DE4030872C1

DE4030872C1 -

Info

Publication number: DE4030872C1
Application number: DE4030872A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 7066 Baltmannsweiler De Hansen; Werner Dipl.-Ing. 7012 Fellbach De Aschner; Michael Dipl.-Ing. 7024 Filderstadt De Kuehn
Original assignee: Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1990-09-29
Filing date: 1990-09-29
Publication date: 1992-04-09
Anticipated expiration: 2010-09-30
Also published as: ITRM910708A1; ITRM910708A0; FR2667356A1; IT1250105B; GB2248270A; GB9119401D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von in Abhängigkeit eines Parameters zu betätigender Drosselklappe und eines Regulierventils gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Aus dem Service-Handbuch "Model Year 1990/91, USA, Models 124.1 and 126.1 Turbodiesels, S. 38" ist es bekannt, den Ladedruck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine sowohl über ein den Ab gasstrom der Brennkraftmaschine steuerndes, als Bypassventil ausgebildetes erstes Bauelement als auch über ein in der An saugleitung stromab des Verdichters angeordnetes, als Drossel klappe ausgebildetes zweites Bauelement zu steuern. Dabei wer den die beiden Ventilelemente nie gleichzeitig bewegt, sondern immer nacheinander. Die Ansteuerung eines jeden Ventilelementes erfolgt dabei über je einen elektropneumatischen Druckum setzter, welcher entsprechend eines von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängigen elektrischen Signals ein modu liertes Unterdrucksignal zur Betätigung des jeweiligen Ventil elementes erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher die Betätigung der Drosselklappe und des Regulierventils vereinfacht wird und welche kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nur noch ein einziger Druckumsetzer zur seriellen Steuerung der einzelnen Bauelemente erforderlich. Eine Druckquelle, wie z. B. eine Unterdruckpumpe, deren erzeugter Unterdruck durch einen z. B. elektropneumatisch wirkenden Druckumsetzer betriebsparameterabhängig moduliert wird, kann damit kleiner ausgelegt werden, als eine Unter druckpumpe, welche zwei oder gar mehrere Druckumsetzer perma nent mit Unterdruck zu versorgen hat. Der Leistungsbedarf für den Antrieb der Unterdruckpumpe ist damit reduziert, bzw. bei gleicher Auslegung der Unterdruckpumpe können noch zusätzliche Verbraucher von der Unterdruckpumpe versorgt werden. Dadurch, daß nur noch ein Druckumsetzer erforderlich ist und damit auch der Leistungsbedarf einer Druckquelle zur Bereitstellung des zu modulierenden Druckes minimal ist - also eine relativ klein dimensionierte Druckquelle verwendbar ist -, stellt die Erfin dung darüber hinaus eine kostengünstige Lösung dar.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist es ferner möglich, beim Umschalten von der Ansteuerung eines Bauelementes auf die Ansteuerung des nächsten Bauelementes in einem Übergangsbereich beide Bauelemente kurzfristig gleichzeitig mit dem modulierten Drucksignal von dem Druckumsetzer zu beaufschlagen. Demzufolge können in diesem Übergangsbereich beide Bauelemente gleichzei tig betätigt werden. Es ist damit ein relativ weicher Übergang zu realisieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bzw. eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung sind den übrigen Unteran sprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von drei Ausfüh rungsbeispielen dargestellt. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor richtung in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 2 in einem Diagramm p₂=f(p_U,BV bzw. p_U,DK) den Zusam menhang zwischen dem Druck p₂ in der Ansaugleitung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (Ladedruck) und dem Steuerunterdruck zur Betätigung der Ventilele mente zur Einstellung des Ladedruckes p₂ beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Prinzipdar stellung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Prinzipdar stellung und

Fig. 5 in einem Diagramm p₂=f(p_U,BV bzw. p_U,DK) den Zusam menhang zwischen dem Druck p₂ in der Ansaugleitung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (Ladedruck) und dem Steuerunterdruck zur Betätigung der Ventilele mente zur Einstellung des Ladedruckes p₂ beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist mit 1 eine luftverdichtende, mittels eines Abgasturboladers 2 aufgeladene Brennkraftmaschine bezeichnet. Der Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 ist in der Ansauglei tung 4 und die Turbine 5 in der Abgasleitung 6 der Brennkraft maschine 1 angeordnet. Stromauf der Turbine 5 ist von der Ab gasleitung 6 eine Bypassleitung 7 abgezweigt, welche stromab der Turbine 5 wieder in die Abgasleitung 6 einmündet. In dieser Bypassleitung 7 ist ein als Bypassventil ausgebildetes Regu lierventil 8 angeordnet, welches über einen ersten Unterdruck stellantrieb 9 zwischen einer die Bypassleitung 7 verschlie ßenden Stellung und einer den Maximalquerschnitt der Bypassleitung 7 freigebenden Stellung stufenlos bewegbar ist. Stromab des Verdichters 3 ist in der Ansaug- bzw. in der Lade luftleitung 4 eine Drosselklappe 10 angeordnet, welche über einen zweiten Unterdruckstellantrieb 11 zwischen einer den Mi nimalquerschnitt der Ladeluftleitung 4 und einer den Maximal querschnitt freigebenden Stellung stufenlos betätigbar ist. Über die Drosselklappe 10 und das Bypassventil 8 erfolgt die Einstellung des Ladedruckes p₂, d. h. des Absolutdruckes p₂ in der Ansaugleitung 4 auf einen vorgegebenen, dem jeweiligen Be triebspunkt der Brennkraftmaschine 1 entsprechenden Sollwert p_2,soll. Hierzu ist eine elektronische Steuereinheit 12 vorge sehen, welcher über die Meßwertleitungen 13 elektrische Signale zugeführt werden, die den Betriebszustand der Brennkraftma schine 1 beschreiben. Es sind dies unter anderem die Brennkraftmaschinendrehzahl n, die Brennkraftmaschinenlast x_RS, der aktuelle Ladedruck p₂ und die Kühlmitteltemperatur T_KM, welche mittels geeigneter, in der Zeichnung der Übersichtlich keit wegen nicht dargestellter Sensoren am Schwungrad (n), an dem Kraftstoffmengenverstellhebel der Einspritzpumpe (x_RS), in der Ladeluftleitung 4 stromab der Drosselklappe 10 (p₂) und im Kühlwasserkreislauf (T_KM) abgegriffen werden.

In Abhängigkeit dieser Eingangsgrößen wird nun in der elektro nischen Steuereinheit 12 aus einem Kennfeld ein Sollwert p_2,soll für Ladedruck p₂ ermittelt. Ein dieser Größe p_2,soll entsprechendes elektrisches Signal wird über die Steuerleitung 14 an einen elektropneumatischen Druckumsetzer 15 übermittelt, welcher entsprechend diesem elektrischen Eingangssignal einen von einer Unterdruckpumpe 16 erzeugten Unterdruck moduliert. Dieser dem Ladedrucksollwert p_2,soll entsprechend modulierte Unterdruck liegt über die Leitung 38 an einer als 4/2-Wegeven til ausgebildeten schaltbaren Ventileinrichtung (Elektroma gnetventil 17) an. In der in der Fig. 1 dargestellten ersten Schaltstellung 18 wird der modulierte Unterdruck an den Unter druckstellantrieb 9 für das Bypassventil 8 durchgeschaltet. Gleichzeitig ist der Unterdruckstellantrieb 11 für die Dros selklappe 10 belüftet, d. h. mit der Atmosphäre (Atm) verbunden. In dieser ersten Schaltstellung 18 ist die Drosselklappe 10 in ihrer den maximalen Ladeluftleitungsquerschnitt freigebenden Stellung und das Bypassventil 8 in einer Stellung, welche dem durchgeschalteten modulierten Unterdruck, also dem Ladedruck sollwert p_2,soll entspricht.

In der zweiten Schaltstellung 19 hingegen ist der Unterdruck stellantrieb 9 des Bypassventiles 8 belüftet, und der modulierte Unterdruck wird direkt an den Unterdruckstellantrieb 11 für die Drosselklappe 10 weitergegeben. In dieser zweiten Schaltstel lung 19 ist dann also das Bypassventil 8 vollständig geöffnet und die Drosselklappe 10 in einer Stellung, welche dem durch geschalteten modulierten Unterdruck, also dem Ladedrucksollwert p_2,soll entspricht. Angesteuert wird das Elektromagnetventil 17 über die Steuerleitung 20 von der elektronischen Steuereinheit 12, und zwar in Abhängigkeit des aktuellen Druckes p₂ in der Ansaugleitung 4 stromab der Drosselklappe 10.

Wird nun die Brennkraftmaschine 1 z. B. mit Nullast (Leerlauf) betrieben, so befindet sich das Elektromagnetventil 17 in seiner zweiten Schaltstellung 19, d. h. der Unterdruckstellantrieb 9 für das Bypassventil 8 ist belüftet, das Bypassventil 8 ist also voll geöffnet und der Unterdruck stellantrieb 11 für die Drosselklappe 10 ist direkt mit dem modulierten Unterdruck verbunden. Der Unterdruck in diesem Lastbereich ist dabei so moduliert, daß die Drosselklappe 10 in ihrer Schließstellung ist. (Schließstellung bei der Drossel klappe 10 bedeutet natürlich, daß immer noch ein minimaler Querschnitt der Ladeluftleitung 4 freigegeben ist, da ansonsten keinerlei Luft angesaugt werden könnte, was einen Stillstand der Brennkraftmaschine 1 zur Folge hätte.)

Die Drosselung des Ansaugluftstromes bei luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschinen hat den Vorteil, daß durch eine Reduzierung des in den Brennraum gelangenden Luftmassenstromes eine nur verringerte Auskühlung des Brennraumes gegeben ist, wodurch eine Verbrennung des Kraftstoffes auf einem höheren Temperaturniveau und damit eine Reduzierung der Schadstoff emission gewährleistet ist.

Da in diesem Lastbereich das Bypassventil 8 vollständig geöff net ist, kann sich vor der Turbine 5 auch kein Gegendruck auf bauen, welcher den Abgasturbolader 2 nennenswert antreiben würde. Daß der Verdichter 3 demzufolge gegen eine geschlossene Drosselklappe 10 fördert, ist also ausgeschlossen.

Kommt es nun zu einem positiven Lastwechsel, d. h. wird z. B. Vollast vorgegeben, so wird entsprechend dem kennfeldmäßig er mittelten Ladedrucksollwert p_2,soll die Drosselklappe 10 gemäß dem Diagramm 21 der Fig. 2 in Richtung Öffnungsstellung ge fahren.

In dem Diagramm 21 der Fig. 2 ist auf der Abszisse 22 der Druck p₂ in der Ansaugleitung 4 stromab der Drosselklappe 10 und auf der Ordinate 23 der Steuerunterdruck p_U,BV für das Bypassventil 8 sowie der Steuerunterdruck p_U,DK für die Dros selklappe 10 aufgetragen. In dem Diagramm 21 ist die Steuerun terdruckkurve 24 für das Bypassventil 8 durchgezogen und die Steuerunterdruckkurve 25 für die Drosselklappe 10 gestrichelt dargestellt. Bei noch geschlossener Drosselklappe 10 ist in der Ansaugleitung 4 noch ein starker Unterdruck, also ein niederer Absolutdruck p₂ gegeben. Da nun nach einem positiven Lastwech sel zwar ein zügiger (Vermeidung des sog. "Turboloches") aber dennoch kein schlagartiger Ladedruckaufbau (Fahrkomfort) er wünscht ist, wird also zunächst die Drosselklappe 10 gemäß der Kurve 25 in Richtung Öffnungsstellung bewegt (Pfeil 26). Als Folge davon steigt der Druck p₂ in der Ansaugleitung 4 an. Der Unterdruckstellantrieb 9 des Bypassventiles 8 ist während die ses Zeitraumes ständig belüftet, d. h. das Bypassventil 8 ist ständig geöffnet. Ist schließlich die Drosselklappe 10 in ihrer maximalen Öffnungsstellung angelangt (Grenzdruck p_2,g), so wird von der elektronischen Steuereinheit 12 an das Elektromagnet ventil 17 ein Steuerimpuls ausgegeben, wodurch dieses in seine erste Schaltstellung 18 springt. Ab diesem Zeitpunkt ist nun der Unterdruckstellantrieb 11 für die Drosselklappe 10 belüftet und derjenige 9 für das Bypassventil 8 mit dem Ausgang des elektropneumatischen Druckumsetzers 15 verbunden. Da bei Voll lastvorgabe ein hoher Ladedruck p₂ erwünscht ist (entsprechend dem vorgegebenen Ladedrucksollwert p_2,soll), wird nun der Steuerunterdruck wieder in die entgegengesetzte Richtung wie zuvor beim Ansteuern der Drosselklappe 20 moduliert, d. h. er wird wieder ständig erhöht. Da nun der Unterdruckstellantrieb 9 für das Bypassventil 8 von dem Steuerunterdruck beaufschlagt ist, wird das Bypassventil 8 kontinuierlich in Richtung Schließstellung überführt (Pfeil 27). Damit wird der Anteil des Abgasstromes, welcher über die Turbine strömt, kontinuierlich erhöht, und zwar so lange, bis der vorgegebene Sollwert p_2,soll für den Ladedruck p₂ erreicht ist. Da der Unterdruckstellan trieb 11 für die Drosselklappe 10 in diesem Zeitraum belüftet ist, ist auch gemäß der gestrichelten Kurve 25 die Drossel klappe 10 ständig geöffnet.

Allgemein läßt sich also sagen, daß in dem Fall, daß von der elektronischen Steuereinheit 12 in Abhängigkeit der Eingangs größen ein Ladedrucksollwert p_2,soll vorgegeben wird, der kleiner ist als der Grenzdruck p_2,g, das Bypassventil 8 immer geöffnet ist und die Ladedruckeinstellung bzw. -regelung auf den Sollwert p_2,soll ausschließlich über die Drosselklappe 10 erfolgt. Ist hingegen ein Ladedrucksollwert p_2,soll vorgegeben, der größer ist als der Grenzdruck p_2,g, dann ist die Drossel klappe 10 geöffnet, und die Ladedruckeinstellung bzw. -regelung auf den Sollwert p_2,soll erfolgt ausschließlich über das Bypassventil 8.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei die Bauteile, welche identisch sind mit denen der Vorrichtung nach Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Unter schied zu der Ausführungsform nach der Fig. 1 wird hier jeder Unterdruckstellantrieb 9 bzw. 11 über ein separates 3/2-Wege- Elektromagnetventil 28 bzw. 29 angesteuert, wobei sich die beiden Elektromagnetventile 28 und 29 vom Aufbau her gleichen. Ist der von der elektronischen Steuereinheit 12 vorgegebene Ladedrucksollwert p_2,soll größer als der Grenzdruck p₂ (s. Fig. 2), so befindet sich das Elektromagnetventil 28 in der in der Zeichnung dargestellten ersten Schaltstellung 30, d. h. an dem Unterdruckstellantrieb 9 liegt der modulierte Unterdruck an. Das Elektromagnetventil 29 hingegen ist wie in Fig. 3 zu sehen, in der zweiten Schaltstellung 32, so daß der Anschluß an den modulierten Unterdruck verschlossen und der Unterdruck stellantrieb 11 belüftet ist (Atm). In diesem Bereich erfolgt die Ladedruckregelung also ausschließlich über das Bypassventil 8 bei vollständig geöffneter Drosselklappe 10. Bei Unter schreiten des Grenzwertes p_2,g werden beide Elektromagnetven tile 28 und 29 gleichzeitig über die Steuerleitung 34 von der elektronischen Steuereinheit 12 aus umgeschaltet, d. h. das Ventil 28 springt in seine zweite 31 und das Ventil 29 in seine erste Schaltstellung 33. Damit liegt der modulierte Unterdruck nun an dem Unterdruckstellantrieb 11 für die Drosselklappe 10 an, und der Unterdruckstellantrieb 9 für das Bypassventil 8 ist belüftet. Die Leitung 38, welche den modulierten Unterdruck an das Ventil 28 legt, ist in dieser Schaltstellung 31 natürlich verschlossen. Damit erfolgt die Druckregelung in der Ansaug leitung 4 stromab der Drosselklappe 10 ausschließlich über die Drosselklappe 10 selbst. Das Bypassventil 8 ist vollständig geöffnet.

Mit dieser Vorrichtung ist also ebenso gewährleistet, daß bei Unter- bzw. bei Überschreiten des Grenzdruckes p_2,g sofort von der Ladedruckregelung über das eine Ventilelement (Drossel klappe 10 bzw. Bypassventil 8) auf die Ladedruckregelung über das jeweils andere Ventilelement (Bypassventil 8 bzw. Drossel klappe 10) umgeschaltet wird. Eine gleichzeitige Betätigung von Drosselklappe 10 und Bypassventil 8 ist somit bei den beiden Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 ausgeschlossen.

Mit der Ausführung nach der Fig. 4 hingegen ist es möglich, im Übergangsbereich von p_2,g beide Ventilelemente 10 und 8 gleichzeitig anzusteuern (s. Diagramm in Fig. 5). Dies wird dadurch realisiert, daß die beiden Elektromagnetventile 28 und 29 nicht wie nach Fig. 3 über nur eine gemeinsame Steuerlei tung angesteuert werden, sondern über zwei voneinander unab hängige Steuerleitungen 36 und 37 . Somit ist es möglich, daß der modulierte Unterdruck zum gleichen Zeitpunkt sowohl an dem Unterdruckstellantrieb 11 für die Drosselklappe 10 als auch an dem 9 für das Bypassventil 8 anliegt. Damit läßt sich ein weicherer Übergang 38 realisieren (s. Diagramm 39 in Fig. 5).

Die Ermittlung des Ladedrucksollwertes p_2,soll kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch in Abhängigkeit weiterer Parameter, wie z. B. der Ansauglufttemperatur, der Höhe, in welcher das Fahrzeug bewegt wird etc., ermittelt werden.

Anstelle eines elektropneumatischen Druckumsetzers ist es ebenso denkbar, einen rein pneumatisch wirkenden Druckumsetzer zu verwenden, welchem statt eines dem Ladedrucksollwert ent sprechenden elektrischen Signals ein diesem Sollwert entspre chendes Drucksignal zugeführt wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Steuerung von in Abhängigkeit eines Parame ters zu betätigender Drosselklappe und eines Regulierventils einer abgasturboaufgeladenen luftverdichtenden Brennkraftma schine mit einem dem Parameter entsprechenden Signal in ein Drucksignal zur Betätigung der Drosselklappe wandelnden Druckumsetzer, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine schaltbare, das Drucksignal des Druckumsetzers (15) über Druckantriebe (9, 11) bedarfsweise an das Regulierventil (8) und/oder an die Drosselklappe (10) wei terleitende Ventileinrichtung (17; 28, 29) vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasstrom der abgasturboaufgeladenen luftverdichtenden Brennkraftmaschine (1) zuerst das Regulierventil (8) und des weiteren eine in der Ansaugleitung (4) stromab des Verdichters (3) angeordnete Drosselklappe (10) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckumsetzer ein von einer elektronischen Steuerein heit (12) ansteuerbarer elektropneumatischer, den von einer Unterdruckquelle (16) erzeugten Unterdruck in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) modulierender Druckumsetzer (15) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Ventileinrichtung ein von einer elektro nischen Steuereinheit (12) ansteuerbares, in seiner ersten Schaltstellung (18) das Drucksignal des Druckumsetzers (15) an einen Unterdruckstellantrieb (9) zur Betätigung des Regulier ventils (8) und in seiner zweiten Schaltstellung (19) das Drucksignal an einen Unterdruckstellantrieb (11) zur Betätigung der Drosselklappe (10) durchschaltendes Elektromagnetventil (17) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektromagnetventil (17) ein 4/2-Wege-Ventil ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksignal des Druckumsetzers (15) an einem ersten und an einem zweiten Elektromagnetventil (28, 29) anliegt, wobei über das erste Elektromagnetventil (28) das Drucksignal an ei nen Unterdruckstellantrieb (9) zur Betätigung des Regulierven tils (8) und über das zweite Elektromagnetventil (29) das Drucksignal an einen Unterdruckstellantrieb (11) zur Betätigung der Drosselklappe (10) durchschaltbar ist (erste Schaltstellung 30 bzw. 33), daß beide Elektromagnetventile (28, 29) über eine elektrische Steuerleitung (34) von einer elektronischen Steu ereinheit (12) ansteuerbar sind und daß sich jeweils immer ei nes der beiden Elektromagnetventile (28, 29) in seiner ersten (30 bzw. 33) und das andere in seiner zweiten Schaltstellung (31 bzw. 32) befindet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksignal des Druckumsetzers (15) an einem ersten und an einem zweiten Elektromagnetventil (28, 29) anliegt, wobei über das erste Elektromagnetventil (28) das Drucksignal an ei nen Unterdruckstellantrieb (9) zur Betätigung des Regulierven tils (8) und über das zweite Elektromagnetventil (29) das Drucksignal an einen Unterdruckstellantrieb (11) zur Betätigung der Drosselklappe (10) durchschaltbar ist (erste Schaltstellung 30 bzw. 33), daß jedes der Elektromagnetventile (28, 29) über eine separate elektrische Steuerleitung (36, 37) von einer elektronischen Steuereinheit (12) ansteuerbar ist und daß sich im wesentlichen jeweils immer eines der beiden Elektromagnet ventile (28, 29) in seiner ersten (30 bzw. 33) und das andere in seiner zweiten Schaltstellung (31 bzw. 32) befindet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Elektromagnetventil (28, 29) je ein 3/2-Wege-Ventil ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Unterdruckstellantrieb (9 bzw. 11), welcher von dem Drucksignal des Druckumsetzers (15) abgetrennt ist, belüf tet ist.