DE19708721B4

DE19708721B4 - Aufladesystem für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19708721B4
Application number: DE19708721A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Lorenz; Nunzio Dr.-Ing. D'alfonso
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2017-03-05
Also published as: DE19708721A1

Abstract

Aufladesystem für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine, bestehend aus einem ersten Turbolader (2), der aus einer Abgasturbine (3) und einem ersten Verdichter (4) gebildet wird, wobei in einem Saugstutzen (5) des ersten Verdichters (4) eine schwenkbare Klappe (6) angeordnet ist und in den Saugstutzen (5) zwischen Klappe (6) und erstem Verdichter (4) ein Druckstutzen (10) eines, von einem Elektromotor (9) angetriebenen zweiten Verdichters (8) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom erreichen einer vorbestimmten Einspritzmenge über die Stellung eines Fahrpedals (14) das Fahrpedalsignal über ein Steuergerät (13) den Elektromotor (9) einschaltet und bei geschlossener Klappe (6) so lange eingeschaltet hält, bis der Luftdruck vor und nach dem zweiten Verdichter (8) gleich ist und dann die Klappe (6) öffnet und der zweite Verdichter (8) über den Elektromotor (9) abgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufladesystem für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine, bestehend aus einem ersten Turbolader, der aus einer Abgasturbine und einem ersten Verdichter gebildet wird, wobei in einem Saugstutzen des ersten Verdichters eine schwenkbare Klappe angeordnet ist und in den Saugstutzen zwischen Klappe und erstem Verdichter ein Druckstutzen eines zweiten Verdichters mündet.
Zur Verbesserung des Anspruchverhaltens der Aufladung beim Hochfahren der Brennkraftmaschine ist es bekannt, einem ersten Turbolader einen zweiten Turbolader vorzuschalten. Der zweite Turbolader ist dabei wesentlich kleiner, als der dem normalen Betrieb zugedachte erste Turbolader. Der Druckstutzen des Verdichters des zweiten Turboladers mündet in den Saugstutzen des Verdichters des ersten Turboladers. Im Saugstutzen des ersten Turboladers ist ferner eine schwenkbare Klappe vorgesehen. Beim Hochfahren der Brennkraftmaschine soll zunächst der kleinere, zweite Turbolader ansprechen und Ladeluft als Pilotaufladung liefern. Bei zunehmender Abgasmenge tritt auch der erste Turbolader in Aktion. Durch eine steuerbare Abgasklappe wird die Turbine des zweiten Turboladers umgangen, so daß nur noch der erste Turbolader in Betrieb ist. Versuche haben gezeigt, daß dennoch das Ansprechverhalten der Aufladung in Hinblick auf Rußbildung unbefriedigend ist. ( DE 43 31 943 C2 )
Zur Verhinderung des Abgasrauchstoßes beim Übergang von Niedrig- auf Vollast ist es aus der DE 39 06 312 C1 bekannt, in Abhängigkeit von der Stellung des Fahrpedals zunächst aus einem Druckluftbehälter Luft in die Zylinder einzublasen und erst mit zeitlicher Verzögerung die Kraftstoffeinspritzmenge zu erhöhen.
Aus der DE-PS 11 02 479 ist es weiterhin bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit einem durch eine Abgasturbine angetriebenen Ladegebläse in der Ansaugleitung des Ladegebläses ein Rückschlagventil vorzusehen und die Förderleitung eines Hilfsgebläses in Strömungsrichtung hinter dem Rückschlagventil in die Ansaugleitung des Ladegebläses einmünden zu lassen, wobei das Hilfsgebläse die notwendige Luftmenge liefert wenn diese nicht über das Ladegebläse zur Verfügung gestellt werden kann.
Die DE-AS 20 17 496 beschreibt ein Ladeluftgebläse, dem ein Hilfsgebläse in Reihe vorgeschaltet ist.
Aus der älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten WO 97/18388 A1 ist ebenfalls ein Aufladesystem für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine bekannt, das einen Abgasturbolader aufweist, wobei in einem Saugstutzen eines ersten Verdichters eine schwenkbare Klappe angeordnet ist und in den Saugstutzen ein Druckstutzen eines zweiten von einem Elektromotor angetriebenen Verdichters mündet.
Die WO 92/04 536 A1 zeigt ebenfalls eine aufgeladene Brennkraftmaschine in deren Ansaugtrakt eine Anordnung bestehend aus einem Turbolader und einen zum Verdichter des Turboladers in Strömungsrichtung vorgeschalteten mechanischen Kompressor, angeordnet ist. Ein Rückschlagventil das im Ansaugtrakt des Verdichters liegt, öffnet, wenn die durch den Verdichter geförderten Luftmengen größer ist, als die vom mechanischen Kompressor gelieferten Luftmengen.
Die DE 31 00 732 C2 schließlich beschreibt eine Anordnung, die eine von einem Elektromotor angetriebene Schwungmasse beinhaltet, wobei die Schwungmasse einen Verdichter antreibt, der mit seinem Druckstutzen zwischen einem Rückschlagventil und einem weiteren Verdichter in dessen Saugstutzen mündet.
Ausgehend von einem Aufladesystem gemäß dem Gattungsbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Aufladesystem so zu verbessern, daß die Rußbildung beim Hochfahren der Brennkraftmaschine nachhaltig unterdrückt wird, ohne daß der bauliche Aufwand exorbitant wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2, vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch den elektrisch betriebenen zweiten Verdichter wird eine Pilotaufladung erreicht die in einer Rückkopplung mit der Brennkraftmaschine ein rasches Hochfahren ohne nennenswerte Rußbildung ermöglicht. Der bauliche Aufwand hält sich in vertretbaren Grenzen, was bei einem Massenartikel, wie einer Brennkraftmaschine für Nutzfahrzeuge von entscheidender Bedeutung ist. Als Fremdenergiequelle reicht die Fahrzeugbatterie.
Vorteilhafte Steuerungsmöglichkeiten des Elektromotors in Abhängigkeit der Stellung des Fahrpedals und von Parametern der Brennkraftmaschine, bzw. deren Kennfeld, können den Unteransprüchen 3 bis 9 entnommen werden.
Mit Hilfe der Steuerung des Elektromotors können verschiedene Vorteile realisiert werden. So kann eine Erhöhung des Beschleunigungsvermögens durch schnellere Steigerung des Ladedrucks erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung der Rauchentwicklung beim Hochfahren der Brennkraftmaschine.
Beide Wirkungen lassen sich kombinieren, ggf. in kompromissbedingt geringerem Umfang.
Der elektrisch angetriebene Verdichter wird in Kombination mit der Verspätung oder mit der Frühverstellung der Einspritzung des Kraftstoffes während der instationären Phasen, insbesondere der Anfahrphasen des Fahrzeugs, vorteilhaft eingesetzt derart, daß die Spritzbeginn-Verstellung gleichzeitig mit der Aktivierung des Elektromotors erfolgt. Damit wird eine weitergehende Optimierung von Abgas- und Geräuschverhalten sowie Drehmomententfaltung des Motors während der Beschleunigung erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aufladesystems ist an Hand einer Zeichnung dargestellt.
Eine Brennkraftmaschine 1 ist mit einem ersten Abgasturbolader 2 ausgerüstet, der aus einer Abgasturbine 3 und einem ersten Verdichter 4 besteht. Die Luft wird über einen Saugstutzen 5 angesaugt, der mit einer Klappe 6 verschließbar ist.
Eine Ladegruppe 7, bestehend aus einem zweiten Verdichter 8 und Elektromotor 9, ist dem Turbolader 2 vorgeschaltet, wobei ein Druckstutzen 10 des zweiten Verdichters 8 in den Saugstutzen 5 des ersten Verdichters 4 stromab der Klappe 6 einmündet. Der Verdichter 8 wird vorteilhafterweise als ein Radialverdichter ausgebildet, da dieser wegen seines geringen Massenträgheitsmoments und wegen seines zunächst geringen Massendurchsatzes im unteren Drehzahlbereich schnell auf hohe Drehzahl gebracht werden kann.
Beim Hochfahren der Brennkraftmaschine 1 wird zunächst der zweite Verdichter r vom Elektromotor 9 angetrieben und liefert vorverdichtete Luft in den Saugbereich des ersten Verdichters 4. Von dort gelangt die vorverdichtete Luft in eine Ladeluftleitung 11. Zur Kühlung der Ladeluft kann ein Ladeluftkühler 12 vorgesehen werden. Durch die Rückkopplung mit der Brennkraftmaschine 1 erhöht sich sehr rasch die Abgasmenge und Abgasenthalpie, so daß der Turbolader 2 sehr viel schneller als ohne die Wirkung der Ladegruppe 7 hochfährt.
Sobald der erste Verdichter 4 des Turboladers 2 ausreichend arbeitet kann die Klappe 6 geöffnet und der Elektromotor 9 abgestellt werden. Der Turbolader 2 übernimmt dann die Aufladung allein.
Die Klappe 6 kann in einfachster Weise als eine Rückschlagklappe ausgebildet sein, die selbsttätig öffnet, sobald der erste Verdichter 4 für entsprechenden Unterdruck sorgt.
Zur Steuerung des Elektromotors 9 ist ein Steuergerät 13 vorgesehen. Dieses arbeitet in Abhängigkeit von einem Fahrpedal 14 und von Parametern der Brennkraftmaschine, wie z.B. Ladeluftdruck und/oder Drehzahl, die von einem ersten Sensor 15 und einem zweiten Sensor 16 erfaßt werden.
Der Elektromotor 9 kann natürlich auch von einem Motorkennfeld so gesteuert werden, daß er nur in einem bestimmten Bereich des Kennfeldes aktiviert wird, in dem der Luftdurchsatz des ersten Verdichters 4 des Abgasturboladers 2 nicht höher wird als der des vorgeschalteten zweiten Verdichters 8. Dieser Zustand kann beispielsweise von der Stellung der als Rückschlagklappe ausgebildeten Klappe 6 abgeleitet und dem Steuergerät 13 mittels eines Lagesensors 19 übermittelt werden.
Durch reichliche Zufuhr von Ladeluft kann Rußbildung weitgehend unterdrückt werden. Zur Abstimmung der eingespritzten Brennstoffmenge auf die Ladeluftmenge und des Zeitpunktes des Einspritzbeginns kann erfindungsgemäß eine Einspritzpumpe 17 mittels einer zweiten Steuerung 18 geregelt werden. Brennstoffmenge und Zeitpunkt des Einspritzbeginns können aus der Stellung des Fahrpedals 14, aus dem Signal eines Ladeluftdrucksensors 15 und aus dem Signal eines Drehzahlgebers 16 abgeleitet werden.
Der Zeitpunkt der Einspritzmengenvergrößerung kann alternativ in Abhängigkeit von dem durch den Verdichter 8 erzeugten Ladeluftdruckaufbau festgelegt werden. Die Einspritzmengenvergrößerung wird um 0,1 bis 0,8 s verzögert gegenüber der Aktivierung des Elektromotors 9 betätigt.
Erfindungsgemäß ist der bauliche Mehraufwand relativ gering und besteht eigentlich nur in der Ladegruppe 7. Die Energiezufuhr bezieht der Elektromotor 9 aus der ohnehin vorhandenen Fahrzeugbatterie 9a. Besonders auf dem Nutzfahrzeugsektor ist der bauliche Aufwand und der daraus resultierende finanzielle Mehraufwand sehr entscheidend im Hinblick auf die Konkurrenzfähigkeit des Produkts.

Claims

Aufladesystem für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine, bestehend aus einem ersten Turbolader (2), der aus einer Abgasturbine (3) und einem ersten Verdichter (4) gebildet wird, wobei in einem Saugstutzen (5) des ersten Verdichters (4) eine schwenkbare Klappe (6) angeordnet ist und in den Saugstutzen (5) zwischen Klappe (6) und erstem Verdichter (4) ein Druckstutzen (10) eines, von einem Elektromotor (9) angetriebenen zweiten Verdichters (8) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom erreichen einer vorbestimmten Einspritzmenge über die Stellung eines Fahrpedals (14) das Fahrpedalsignal über ein Steuergerät (13) den Elektromotor (9) einschaltet und bei geschlossener Klappe (6) so lange eingeschaltet hält, bis der Luftdruck vor und nach dem zweiten Verdichter (8) gleich ist und dann die Klappe (6) öffnet und der zweite Verdichter (8) über den Elektromotor (9) abgeschaltet wird.
Aufladesystem für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine, bestehend aus einem ersten Turbolader (2), der aus einer Abgasturbine (3) und einem ersten Verdichter (4) gebildet wird, wobei in einem Saugstutzen (5) des ersten Verdichters (4) eine schwenkbare Klappe (6) angeordnet ist und in den Saugstutzen (5) zwischen Klappe (6) und erstem Verdichter (4) ein Druckstutzen (10) eines, von einem Elektromotor (9) angetriebenen zweiten Verdichters (8) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Überschreiten einer vorbestimmten Steigerung einer Einspritzmenge über die Stellung eines Fahrpedals (14) das Fahrpedalsignal über ein Steuergerät (13) den Elektromotor (9) einschaltet und bei geschlossener Klappe (6) so lange eingeschaltet hält, bis der Luftdruck vor und nach dem zweiten Verdichter (8) gleich ist und dann die Klappe (6) öffnet und der zweite Verdichter (8) über den Elektromotor (9) abgeschaltet wird.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Einspritzmengenvergrößerung in Abhängigkeit von dem durch den zweiten Verdichter (8) erzeugten Ladedruckaufbau festgelegt wird, derart, dass die tatsächliche Einspritzmengenvergrößerung verzögert um 0,1 bis 0,8 s gegenüber der Aktivierung des Elektromotors (9) betätigt wird.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (9) nach dem Erreichen eines vorbestimmten Ladeluftdrucks abgeschaltet wird.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (9) nach dem Erreichen einer vorbestimmten Motordrehzahl abgeschaltet wird.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (6) als Rückschlagklappe ausgebildet ist, welche unter dem vom ersten Verdichter (4) erzeugten Unterdruck öffnet.
Aufladesystemn nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (6) über das Steuergerät (13) betätigbar ist und das Steuergerät (13) von Parametern wie Ladedruck und/oder Motordrehzahl beaufschlagt wird.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Elektromotors (9) verbunden mit einer Spritzbeginnverspätung des Kraftstoffes erfolgt.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Elektromotors (9) verbunden mit einer Frühverstellung des Spritzbeginns des Kraftstoffes erfolgt.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmenge in Abhängigkeit von dem durch die Verdichter (4, 8) gemeinsam erzeugten Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung (11) eingestellt wird, derart, dass das Abgas in der Beschleunigungsphase unsichtbar bleibt.