DE19708721A1 - Turbocharger system for IC engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufladesystem für eine luftverdichtende Brenn kraftmaschine, bestehend aus einem ersten Turbolader, der aus einer Abgasturbine und einem ersten Verdichter gebildet wird, wobei in einem Saugstutzen des ersten Verdich ters eine schwenkbare Klappe angeordnet ist und in den Saugstutzen zwischen Klappe und erstem Verdichter ein Druckstutzen eines zweiten Verdichters mündet.The invention relates to a charging system for an air-compressing combustion Engine consisting of a first turbocharger consisting of an exhaust gas turbine and a first compressor is formed, wherein in a suction port of the first compressor ters a pivotable flap is arranged and in the suction port between the flap and the first compressor opens a pressure port of a second compressor.
Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens der Aufladung beim Hochfahren der Brenn kraftmaschine ist es bekannt, einem ersten Turbolader einem zweiten Turbolader vor zuschalten. 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 Turbola der 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 Aufla dung in Hinblick auf Rußbildung unbefriedigend ist. (DE 43 31 943 C2).To improve the response of the charging when the burner starts up It is known from the engine to precede a first turbocharger to a second turbocharger switch on. The second turbocharger is much smaller than the normal one Operation intended first turbocharger. The discharge port of the second compressor Turbocharger opens into the intake port of the compressor of the first turbocharger. in the A swiveling flap is also provided for the suction port of the first turbocharger. When starting up the internal combustion engine, the smaller, second turbola should start that respond and deliver charge air as a pilot charge. With increasing amount of exhaust gas the first turbocharger also comes into action. With a controllable exhaust flap, the Turbine bypassed the second turbocharger, so that only the first turbocharger in Operation is. Experiments have shown that the response behavior of the Aufla is unsatisfactory with regard to soot formation. (DE 43 31 943 C2).
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 bauli che Aufwand exorbitant wird.The invention is based on a charging system according to the generic term the task of improving the charging system so that the soot formation at Startup of the internal combustion engine is suppressed without the bauli effort becomes exorbitant.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der zweite Verdichter durch einen Elektromo tor angetrieben wird und daß die Klappe steuerbar ist. This problem is solved in that the second compressor by an electromo Tor is driven and that the flap is controllable.
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 Nutzfahr zeuge von entscheidender Bedeutung ist. Als Fremdenergiequelle reicht die Fahrzeug batterie.Pilot charging is achieved by the electrically operated second compressor which in a feedback with the internal combustion engine a rapid start-up without significant soot formation enables. The construction effort remains reasonable Limits what a mass article, such as an internal combustion engine for commercial vehicles is vitally important. The vehicle is sufficient as a source of external energy battery.
Vorteilhafte Steuerungsmöglichkeiten des Elektromotors in Abhängigkeit der Stellung des Fahrpedals und von Parametern der Brennkraftmaschine, bzw. deren Kennfeld, können den Unteransprüchen 2 bis 12 entnommen werden.Advantageous control options for the electric motor depending on the position the accelerator pedal and parameters of the internal combustion engine or its map, can be found in subclaims 2 to 12.
Mit Hilfe der Steuerung des Elektromotors können verschiedene Ziele realisiert wer den. So kann eine Erhöhung des Beschleunigungsvermögens durch schnellere Steige rung des Ladedrucks erreicht werden.With the help of the control of the electric motor, different goals can be achieved the. For example, an increase in acceleration due to faster climbing charge pressure can be reached.
Ein weiteres Ziel ist die Reduzierung der Rauchentwicklung beim Hochfahren der Brennkraftmaschine.Another goal is to reduce smoke development when starting up Internal combustion engine.
Beide Wirkungen lassen sich kombinieren, ggf. in kompromißbedingt geringerem Um fang.Both effects can be combined, possibly in a lower order due to compromise catch.
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 Geräusch verhalten sowie Drehmomententfaltung des Motors während der Beschleunigung erreicht.The electrically driven compressor is used in combination with the delay or with the early adjustment of the fuel injection during the transient Phases, in particular the starting phases of the vehicle, advantageously used in such a way that the spray start adjustment at the same time as the activation of the electric motor he follows. This will further optimize exhaust and noise behavior and torque development of the engine during acceleration reached.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aufladesystems ist an Hand einer Zeichnung dargestellt. An embodiment of a charging system according to the invention is based on a Drawing shown.
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.An internal combustion engine 1 is equipped with a first exhaust gas turbocharger 2 , which consists of an exhaust gas turbine 3 and a first compressor 4 . The air is sucked in through a suction nozzle 5 , which can be closed with a flap 6 .
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.A charging group 7 , consisting of a second compressor 8 and electric motor 9 , is connected upstream of the turbocharger 2 , a pressure connection 10 of the second compressor 8 opening into the suction connection 5 of the first compressor 4 downstream of the flap 6 . The compressor 8 is advantageously designed as a radial compressor, since it can be brought up to high speed quickly because of its low mass moment of inertia and because of its initially low mass throughput in the lower speed range.
Beim Hochfahren der Brennkraftmaschine 1 wird zunächst der zweite Verdichter 8 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 Abgas menge und Abgasenthalpie, so daß der Turbolader 2 sehr viel schneller als ohne die Wirkung der Ladegruppe 7 hochfährt.When the internal combustion engine 1 is started up, the second compressor 8 is first driven by the electric motor 9 and delivers pre-compressed air into the suction area of the first compressor 4 . From there, the pre-compressed air reaches a charge air line 11 . A charge air cooler 12 can be provided for cooling the charge air. Through the feedback with the internal combustion engine 1 , the amount of exhaust gas and the enthalpy of exhaust gas increases very quickly, so that the turbocharger 2 starts up much more quickly than without the effect of the charging group 7 .
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.As soon as the first compressor 4 of the turbocharger 2 works sufficiently, the flap 6 can be opened and the electric motor 9 can be switched off. The turbocharger 2 then takes over the charging alone.
Die Klappe 6 kann in einfachster Weise als eine Rückschlagklappe ausgebildet sein, die selbsttätig öffnet, sobald der erste Verdichter 4 für entsprechenden Unterdruck sorgt.The flap 6 can be designed in the simplest way as a non-return flap, which opens automatically as soon as the first compressor 4 provides the corresponding negative pressure.
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. A control device 13 is provided for controlling the electric motor 9 . This works depending on an accelerator pedal 14 and parameters of the internal combustion engine, such as. B. charge air pressure and / or speed, which are detected by a first sensor 15 and a second sensor 16 .
Der Elektromotor 9 kann natürlich auch von einem Motorkennfeld so gesteuert wer den, 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.The electric motor 9 can of course also be controlled by an engine map so that it is only activated in a certain area of the map in which the air throughput of the first compressor 4 of the exhaust gas turbocharger 2 is no higher than that of the upstream second compressor 8 . This state can be derived, for example, from the position of the flap 6 designed as a non-return flap and transmitted to the control device 13 by means of a position sensor 19 .
Durch reichliche Zufuhr von Ladeluft kann Rußbildung weitgehend unterdrückt wer den. Zur Abstimmung der eingespritzten Brennstoffinenge auf die Ladeluftmenge und des Zeitpunktes des Einspritzbeginns kann erfindungsgemäß eine Einspritzpumpe 17 mittels einer zweiten Steuerung 18 geregelt werden. Brennstoffinenge 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 wer den.Sufficient formation of charge air can largely suppress soot formation. To match the amount of fuel injected to the amount of charge air and the time of the start of injection, an injection pump 17 can be regulated according to the invention by means of a second controller 18 . Fuel quantity and time of the start of injection can be derived from the position of the accelerator pedal 14 , from the signal of a charge air pressure sensor 15 and from the signal of a speed sensor 16 .
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.The timing of the increase in the injection quantity can alternatively be determined as a function of the charge air pressure buildup generated by the compressor 8 . The injection quantity increase is actuated with a delay of 0.1 to 0.8 s compared to the activation of the electric motor 9 .
Erfindungsgemäß ist der bauliche Mehraufwand relativ gering und besteht eigentlich nur in der Ladegruppe 7. Die Energiezufuhr bezieht der Elektromotor 9 aus der ohne hin vorhandenen Fahrzeugbatterie 9a. Besonders auf dem Nutzfahrzeugsektor ist der bauliche Aufwand und der daraus resultierende finanzielle Mehraufwand sehr ent scheidend im Hinblick auf die Konkurrenzfähigkeit des Produkts.According to the invention, the additional construction effort is relatively low and actually only exists in the loading group 7 . The power supply is drawn by the electric motor 9 from the vehicle battery 9 a which is not present. In the commercial vehicle sector in particular, the structural effort and the resulting additional financial expenditure are very important with regard to the competitiveness of the product.
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