DE3636642A1 - Aufladesystem fuer kraftfahrzeugmotoren - Google Patents

Aufladesystem fuer kraftfahrzeugmotoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem für Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere ein kombiniertes Aufladesystem mit einem Kompressor, der von einer Abgasturbine angetrieben ist, und mit einem Kompressor, der von dem Motor selbst angetrieben ist.
Im allgemeinen wird ein Aufladesystem für Kraftfahrzeugmotoren mit einem Kompressor verwendet, der von einer Abgasturbine, nachstehend als Turbolader bezeichnet, angetrieben ist. Der Turbolader wirkt in der Weise, daß er eine Aufladung in einem hohen Motordrehzahlbereich vornimmt, aber er sorgt nicht für einen ausreichenden Ladedruck in einem niedrigen Motordrehzahlbereich.
Andererseits wirkt ein von einem Motor angetriebener Kompressor, nachstehend als Auflader bezeichnet, in einem niedrigen Motordrehzahlbereich. Dementsprechend ist ein kombiniertes Aufladesystem, das mit dem Turbolader und dem Auflader versehen ist, angegeben worden, um die Aufladewirksamkeit in einem breiten Motordrehzahlbereich zu verbessern.
In der JP-OS 58-2 22 919 ist ein kombiniertes Aufladesystem angegeben, bei dem ein Turbolader und ein Auflader entweder parallel oder in Serie selektiv kombiniert werden können. Das System ist jedoch kompliziert in seinem Aufbau und hat darüberhinaus keine praktischen Vorteile. Da außerdem das System nicht in Abhängigkeit von der Last des Motors gesteuert ist, wird der Aufladedruck bei geringer Last und hoher Last in einem niedrigen Motordrehzahlbereich nicht richtig gesteuert. Außerdem kann der Zustand zur Umschaltung zwischen einem einfachen Ladebereich und einem kombinierten Ladebereich nicht in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen gesteuert werden. Aus diesem Grunde weichen beide Betriebsbereiche von den gewünschten Bereichen ab.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kombiniertes Aufladesystem anzugeben, bei dem ein einfacher Aufladebereich und ein kombinierter Aufladebereich so gesteuert werden, daß sie auch tatsächlich den Motorbetriebsbedingungen entsprechen.
Gemäß der Erfindung wird ein Aufladesystem für Kraftfahrzeugmotoren angegeben, das folgende Baugruppen aufweist: Einen vom Abgas des Motors angetriebenen Turbolader; einen Auflader; ein Ansaugrohr, welches den Turbolader und den Auflader in Reihenschaltung verbindet, um dem Motor Luft zuzuführen; eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Aufladers mit dem Motor; eine Kupplungseinrichtung, die in der Antriebseinrichtung vorgesehen ist; eine erste Bypass-Leitung, die um den Auflader herum vorgesehen ist; ein in der Bypass-Leitung vorgesehenes Steuerventil; ein Abgassteuerventil, das in einer zweiten Bypass-Leitung des Turboladers vorgesehen ist; ein erstes Betätigungsorgan zum Betätigen des Steuerventiles; ein zweites Betätigungsorgan zum Betätigen des Abgassteuerventiles; eine erste Einrichtung zum Betätigen des zweiten Betätigungsorgans, um das Abgassteuerventil zu öffnen, wenn der Aufladedruck einen vorgegebenen Wert überschreitet; und einen Motordrehzahlmeßfühler zur Abtastung der Motordrehzahl.
Das Aufladesystem enthält ferner einen Motorlastmeßfühler zur Abtastung der Last des Motors sowie eine Steuereinheit, die auf Ausgangssignale des Motordrehzahlmeßfühlers und des Motorlastmeßfühlers anspricht, um die Kupplungseinrichtung und das erste Betätigungsorgan zu betätigen.
Die Steuereinheit umfaßt eine zweite Einrichtung zum Ausrücken der Kupplungseinrichtung bei geringer Last des Motors in einem vorgegebenen niedrigen Motordrehzahlbereich, eine dritte Einrichtung zum Einrücken der Kupplungseinrichtung bei hoher Last in dem niedrigen Motordrehzahlbereich, eine vierte Einrichtung zum Ausrücken der Kupplungseinrichtung in einem vorgegebenen hohen Motordrehzahlbereich. Eine fünfte Einrichtung ist vorgesehen, um das Steuerventil in Abhängigkeit von einer Änderung der Motorbetriebsbedingungen zu öffnen, wenn der Motorenbetrieb sich in einem Übergangszustand befindet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung spricht die fünfte Einrichtung auf den Betrieb des zweiten Betätigungsorgans an, um das Steuerventil zu öffnen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung spricht die fünfte Einrichtung auf die Last des Motors an, um das Steuerventil bei Abnahme der Last zu öffnen.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aufladesystems gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsbereiche eines Turboladers und eines Aufladers des Systems;
Fig. 3a ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Motordrehzahl und dem Aufladedruck in dem System;
Fig. 3b ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Motordrehzahl und dem Öffnungsgrad eines Steuerventiles;
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Aufladesystems;
Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsbereiche bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6a bis 6e Diagramme zur Erläuterung von Änderungen des Aufladedrucks und des Öffnungsgrades eines Steuerventiles; und in
Fig. 7 ein Flußdigramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt ein kombiniertes Aufladesystem gemäß der Erfindung, wobei ein Motor 1 mit einem Turbolader 4 und einem Auflader 6 versehen ist. Der Turbolader 4 umfaßt einen Kompressor 4 a, der in einem Ansaugrohr 3 stromabwärts von einem Luftfilter 2 vorgesehen ist, und eine Turbine 4 b, die in einem Auspuffrohr oder einer Abgasleitung 12 angeordnet ist. Das Ansaugrohr 3 steht mit einem Kompressor 6 a des Aufladers 6 über eine Leitung 5 in Verbindung. Der Kompressor 6 a ist ein Hubraumkompressor, so daß das Volumen der Austrittsluft nur von der Motordrehzahl abhängt, unabhängig von der Last des Motors 1. Somit nimmt das Luftvolumen bei geringer Last nicht ab. Der Kompressor 6 a steht mit dem Motor 1 über eine Leitung 7, einen Zwischenkühler oder Ladeluftkühler 8 und eine Drosselklappe 9 in Verbindung. Dementsprechend sind der Turbolader 4 und der Auflader 6 in Reihe oder hintereinander geschaltet.
Eine Bypass-Leitung 10 mit einem Steuerventil 11, dessen Öffnungsgrad variabel oder einstellbar ist, ist vorgesehen, um den Kompressor 4 a mit dem Ladeluftkühler 8 zu verbinden. In dem Auspuff- oder Abgassystem ist ein Schalldämpfer bzw. ein Auspufftopf 13 stromabwärts von der Turbine 4 b vorgesehen, und eine Bypass-Leitung 14 ist mit der Abgasleitung 12 verbunden, um die Turbine 4 b zu umgehen. In der Bypass-Leitung 14 ist ein Abgassteuerventil 15 vorgesehen, das so ausgelegt ist, daß es von einem Betätigungsorgan 18 betätigt werden kann. Das Betätigungsorgan 18 hat eine Membran 18 b, die betriebsmäßig mit dem Abgassteuerventil 15 verbunden ist, sowie eine Kammer 18 a, die von der Membran 18 b unterteilt ist. Die Kammer 18 a steht über eine Leitung 17 mit einer Öffnung 16 in Verbindung, wobei die Öffnung 16 in der Leitung 7 in einem Bereich zwischen der Verbindung der Leitungen 7 und 10 und der Drosselklappe 9 ausgebildet ist, um das Betätigungsorgan 18 zu betätigen.
Ferner sind eine Riemenscheibe 21, die auf einer Kurbelwelle 20 des Motors 1 montiert ist, eine Riemenscheibe 23 a, die an einem äußeren Antriebsteil einer elektromagnetischen Kupplung 23 befestigt ist, und ein Riemen 22 vorgesehen, um die Kraft des Motors 1 auf die Kupplung 23 zu übertragen. Die elektromagnetische Kupplung 23 ist mit einer Zwischenwelle oder einer Vorgelegewelle 24 und außerdem mit einer Antriebswelle 25 des Kompressors 6 a über Riemenscheiben 27 und 28 sowie einen Riemen 26 verbunden.
Das Steuersystem gemäß der Erfindung ist mit einer Steuereinheit 33, einem Kurbelwinkelmeßfühler 30 zur Abtastung der Motordrehzahl, einem Drosselstellungsmeßfühler 31 zur Abtastung der Drosselklappenposition und einem Schalter 32 versehen, der so ausgelegt ist, daß er schließt, wenn das Abgassteuerventil 15 geöffnet wird. Die Ausgänge der Meßfühler 30 und 31 sowie des Schalters 32 liegen an der Steuereinheit 33 an. Die Ausgangssignale der Steuereinheit 33 werden einem Schrittmotor 34, um das Steuerventil 11 zu öffnen und zu schließen, sowie der elektromagnetischen Kupplung 23 zugeführt, um diese einzurücken bzw. auszurücken.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Betriebsbereiche des Turboladers 4 und des Aufladers 6 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl N und dem Drosselklappen-Öffnungsgrad R aufgeteilt. Im einzelnen sind vorgesehen ein Bereich I, wo die Motordrehzahl N niedriger ist als ein vorgegebener Wert No und der Drosselklappen-Öffnungsgrad R kleiner ist als ein vorgegebener Öffnungsgrad R o; ein Bereich II, wo die Motordrehzahl N höher ist als No; und ein Bereich III, wo die Motordrehzahl N gleich dem Wert oder kleiner als der Wert No ist und der Drosselklappen- Öffnungsgrad R bei dem Öffnungsgrad R o liegt oder diesen überschreitet. Die Motordrehzahl No hat einen Wert, der einer Grenze zwischen einem hohen Motordrehzahlbereich und einem mittleren Motordrehzahlbereich entspricht. In den Bereichen I und II ist die elektromagnetische Kupplung 23 ausgerückt, so daß der Auflader 6 nicht angetrieben ist. Zur gleichen Zeit ist das Steuerventil 11 vollständig offen, so daß der Öffnungsgrad ϕ maximal ist. Dementsprechend ist nur der Turbolader 4 angetrieben. Im Bereich III ist die elektromagnetische Kupplung 23 eingerückt, um den Auflader 6 anzutreiben, und das Steuerventil 11 ist geschlossen. Infolgedessen sind der Turbolader 4 und der Auflader 6 beide angetrieben und in Reihe geschaltet. Ein Übergangsbereich IV, wo die Motordrehzahl zwischen No und einem vorgegebenen Wert Nl liegt, der niedriger ist als No, ist in dem Bereich III enthalten. Wie in Fig. 3b dargestellt, wird im Bereich IV das Steuerventil 11 allmählich geöffnet, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Die Änderung oder Variation des Öffnungsgrade ϕ zwischen Nl und No ist nicht notwendigerweise linear, auch wenn sie in Fig. 3b so eingezeichnet ist.
Die Wirkungsweise des Aufladesystems wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3a, 3b und 4 näher erläutert. In Fig. 3a bezeichnen die Linien lT und lS Aufladedruckcharakteristiken des Turboladers 4 bzw. des Aufladers 6.
Da die Turbine 4 b des Turboladers 4 von dem Abgas angetrieben wird, ist der Turbolader 4 stets in Betrieb, solange der Motor 1 angetrieben ist. In dem Bereich I bei geringer Last, einschließlich Leerlauf, und einem Drosselklappen- Öffnungsgrad R, der kleiner ist als der Öffnungsgrad R o, ist die elektromagnetische Kupplung 23 ausgerückt, um den Auflader 6 abzuschalten. Außerdem ist das Steuerventil 11 bis zum Maximalwert geöffnet, so daß die gesamte Ansaugluft durch die Bypass-Leitung 10 strömt.
Dementsprechend ist nur der Turbolader 4 angetrieben. Die Energie des Abgases ist jedoch so klein, daß die Aufladung im wesentlichen unwirksam ist.
Wenn die Drosselklappe 9 weiterhin bis zu einem vorgegebenen Öffnungsgrad R o oder über diesen hinaus geöffnet wird, so liegt der Antriebszustand im Bereich III. Die Steuereinheit 33 erzeugt ein Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Drosselstellungsmeßfühlers 31, um die elektromagnetische Kupplung 23 einzurücken. Somit wird der Auflader 6 angetrieben. Außerdem ist das Steuerventil 11 vollständig geschlossen, so daß die gesamte Ansaugluft vom Kompressor 4 a mit dem Auflader 6 weiter unter Druck gesetzt und von dem Zwischenkühler 8 gekühlt wird, bevor sie in den Motor 1 strömt. Infolgedessen wird der Aufladebetrieb durch den Turbolader 4 vom Auflader 6 vervielfacht,so daß der Aufladedruck rasch ansteigt, wie es mit einer Linie lc 1 in Fig. 3a dargestellt ist, welche die Summe der Drücke der Linien lT und lS darstellt. Dementsprechend wird die Aufladewirksamkeit gesteigert.
Wenn die Motordrehzahl den Wert Nl überschreitet, so geht der Zustand des Systems in den Bereich IV über. Wenn der kombinierte Aufladedruck an einer Stelle Pl einen maximalen Aufladedruck Pm erreicht, so wird die Membran 18 b des Betätigungsorgans 18 durch den Aufladedruck an der Abzweigung der Öffnung 16 ausgelenkt, so daß das Abgassteuerventil 15 zu öffnen beginnt. Somit umgeht das Abgas die Turbine 4 b, um den Aufladebetrieb zu begrenzen. Durch die Auslenkung der Membran 18 b wird der Schalter 32 geschlossen und beaufschlagt die Steuereinheit 33 mit einem Signal. In Abhängigkeit von diesem Signal steuert die Steuereinheit 33 den Schrittmotor 34, so daß er das Steuerventil 11 allmählich öffnet, und zwar in Abhängigkeit von der Zunahme der Motordrehzahl, wie es in Fig. 3b dargestellt ist.
Infolgedessen nimmt der Aufladedruck des Aufladers 6 ab, wie es mit der Kettenlinie lS′ in Fig. 3a dargestellt ist. Andererseits nimmt der Aufladedruck des Turboladers 4 zu, mit es mit der Kettenlinie lT′ dargestellt ist. Somit wird der kombinierte Aufladedruck konstant, wie es mit einer Linie lc 2 dargestellt ist.
Wenn die Motordrehzahl N an einer Stelle P 2 den Wert No überschreitet, so gelangt der Betriebszustand in den Bereich II. An der Stelle P 2 ist das Steuerventil 11 vollständig offen, so daß der Aufladedruck des Aufladers 6 im wesentlichen auf Null abfällt. Zur gleichen Zeit wird die elektromagnetische Kupplung 23 wieder durch ein Signal von der Steuereinheit 33 ausgerückt, um den Antrieb des Aufladers 6 zu beenden. Da das Abgassteuerventil 15 geöffnet wird, wenn der Aufladedruck den maximalen Aufladedruck Pm überschreitet, wird der Aufladedruck durch den Turbolader 4 konstant gehalten, wie es mit der Linie lc 3 dargestellt ist.
Wenn andererseits während der Abbremsung des Motors aus dem Bereich II der Stoß, der durch das Starten des Betriebes des Aufladers 6 erzeugt wird, nicht bedeutend ist, kann das System so gesteuert werden, daß dann, wenn die Motordrehzahl den Wert No erreicht, die elektromagnetische Kupplung 23 eingerückt und das Steuerventil 11 geschlossen werden, um den Auflader 6 zu betätigen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 7 beschrieben. Der Aufbau des Aufladesystems ist im wesentlichen der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Das System der zweiten Ausführungsform ist so ausgelegt, daß es bei einer Übergangsperiode bei geringer Last in einem niedrigen Motordrehzahlbereich angewendet wird, so daß ein Turbolader während der Abbremsung des Motors allein angetrieben wird.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist ein Übergangsbereich V in dem Bereich III in dem niedrigen Motordrehzahlbereich vorgesehen. In dem Bereich V ist der Drosselklappen-Öffnungsgrad R größer als R o und kleiner als ein vorgegebener Öffnungsgrad R 1. Wie in Fig. 6e dargestellt, wird im Bereich V der Öffnungsgrad ϕ des Steuerventiles 11 allmählich vergrößert, wenn der Drosselklappen-Öffnungsgrad R abnimmt.
Die Wirkungsweise des Aufladesystems, wenn die Drosselklappe 9 bei konstanter Motordrehzahl allmählich geschlossen wird, ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 näher erläutert. Die Linien lT und lc in den Fig. 6a bis 6d geben Aufladedruckcharakteristiken des Turboladers 4 und kombinierte Aufladedruckcharakteristiken von Turbolader 4 bzw. Auflader 6 an.
Wie im Zusammenhang mit dem Betrieb im Bereich III erläutert, ist das Steuerventil 11 vollständig geschlossen und die elektromagnetische Kupplung 23 eingerückt. Dementsprechend sind der Turbolader 4 und der Auflader 6 beide angetrieben. Wenn der Drosselklappen-Öffnungsgrad R kleiner als R 1 wird, geht der Antriebszustand in den Bereich V. Zu dieser Zeit hat der Aufladedruck einen Wert Po, der ein kombinierter Wert der Aufladedrücke des Turboladers 4 und des Aufladers 6 ist. Wenn der Drosselklappen- Öffnungsgrad R abnimmt, legt die Steuereinheit 33 ein Ausgangssignal an den Schrittmotor 34 an, um den Öffnungsgrad ϕ des Steuerventiles 11 gemäß dem Graph in Fig. 6e zu vergrößern. Infolgedessen nimmt, wie in den Fig. 6b, 6c und 6d dargestellt, der Aufladedruck von Po auf P 1′ ab. Wenn das Steuerventil 11 bis zum maximalen Öffnungsgrad geöffnet wird, da der Druck am Einlaß und am Auslaß des Aufladers 6 gleich werden, wird der Aufladedruck nur vom Turbolader 4 geliefert. Zu diesem Zeitpunkt ist der Drosselklappen-Öffnungsgrad bei R o, und der Aufladedruck des Aufladers 6 ist im wesentlichen Null. Dementsprechend wird der Aufladedruck weiter reduziert auf den Wert P 2′.
Wenn der Drosselklappen-Öffnungsgrad R kleiner wird als R o, geht der Antriebszustand in den Bereich I. Somit wird nur der Turbolader 4 angetrieben.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform bei einem Aufladesystem während der Übergangsperiode vom Bereich III zum Bereich I erläutert worden ist, kann das System umgekehrt auch bei der Übergangsperiode vom Bereich I zum Bereich III angewendet werden.

Claims (6)

1. Aufladesystem für Kraftfahrzeugmotoren, gekennzeichnet durch
- einen Turbolader (4), der mit dem Abgas des Motors (1) angetrieben ist;
- einen Auflader (6);
- ein Ansaugrohr (3), das den Turbolader (4) und den Auflader in Reihe verbindet, um den Motor (1) mit Luft zu versorgen;
- eine Antriebseinrichtung (20 bis 28) zum Antrieb des Aufladers (6) durch den Motor (1);
- eine Kupplungseinrichtung (23), die in der Antriebseinrichtung (20 bis 28) vorgesehen ist;
- eine erste Bypass-Leitung (10), die eine Umleitung um den Auflader (6) bildet;
- ein Steuerventil (11), das in der ersten Bypass- Leitung (10) vorgesehen ist;
- ein Abgassteuerventil (15), das in einer zweiten Bypass-Leitung des Turboladers (4) vorgesehen ist;
- ein erstes Betätigungsorgan (34) zum Betätigen des Steuerventiles (11);
- ein zweites Betätigungsorgan (18) zum Betätigen des Abgassteuerventiles (15);
- eine erste Einrichtung (16, 17) zum Betätigen des zweiten Betätigungsorgans (18), um das Abgassteuerventil (15) zu öffnen, wenn der Aufladedruck einen vorgegebenen Wert überschreitet;
- einen Motordrehzahlmeßfühler (30) zum Abtasten der Drehzahl des Motors (1);
- einen Motorlastmeßfühler (31) zum Abtasten der Last des Motors (1);
- eine Steuereinheit (33), die auf Ausgangssignale vom Motordrehzahlmeßfühler (30) und vom Motorlastmeßfühler (31) anspricht, um die Kupplungseinrichtung (23) und das erste Betätigungsorgan (34) zu betätigen;
- wobei die Steuereinheit (33) eine zweite Einrichtung zum Ausrücken der Kupplungseinrichtung (23) bei leichter Last des Motors (1) in einem vorgegebenen niedrigen Motordrehzahlbereich, eine dritte Einrichtung zum Einrücken der Kupplungseinrichtung (23) bei hoher Last im niedrigen Motordrehzahlbereich, eine vierte Einrichtung zum Ausrücken der Kupplungseinrichtung (23) in einem vorgegebenen hohen Motordrehzahlbereich, sowie eine fünfte Einrichtung zum Öffnen des Steuerventiles (11) in Abhängigkeit von einer Änderung des Motorbetriebszustandes aufweist, wenn der Motorbetrieb sich in einem Übergangszustand befindet.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schalter (32), der auf den Betrieb des zweiten Betätigungsorgans (18) anspricht und ein Signal erzeugt, wobei die fünfte Einrichtung auf das Signal zum Öffnen des Steuerventiles (11) anspricht.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Einrichtung auf die Last des Motors (1) anspricht, um das Steuerventil (11) bei abnehmender Last zu öffnen.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (20 bis 28) eine Riemenscheibenanordnung (21 bis 23, 26 bis 28), die eine Kurbelwelle (20) des Motors (1) betriebsmäßig mit einem Kompressor (6 a) des Aufladers (6) verbindet, aufweist, und daß die Kupplungseinrichtung (23) eine elektromagnetische Kupplung (23) ist, die in der Riemenscheibenanordnung (21 bis 23, 26 bis 28) angeordnet ist.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Betätigungsorgan (34) ein Schrittmotor (34) ist, daß das zweite Betätigungsorgan (18) eine Membran (18 b) aufweist, und daß die erste Einrichtung (16, 17) betriebsmäßig so ausgelegt ist, daß sie mit dem Aufladedruck die Membran (18 b) beaufschlagt, um das Abgassteuerventil (15) zu öffnen.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motordrehzahlmeßfühler (30) ein Kurbenwinkelmeßfühler (30) ist und der Motorlastmeßfühler (31) ein Drosselstellungsmeßfühler (31) ist.
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