DE3506106A1 - Method for controlling the power output of an exhaust turbocharger supplying a valve-timed internal combustion engine - Google Patents
Method for controlling the power output of an exhaust turbocharger supplying a valve-timed internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
ΑυόιΑυόι
Ingolstadt, den 9. Februar 1984 _ audi NSU auto unionIngolstadt, February 9, 1984 _ audi NSU auto union
IP 1891 Za/Fr -3- AktiengesellschaftIP 1891 Za / Fr -3- Aktiengesellschaft
Verfahren zum Steuern der Leistung eines eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine versorgenden Abgasturboladers .Method for controlling the output of an exhaust gas turbocharger supplying a valve-controlled internal combustion engine .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Leistung eines eine ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit vorverdichteter Verbrennungsluft versorgenden Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for controlling the output of a valve-controlled internal combustion engine with pre-compressed combustion air supplying exhaust gas turbocharger according to the generic term of Claim 1.
Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader sinkt bei schwacher Last sowie je nach Auslegung des Turboladers auch bei Vollast und niederer Drehzahl infolge des geringen Abgasangebots der Brennkraftmaschine der Ladedruck ab. Beim nachfolgenden Beschleunigen der Brennkraftmaschine entsteht dann ein gewisser Zeitverzug, bis der gewünschte Ladedruck wieder erreicht ist.In the case of internal combustion engines with exhaust gas turbochargers, it decreases when the load is low and depending on the design of the turbocharger the boost pressure decreases even at full load and at low speed due to the low exhaust gas supply of the internal combustion engine. During the subsequent acceleration of the internal combustion engine, there is then a certain time delay until the desired one Boost pressure is reached again.
Es wurden bereits Vorschläge gemacht, die zur Anhebung der Leistung des Abgasturboladers im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine und zur Vermeidung der unerwünschten Verzögerung zwischen Gasgeben und Einsetzen des vollen Drehmoments beitragen sollen. Zumeist beziehen sich diese auf einen sogenannten Zweit- oder Fremdantrieb. Dieser Zweitantrieb kann unmittelbar mechanisch von der Brennkraftmaschine aus, hydraulisch oder elektrisch bewerkstelligt werden. Derartige Zweitantriebe sind jedoch relativ aufwendig und zudem kompliziert adaptierbar.Proposals have already been made to increase the performance of the exhaust gas turbocharger in the lower speed range the internal combustion engine and to avoid the undesired delay between accelerating and starting should contribute the full torque. In most cases, these relate to a so-called second or external drive. This second drive can be brought about directly mechanically from the internal combustion engine, hydraulically or electrically will. Such secondary drives are, however, relatively expensive and can also be adapted in a complicated manner.
Bekannt sind auch Eingriffe und Maßnahmen an den Abgasleitungen der Brennkraftmaschine (Stoßaufladung etc.), allerdings können auch diese Maßnahmen das beschriebene Verhalten der aufgeladenen Brennkraftmaschine infolge des zu geringen Energieangebotes im Abgas nicht ausgleichen.Interventions and measures on the exhaust lines of the internal combustion engine (shock charging etc.), but these measures can also change the behavior of the supercharged internal combustion engine described not compensate due to the insufficient amount of energy in the exhaust gas.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Leistung des Abgasturboladers bzw. der Ladedruck bei Teillast sowie erforderlichenfalls im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine auch bei Vollast verbessert werden kann.The object of the invention is to show a generic method with which the performance of the exhaust gas turbocharger or the boost pressure at partial load and, if necessary, in the lower speed range of the Internal combustion engine can be improved even at full load.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Durch die verfahrungsgemäße Vorverlegung des Öffnungsbeginns der Auslaßventile - welche je nach Bauart der Brennkraftmaschine Hubventile, Drehschieber oder dgl. sein können - wird energiereicheres Abgas aus den Zylindern der Brennkraftmaschine an die Abgasturbine des Abgasturboladers abgeführt, so daß dessen Leistung erhöht wird. Dementsprechend nimmt die Drehzahl des Abgasturboladers bzw. der Ladedruck stromab des Verdichters zu, wodurch bei Bedarf (z. B. beim Beschleunigen in Vollaststellung des Leistungssteuergliedes) sofort ein hohes Drehmoment der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht.This object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1. By moving forward the start of opening of the exhaust valves according to the method - which depending on the type of Internal combustion engine lift valves, rotary slide valves or the like. Be energy-rich exhaust gas from the Cylinders of the internal combustion engine discharged to the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger, so that its performance is increased. The speed of the exhaust gas turbocharger or the boost pressure downstream of the compressor increases accordingly to, whereby if necessary (e.g. when accelerating in full load position of the power control element) a high torque of the internal combustion engine is immediately available.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für quantitativ gesteuerte als auch für qualitativ gesteuerte Brennkraftmaschinen einsetzbar.The method according to the invention is for both quantitatively controlled and qualitatively controlled Internal combustion engines can be used.
Die Verstellung der Auslaßventile kann beispielsweise abhängig von der Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine, der Drehzahl des Turboladers oder abhängig vom Druck im Saugrohr stromab des Verdichters des Turboladers erfolgen.The adjustment of the exhaust valves can, for example, depend on the speed (s) of the internal combustion engine, the speed of the turbocharger or depending on the pressure in the intake manifold downstream of the compressor of the turbocharger take place.
Die Frühverstellung der Auslaßventile erfolgt vorteilhaft nach einem Kennfeld entsprechend der Last, der Drehzahl, der Temperatur der Brennkraftmaschine, der Temperatur der Abgasturbine (überhitzung) sowie erforderlichenfalls weiterer Betriebsparameter.The advance adjustment of the exhaust valves is advantageously carried out according to a map corresponding to the load, the speed, the temperature of the internal combustion engine, the temperature of the exhaust gas turbine (overheating) and if necessary, further operating parameters.
Mit den Merkmalen des Anspruches 2 wird erreicht, daß auch bei abnehmender Last also beispielsweise bei Schließen der Drosselklappe, eine hohe Drehzahl des Turboladers beibehalten wird. Dies hat den Vorteil, daß beim öffnen der Drosselklappe sofort der volle Ladedruck zur Verfügung steht.With the features of claim 2 it is achieved that even with decreasing load so for example at Closing the throttle valve, a high speed of the turbocharger is maintained. This has the advantage that when the throttle valve is opened, the full boost pressure is immediately available.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird eine Drehmomenterhöhung im unteren Drehzahlbereich bei hoher Last erzielt. Insgesamt führen die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 dazu, daß das Betriebsverhalten einer mit Abgasturbolader ausgerüsteten Brennkraftmaschine dem eines hubraumstärkeren Saugmotores sehr ähnlich wird.With the features of claim 3, an increase in torque is achieved in the lower speed range at high load. Overall, the features of claims 2 and 3 mean that the operating behavior of an exhaust gas turbocharger equipped internal combustion engine is very similar to that of a larger displacement naturally aspirated engine.
Gemäß den Merkmalen des Anspruches 4 kann die Frühverstellung des Öffnungsbeginns der Auslaßventile geregelt erfolgen, indem der Ladedruck gemessen wird und die Frühverstellung dann derart erfolgt, daß ein vorbestimmter, von Betriebsparametern des Motors abhängiger Ladedruck aufrecht erhalten wird.According to the features of claim 4, the advance adjustment of the start of opening of the exhaust valves can be regulated take place by measuring the boost pressure and the advance is then carried out in such a way that a predetermined, boost pressure dependent on operating parameters of the engine is maintained.
Die Verstellung des Öffnungsbeginns der Auslaßventile kann entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche 5 und 6 vollzogen werden.The adjustment of the start of opening of the exhaust valves can according to the features of the claims 5 and 6 are carried out.
Eine Verstellung nur der Auslaßnocken bei einer Ein- und Auslaßnocken tragenden Nockenwelle kann beispielsweise der auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden DE-OS 27 47 884 entnommen werden.An adjustment of only the exhaust cams in a camshaft carrying intake and exhaust cams can, for example from DE-OS 27 47 884, which goes back to the same applicant.
Bei Doppelnockenwellen-Brennkraftmaschinen kann eine Verstellung entsprechend der DE-OS 33 16 162 erfolgen; jedoch sind auch Verstellmechanismen denkbar, die auf die Nockenwellen-Antriebsmittel (Zahnriemen, Kette etc.) wirken.In the case of double-camshaft internal combustion engines, adjustment can be made in accordance with DE-OS 33 16 162; however, adjustment mechanisms are also conceivable that act on the camshaft drive means (toothed belt, Chain etc.) work.
Es versteht sich jedoch, daß sich die Erfindung mit geringstem Aufwand an derartigen Brennkraftmaschinen verwirklichen läßt, die bereits mit einer variablen Ventilsteuerung versehen sind. Die Ventilsteuerung kann dabei - wie bereits des öfteren vorgeschlagen mechanisch, hydraulisch und/oder elektrisch betrieben sein. In diesem Falle sind die erfindungsgemäßen Maßnahmen lediglich in die bereits vorhandene Steuerlogik zu integrieren.It goes without saying, however, that the invention can be applied to such internal combustion engines with very little effort can be realized, which are already provided with a variable valve control. The valve control can be operated mechanically, hydraulically and / or electrically - as has already been suggested several times be. In this case, the measures according to the invention are only integrated into the control logic that is already in place to integrate.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt inAn embodiment of the invention is explained in more detail below with further details. The schematic Drawing shows in
Fig. 1 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Viertakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Doppelnockenwellen im Querschnitt und1 shows a four-stroke internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger operated according to the method according to the invention and double camshafts in cross section and
Fig. 2 eine Ansicht auf die mittels eines Zahnriemens angetriebenen Doppelnockenwellen mit erfindungsgemäßer Verstellvorrichtung.2 shows a view of the double camshafts driven by means of a toothed belt and having a camshaft according to the invention Adjusting device.
Eine Hubkolben-Brennkraftmaschine 2 ist mit einem Abgasturbolader 4 versehen, dessen Abgasturbine - 6 über eineA reciprocating internal combustion engine 2 is provided with an exhaust gas turbocharger 4, the exhaust gas turbine - 6 via a
Abgasleitung 8 rait dem Abgas der Brennkraftmaschine 2 versorgt wird.Exhaust pipe 8 raits the exhaust gas from internal combustion engine 2 is supplied.
Die Abgasturbine 6 treibt einen Verdichter 10, der die Brennkraftmaschine über eine Leitung 12 mit verdichteter Verbrennungsluft versorgt. In der Leitung 12 ist eine Drosselklappe 13 zur Leistungssteuerung der Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Brennstoffzumeßeinrichtung ist nicht dargestellt.The exhaust gas turbine 6 drives a compressor 10, which compresses the internal combustion engine via a line 12 Combustion air supplied. In line 12 there is a throttle valve 13 for power control the internal combustion engine provided. The fuel metering device is not shown.
Der Ladungswechsel der Brennkraftmaschine 2 wird je Zylinder 14 durch ein in einem Zylinderkopf 16 gelagertes Einlaßventil 18 und ein Auslaßventil 20 bewirkt. Die Ventile 18, 20 werden durch auf zwei Nockenwellen 22, 24 befindliche Einlaßnocken 26 und Auslaßnocken 28 betätigt.The gas exchange of the internal combustion engine 2 is carried out for each cylinder 14 by means of a cylinder head 16 Inlet valve 18 and an outlet valve 20 causes. The valves 18, 20 are through on two camshafts 22, 24 located inlet cams 26 and exhaust cams 28 actuated.
Von der Abgasleitung 8 zweigt stromauf der Abgasturbine 6 eine Bypass-Leitung 30 ab, in welche ein Bypassventil 32 eingeschaltet ist. Das Bypassventil 32 beginnt bei Erreichen eines maximalen Ladedruckes in der Leitung 12 zu öffnen, so daß eine Teilmenge der aus der Brennkraftmaschine 2 austretenden Abgase vor der Abgasturbine 6 abgezweigt werden. Eine in der Leitung 12 vorgesehene KurzSchlußleitung 34 mit einem federbelasteten Rückschlagventil 36 soll in bestimmten Betriebszuständen ein Pumpen des Verdichters verhindern.A bypass line 30 branches off from the exhaust line 8 upstream of the exhaust gas turbine 6, into which a bypass valve 32 is switched on. The bypass valve 32 begins when a maximum boost pressure is reached in the line 12 to open, so that a subset of the exhaust gases emerging from the internal combustion engine 2 in front of the exhaust gas turbine 6 be branched off. A short-circuit line 34 provided in line 12 with a spring-loaded check valve 36 is intended to prevent the compressor from pumping in certain operating states.
Die beiden Nockenwellen 22, 24 (vgl. Fig. 2) werden mittels eines Zahnriemens 38 von der Kurbelwelle 40 der Brennkraftmaschine 2 angetrieben. Dazu sind an den Enden der entsprechenden Wellen Zahnräder 42, 44, 46 befestigt, in die der Zahnriemen eingreift. Der Zahnriemen 38 wird mittels einer federbelasteten Spannrolle 48 unter einer definierten Spannung gehalten.The two camshafts 22, 24 (see. Fig. 2) are by means of a toothed belt 38 of the crankshaft 40 of Internal combustion engine 2 driven. For this purpose, gears 42, 44, 46 are attached to the ends of the corresponding shafts, into which the toothed belt engages. The toothed belt 38 is by means of a spring-loaded tensioning roller 48 under a defined tension.
Zwischen den beiden Nockenwellen 22, 24 greift an den Zahnriemen 38 eine Verstellrolle 50 an, mit deren Hilfe über einen an dem Zylinderkopf 16 drehbar gelagerten Winkelhebel 52 die Länge des zwischen den beiden Nockenwellen befindlichen Zahnriemen-Trums veränderbar ist.An adjusting roller 50 engages the toothed belt 38 between the two camshafts 22, 24, with the aid of which Via an angle lever 52 rotatably mounted on the cylinder head 16, the length of the between the two camshafts located toothed belt run is changeable.
An dem Winkelhebel 52 greift anderenends eine Kolben-Zylinder-Einheit 54 an, die die Verstellung des Winkelhebels 52 bewirkt. Die Kolben-Zylinder-Einheit 54 bzw. deren Arbeitsraum 62 wird von der Schmierölpumpe 56 der Brennkraftmaschine 2 über ein Taktventil 58 und eine Leitung 60 mit Drucköl beaufschlagt. Das Taktventil 58 steuert abhängig von seiner Taktfrequenz den Öldruck in den Arbeitsraum 62, in dem es einen Uberströmquerschnitt (nicht dargestellt) zwischen der Leitung 64 von der Schmierölpumpe und einer Leitung zum drucklosen ölsumpf mehr oder weniger aufsteuert.At the other end of the angle lever 52, a piston-cylinder unit engages 54, which effects the adjustment of the angle lever 52. The piston-cylinder unit 54 or its working space 62 is controlled by the lubricating oil pump 56 of the internal combustion engine 2 via a clock valve 58 and a line 60 pressurized with oil. The clock valve 58 controls depending on its clock frequency the oil pressure in the working chamber 62, in which there is an overflow cross-section (not shown) between line 64 from the lubricating oil pump and a line more or less opens up to the pressureless oil sump.
Die Steuerung des Taktventiles 58 erfolgt über eine Steuerelektronik 68 mit einem Taktgenerator und einem Mikroprozessor, in dem die nach einem Kennfeld abgespeicherten Daten verarbeitet werden. Der Steuerelektronik 68 werden ständig die von nicht dargestellten Sensoren ermittelten Daten Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine, Last o6 der Brennkraftmaschine, Druck P in der Verbrennungsluft-Leitung 12 stromab des Verdichters 10 jedoch stromauf der Drosselklappe 13 zugeführt.The control of the clock valve 58 takes place via control electronics 68 with a clock generator and a microprocessor, in which the data stored according to a map are processed. The control electronics 68 are continuously supplied with the data determined by sensors (not shown), speed (n) of the internal combustion engine, load o6 of the internal combustion engine, pressure P in the combustion air line 12 downstream of the compressor 10 but upstream of the throttle valve 13.
Diese Daten werden in der Steuerelektronik 68 nach Maßgabe des abgespeicherten Kennfeldes verarbeitet und die entsprechende Vorverlegung des Öffnungsbeginns der Auslaßventile 20 durch Verschwenken des Winkelhebels 52 im Uhrzeigersinn gesteuert. Dabei wird durch entsprechende Frequenzsteuerung des Taktventiles 58 der Schmieröldruck im Arbeitsraum 62 der Kolben-Zylinder-Einheit 54 erhöhtThese data are processed in the control electronics 68 in accordance with the stored characteristics map and the corresponding advancement of the start of opening of the exhaust valves 20 by pivoting the angle lever 52 in Controlled clockwise. The lubricating oil pressure is thereby set by appropriate frequency control of the clock valve 58 increased in the working chamber 62 of the piston-cylinder unit 54
und somit der Winkelhebel 52 unter Überwindung der vorspannung der federbelasteten Spannrolle 48 entsprechend verstellt. Durch die damit bewirkte Verlängerung des zwischen den beiden Nockenwellen 22, befindlichen Zahnriemen-Trums wird die die Auslaßnocken 26 tragende Nockenwelle 22 zur Drehrichtung vorverstellt, wodurch entsprechend der Öffnungsbeginn der Auslaßventile 18 vorverstellt ist. Eine entgegengerichtete Zurückstellung der Nockenwelle 22 erfolgt, in dem durch Verändern der Taktfrequenz des Taktventiles 58 der Öldruck im Arbeitsraum 62 vermindert wird. Die Rückstellkraft wird dabei von der federbelasteten Spannrolle 48, welche in jeder Verstellphase eine gleichmäßige Spannung des Zahnriemens 38 aufrecherhält, erzeugt.and thus the angle lever 52, overcoming the pretension of the spring-loaded tensioning roller 48 accordingly adjusted. The resulting extension of the between the two camshafts 22, located toothed belt run, the camshaft 22 carrying the exhaust cams 26 is advanced to the direction of rotation, whereby the start of opening of the exhaust valves 18 is advanced accordingly. An opposing one The camshaft 22 is reset by changing the clock frequency of the clock valve 58 the oil pressure in the working chamber 62 is reduced. The restoring force is taken from the spring-loaded one Tensioning roller 48, which maintains an even tension of the toothed belt 38 in every adjustment phase, generated.
Wird beispielsweise die Drosselklappe 13 geschlossen, go würde aufgrund der geringen Abgasenergie der Ladedruck ( P ) in der Verbrennungslufleitung 12 absinken. Durch die erfolgende Vorverstellung des Öffnungsbeginns der Auslaßventile 18 wird jedoch ein energiereicheres, weil in den Zylindern 14 der Brennkraftmaschine 2 noch nicht voll entspanntes Abgas über die Leitung 8 der Abgasturbine 6 zugeführt und dadurch die Drehzahl des Abgasturboladers 4 bzw. der Ladedruck in der Leitung 12 erhöht. Bei einer nachfolgenden, abrupten Erhöhung der Last (volle öffnung der Drosselklappe 13) liegt dann bereits ein Ladedruck vor, der ein hohes Drehmoment der Brennkraftmaschine und eine entsprechende Beschleunigung sicherstellt. Mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine wird dann sukzessive die Vorverstellung der Auslaßventile 18 zurückgenommen.If, for example, the throttle valve 13 is closed, the boost pressure ( P) in the combustion air line 12 would drop due to the low exhaust gas energy. Due to the advance adjustment of the start of opening of the exhaust valves 18, however, a more energetic exhaust gas, because not yet fully expanded in the cylinders 14 of the internal combustion engine 2, is fed via the line 8 to the exhaust gas turbine 6 and thereby the speed of the exhaust gas turbocharger 4 and the boost pressure in the line 12 elevated. In the event of a subsequent, abrupt increase in the load (full opening of the throttle valve 13), a boost pressure is then already present which ensures a high torque of the internal combustion engine and a corresponding acceleration. As the engine speed increases, the advance of the exhaust valves 18 is then gradually withdrawn.
Es versteht sich, daß zahlreiche Ausgestaltungen der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich sind. Beispielsweise kann ein Schalter vorgesehen sein, mit Hilfe dessen die Frühverstellung der Auslaßöffnung bei zunehmendem Schließen der Drosselklappe unterdrückbar ist und nur die Vollastfrühverstellung bei absinkender Drehzahl erhalten bleibt. Die erstgenannte Art der Frühverstellung verbessert zwar das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine; es ist jedoch im allgemeinen mit einer Verbrauchserhöhung im Teillastbereich zu rechnen.It goes without saying that numerous configurations of the device for performing the method according to the invention possible are. For example, a switch can be provided with the aid of which the advance adjustment the outlet opening can be suppressed as the throttle valve closes and only the full-load early adjustment is maintained when the speed drops. The first-mentioned type of advance adjustment improves the response of the internal combustion engine; however, it is generally associated with an increase in consumption Partial load range to be expected.
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Claims (6)
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