anderen Stellung wird das Drucköl aus der Betätigungsdose wieder abgelassen. Durch sogenanntes „Takten" des Ventils, also durch dau ernd wiederholtes Öffnen und Schließen, lässt sich der auf die Betätigungsdose wirkende Druck regeln. Damit ist dann eine Ladedruckregelung möglich.According to the invention is the control device with oil pressure actuated. This pressure is regulated electronically. There is a Valve in the line to the operating box. With this valve can be in one position pressure oil to a diaphragm or a hydraulic piston, in one another position is the pressure oil from the operating box again drained. By so-called "clocking" of the valve, so by repeated opening and closing, let yourself the on the operating box regulate acting pressure. This is then a boost pressure control possible.
Anders als bei den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist eine Regelung nicht erst dann möglich, wenn ein Mindest-Ladedruck vorhanden ist. Ein Öffnen des Waste-Gates im Bereich des Kennfeldes, in dem der Motor als Saugmotor oder mit sehr geringem Ladedruck arbeitet, ist mit der Erfindung erstmals auf einfache Weise möglich. Außerdem erfordert die Erfindung nicht mehr, dass eine im Durchmesser verhältnismäßig große Waste-Gate-Betätigungsdose verwendet wird, um auf möglichst niedrige Ladedrücke abregeln zu können.Unlike the devices known in the prior art, regulation is not possible until a minimum charge pressure is present. An opening of the waste gate in the area of the map, in which the engine as a naturally aspirated or with operates very low boost pressure is possible with the invention for the first time in a simple manner. In addition, the invention no longer requires that a relatively large diameter wastegate actuation socket is used in order to be able to regulate the lowest possible boost pressures.
Es hat sich herausgestellt, dass mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenanordnung auch Ottomotoren bereits bei geringer Drehzahl. gut geregelt werden können. Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis beruht dies darauf, dass mit einem öldruckbetriebenem Aktuator bereits bei niedrigen Drehzahlen eine zuverlässige und gute Betätigung der Abgasleitelemente möglich ist. Gerade bei Ottomotoren, die im niedrigen Drehzahlbereich nur einen geringen Unterdruck erzeugen, führte dies offenbar dazu, dass die Regelungseigenschaften der Abgasleitelemente bei niedriger Motordrehzahl verschlechtert sind, was durch die übrigen Elemente der Regelung des Turboladers nur schlecht oder gar nicht ausgleichbar ist.It has been found that with an inventively designed Turbine arrangement also gasoline engines already at low speed. can be well regulated. According to one The invention is based on the recognition that this with an oil pressure operated Actuator already at low speeds a reliable and good operation the exhaust elements possible is. Especially in gasoline engines, the low speed range only produce a low negative pressure, this apparently meant that the control properties of the exhaust elements at low engine speed are deteriorated, which is due to the other elements of the scheme the turbocharger is bad or not compensated.
Mit einem öldruckbetriebenem Aktuator ergeben sich bei herkömmlichen PKW-Motoren Drücke, die zur Regelung verwendet werden können, bereits bei einer Drehzahl von ca. 1.000 1/min bis 1.500 1/min. Bereits dort lässt sich eine zuverlässige Regelung erzielen. Dies begünstigt den Einsatz von Turboladern gerade bei Ottomotoren.With an oil pressure operated Actuator arise in conventional Car engines pressures, which can be used for control, already at a speed from approx. 1,000 1 / min to 1,500 1 / min. Already there can be a reliable one Achieve regulation. This favors the use of turbochargers especially for gasoline engines.
Hinzu kommt, dass besonders kleine Betätigungseinrichtungen genügen, weil der Öldruck eines Verbrennungsmotors um ein Vielfaches größer ist als der Luftdruck im Ansaugkanal, der zur Betätigung von Betätigungseinrichtungen des Standes der Technik verwendet wird. Dadurch können Betätigungselemente und Betätigungseinrichtungen mit Aktuatoren vorgesehen werden, deren Querschnitt nur 25 % bis zu 10 % des bisher benötigten Querschnittes aufweisen. Die Erfindung zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die Regelstrategie bei pneumatisch betätigten Betätigungseinrichtungen übernommen und für einen wesentlichen Teil des Motorkennfeldes deutlich freier ausgebaut werden kann. Es lässt sich eine Ladedruckregelung einführen, die bereits beim Motorstart ein geöffnetes Waste-Gate aufweist. Bei einem Abbau des Öldrucks, beispielsweise beim Abstellen des Motors, wird das Waste-Gate automatisch geschlossen.in addition that comes especially small controls sufficient because the oil pressure an internal combustion engine is many times greater than the air pressure in the engine Intake duct used to actuate actuators of the prior art is used. This allows actuators and controls be provided with actuators whose cross section only 25% up to 10% of the previously needed Have cross-section. The invention is characterized in particular by that adopted the control strategy in pneumatically actuated actuators and for expanded a significant part of the engine map much more freely can be. It leaves to introduce a boost pressure control, which already has an open waste gate at engine start. When reducing the oil pressure, for example, when stopping the engine, the waste gate is automatically closed.
Besonders viele neue Elemente sind bei der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik nicht erforderlich. Bei herkömmlichen Turboladern sind zahlreiche Komponenten bereits vorhanden, wie beispielsweise Ölzuleitungen oder Ölableitungen. Oft ist auch ein Taktventil vorgesehen. Diese Komponenten sind auch großserienmäßig erhältlich, wobei ein hydraulisches Betätigungselement typischerweise als kleiner Hydraulikzylinder ausgebildet ist. Nach der Erfindung ist es auch denkbar, eine Betätigungseinrichtung bzw. einen hydraulischen Aktuator der Erfindung direkt in das Lagergehäuse einer Turboeinheit zu integrieren. Dadurch sind die Zufuhr von Drucköl sowie die Abfuhr von entspanntem Öl leicht möglich.Especially Many new elements are not in the invention over the prior art required. In conventional Turbochargers are already numerous components, such as oil supply lines or oil discharges. Often a clock valve is provided. These components are too available in large quantities, wherein a hydraulic actuator is typically designed as a small hydraulic cylinder. To the invention, it is also conceivable, an actuating device or a hydraulic actuator of the invention directly into the bearing housing a Turbo unit to integrate. This causes the supply of pressure oil as well the drainage of relaxed oil easily possible.
Die geringen Baumaße empfehlen die Erfindung auch für Dieselmotoren, die mit einem Turbolader ausgestattet sind. Bei Kraftfahrzeugen mit einem Dieselmotor lässt sich sogar häufig eine separat vorgesehene Vakuumpumpe einsparen, wenn der Bremskraftverstärker des Kraftfahrzeugs elektrohydraulisch oder irgendwie anders ersetzt wird.The small dimensions recommend the invention also for Diesel engines equipped with a turbocharger. For motor vehicles with a diesel engine leaves even one often save separately provided vacuum pump when the brake booster of the Motor vehicle electrohydraulically or otherwise replaced becomes.
Die Erfindung ist auch einer Betätigung des Waste-Gates mit Elektromotoren überlegen. Dies erfordert sehr große E-Motoren für die erforderlichen Stellkräfte. Die Waste-Gate-Öffnung muss im Querschnitt so bemessen sein, dass die durchleitbare Gasmenge zu einem entsprechenden Absinken der Drehzahl des Laders und des korrespondierenden Ladedrucks führt. Bei hohem erforderlichen Ladedruck ist die Öffnung jedoch auch sicher zu verschließen. Dies erfolgt über eine passend dimensionierte Feder, die bei der Erfindung nicht unbedingt benötigt wird. Außerdem wird dauernd eine hohe elektrische Energie erforderlich, um das Waste-Gate in seiner Stellung gegen den Abgasdruck positioniert zu halten.The Invention is also an operation superior to the wastegate with electric motors. This requires a lot size Electric motors for the required restoring forces. The waste gate opening must be dimensioned in cross-section so that the amount of gas that can be transmitted to a corresponding decrease in the speed of the loader and the corresponding charge pressure leads. At high required boost pressure, however, the opening is also safe close. This is done via a suitably sized spring, not necessarily in the invention is needed. Furthermore A high level of electrical energy is constantly required to do this Waste gate positioned in its position against the exhaust pressure to keep.
Die Erfindung lässt es anders als bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen am Ottomotor auf einfache Weise zu, dass im gesamten Kennfeldbereich eine willkürliche Positionierung des Waste-Gates vorgenommen wird. Die Erfindung ermöglicht es, zunächst die Drosselklappe zu öffnen, und den Betrieb mit Ladedruck allein über das Waste-Gate zu regeln. Mit geöffneter Drosselklappe läuft der Motor bis auf seinen Saugmotoransaugdruck, und erst darüber hinaus wird das Waste-Gate geschlossen, um Ladedruck aufzubauen. Dies ist mit der Erfindung anders als bei einer ladedruckbetätigten Ladedruckregelung erstmals möglich. Die Erfindung schlägt eine Ladedruckregelung mit Motoröldruck vor, der bei laufendem Motor immer vorhanden ist.The Invention leaves unlike the prior art solutions on Gasoline engine in a simple way to that throughout the map range an arbitrary one Positioning of the waste gate is made. The invention makes it possible first to open the throttle, and to regulate the operation with boost pressure only via the waste gate. With opened Throttle is running Engine up to its Saugmotoransaugdruck, and beyond the wastegate is closed to build up boost pressure. This is with the invention unlike a boost pressure-controlled boost pressure control possible for the first time. The invention proposes a boost pressure control with engine oil pressure before, which is always present with the engine running.
Bei der Erfindung kann der Aufbau der bekannten Regelung mit einem Waste-Gate im wesentlichen beibehalten werden. Nur wird anstelle des luftbetätigten Systems nun ein Hydraulik-Element vorgesehen. Das Waste-Gate wird mittels einer Feder in eine Endstellung gedrückt. Mit einem Ventil kann nun – genau wie bei der luftbetätigten Anordnung – Öldruck auf das Betätigungselement gegeben bzw. dieser in der anderen Stellung des Ventils wieder zurückgenommen werden.at The invention may be the structure of the known control with a waste gate be maintained substantially. Only will instead of the air-operated system now a hydraulic element provided. The waste gate is using a spring pressed into an end position. With a valve can well - exactly as with the air-operated Arrangement - oil pressure on the actuator given or this withdrawn in the other position of the valve again become.
Vorteilhafterweise kann das Motoröl für die Betätigung von der Ölzuleitung des Turboladers abgezweigt werden, da diese zur Versorgung des Turbinenlaufzeugs sowieso vorhanden ist. Auch das aus dem Betätigungselement abgelassene Öl kann die Ölablaufleitung des Turboladers mitbenutzen.Advantageously, the engine oil for the actuation of the oil supply of the turbocharger from be branched, since this is available anyway for the supply of the turbine tool. Also, the drained from the actuator oil can share the oil drain line of the turbocharger.
Die Erfindung verwendet ein Taktventil, das dem in dem bisher bekannten Druckluftsystem verwendeten Taktventil gleicht. Dabei hat das Taktventil unbestromt eine Stellung, mit der sichergestellt wird, dass bei einem Fehler in der elektrischen Ansteuerung das Waste-Gate geöffnet und der Verbrennungsmotor vor Überladung geschützt wird.The Invention uses a timing valve that in the previously known Compressed air system used equalizes. The clock valve has no current a position that ensures that if there is a mistake in the electrical control the waste gate opened and the internal combustion engine overcharging protected becomes.
Das Taktventil beaufschlagt in seiner bestromten Stellung das Hydraulikelement so, dass das Waste-Gate schließt, es wird Ladedruck aufgebaut.The Timing valve acts in its energized position, the hydraulic element so that the waste gate closes, Charge pressure is built up.
Ebenso ist ein System denkbar, bei dem das Waste-Gate in seiner Grundstellung durch eine Feder und/oder den Abgasdruck allein geöffnet wird. Dann wird es durch Öldruck geschlossen, und entsprechend müssen alle Taktventilstellungen umgekehrt aufgebaut sein.As well is a conceivable system in which the waste gate in its basic position is opened by a spring and / or the exhaust pressure alone. Then it is due to oil pressure closed, and must accordingly all clock valve positions be reversed.
Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht.The The invention is illustrated in the drawing using an exemplary embodiment.
Wie
man besonders in
Die
Turbinenanordnung
Im
Bereich der Turbinenanordnung
Im
Betrieb arbeitet die Turbinenanordnung
Nun
wird der Verbrennungsmotor angelassen, worauf sich in der Druckölleitung
Wenn
nun bei höheren
Drehzahlen am Ladeanschluss
Durch
Variation der Taktung des Taktventils
- 11
- Turbinenanordnungturbine assembly
- 22
- Abgasturbineexhaust turbine
- 33
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 44
- AbgasturbinengehäuseExhaust turbine housing
- 55
- Abgasturbinenradexhaust turbine wheel
- 66
- AbgasturbinenauslaßAbgasturbinenauslaß
- 77
- Bypass-KanalBypass channel
- 88th
- Waste-GateWastegate
- 99
- Betätigungshebelactuating lever
- 1010
- Spiralfederspiral spring
- 1111
- Kompressorcompressor
- 1212
- Kompressorgehäusecompressor housing
- 1313
- Ansaugkanalintake port
- 1414
- Ladeanschlußcharging terminal
- 1515
- Gleitlagerbearings
- 1616
- DruckölleitungPressure oil line
- 1717
- RückführleitungReturn line
- 1818
- Taktventiltiming valve
- 1919
- Eingangsanschlußinput terminal
- 2020
- RückführanschlußReturn port
- 2121
- Steuerungsanschlußcontrol terminal
- 2222
- Hydraulikdosehydraulic box
- 2323
- Kolbenpiston
- 2424
- Kolbenstangepiston rod
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |