Einrichtung und Verfahren zur Frischluftversorgung einer turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Frischluftversorgung einer turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die Frischluftversorgungseinrichtungen der erfindungsgegenständlichen Art werden zur Unterstützung von Abgasturboladern eingesetzt. Insbesondere im unteren Drehzahlbereich einer turboaufgeladenen selbstzündenden Kolbenbrennkraftmaschine kann der angeschlossene Abgasturbolader mangels ausreichender Antriebsenergie meist nicht den erforderlichen Ladedruck leisten. Bemerkbar für den Fahrer machen sich diese Umstände beim Gasgeben aus einer niederen Drehzahl heraus, was als so genannter Turbolocheffekt bekannt ist. Zur Kompensation dieses Turbolocheffekts wird in der Bedarfssituation zusätzliche Druckluft ausgehend von einem Druckluftvorrat des Kraftfahrzeuges in das Saugrohr der Kolbenkraftmaschine eingegeben. Viele Kraftfahrzeugarten, wie Nutzfahrzeuge oder Omnibusse verfugen sowieso über ein Druckluftnetz, woraus u.a. die pneumatische Bremsanlage gespeist wird.

Aus der WO 2005/064134 Al geht eine gattungsgemäße Frischluftversorgungseinrichtung für eine turboaufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine hervor. Die über einen Abgasturbolader komprimierte Ladeluft gelangt im Sinne einer Abgasrückfuhrung (AGR) über ein Saugrohr in den Zylinderraum. Seitlich in das Saugrohr mündet weiterhin eine Druckluftleitung ein, welche über ein Ventil elektronisch gesteuert geöffnet oder geschlossen wird. Um den Turbolocheffekt zu kompensieren, wird das Ventil geöffnet, so dass die externe Druckluft, welche

hier aus dem Druckluftspeicher des Druckluftsystems entnommen ist, in den Saugraum gelangt. Um ein Rückströmen dieser zusätzlich eingegebenen Druckluft zu vermeiden, ist in das Saugrohr vor dem Turbolader ein zwangsbetätigtes Rückschlagventil angeordnet.

Dieses Rückschlagventil kann als eine Klappe in der Saugleitung ausgebildet werden. Die Zwangsbetätigung einer Klappe, angeordnet in der Saugleitung, wird üblicher Weise durch einen elektronisch gesteuerten Elektromotor gelöst. In der US 4,624,228 wird für Diesel- Motoren mit AGR- Vorrichtung vorgeschlagen, in der Saugleitung eine Klappe anzuordnen, die während des Kaltstarts des Diesel-Motors in die Richtung Schließen betätigt wird, sonst ist sie im Normalbetrieb vollkommen geöffnet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Frischgasversorgungseinrichtung für turboaufgeladene, mit einer AGR-Vorrichtung versehene Kolbenbrennkraftmaschinen zu schaffen, die mit Drucklufteinblasevorrichtung ausgerüstet ist, welche universell bei turboaufgeladenen, selbstzündenden Kolbenbrennkraftmaschinen einsetzbar sind.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Frischgasversorgungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 7 gelöst. Die jeweils nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Erfindungsgemäß wird eine Klappe in der Frischgasversorgungseinrichtung so angesteuert, dass sie als Regelklappe für die Drucklufteinblasevorrichtung und für die AGR-Vorrichtung gleichwertig geeignet ist also dass und die Betätigung der Klappe beide Regelanforderungen der Kolbenbrennkraftmaschine erfüllen kann. Es ist weiterhin ein Vorteil der Erfindung, das Beschleunigungs- und Emissionsverhaltens der turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine durch die gemeinsame Steuerung/Regelung der Drucklufteinblasevorrichtung und der AGR- Vorrichtung zu verbessern.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig.1 ein Blockschaltbild einer turboaufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine mit Frischgasversorgungseinrichtung und AGR- Vorrichtung, und

Fig.2 ein Blockschaltbild des als Modul ausgebildeten Frischgasleitungsabschnittes der Frisch gasversorgungseinrichtung im Detail.

Gemäß Fig.1 umfasst eine Anordnung 1 eine turboaufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine 2 mit sechs Zylindern 3 in Reihe, deren Saugleitungen 4 an einer Frischgasversorgungsleitung 5 angeschlossen sind, die eine Anschlussflansch 7 aufweist, woran ein Frischgasleitungsab- schnitt-Modul 8 mit seinem zweitem Endanschluss 9 zum Ausströmen angeschlossen ist. Der erste Endanschluss 10 zum Einströmen ist durch eine Leitung 11 mit der Ausströmöffnung 12 des Ladeluftkühlers 13 gekoppelt, deren Einströmöffnung 14 durch eine Leitung 15 mit der Ausströmöffnung 16 des Turbokompressors 17 gekoppelt ist. An die Einströmöffnung 18 des Turbokompressors 17 ist ein Luftfilter 19 mit der Leitung 20 angeschlossen, die ein Massen- stromsensor 21 enthält. Der Turbokompressor 17 bildet einen Teil des Abgasturboladers 22, deren Abgasturbine 23 mit seiner Einströmöffnung 24 an die Ausströmöffnung 25 der Abgassammelleitung 26 angeschlossen ist. Die Zylinder 3 sind durch Auspuffleitungen 27 an die Abgassammelleitung 26 angeschlossen. Die Ausströmöffnung 28 der Abgasturbine 23 ist mit dem Abgasrohr 29 zusammengekoppelt.

Die Kraftstoffversorgung der Zylinder 3 erfolgt durch die Einspritzdüsen 30, deren Regelung durch die Leitung 31 vom ersten Anschluss 32 der zentralen elektronischen Steuereinheit 38 durchgeführt wird. An den Anschluss 37 der elektronischen Steuereinheit 38 ist der Anschluss

34 eines Gaspedals 33 durch die Leitung 36 angeschlossen. Das Gaspedal 33 ist mit einem Betätigungsorgan versehen, das in an sich bekannter Weise vom Fahrer des Kraftfahrzeugs betätigt wird. An den Anschluss 63 der elektronischen Steuereinheit 38 ist durch die elektrische Leitung 64 der Massenstromsensor 21 angeschlossen. Der elektrische Anschluss 39 der elektronischen Steuereinheit 38 ist durch die Sammelleitung 40 mit dem elektrischen Anschluss 41 der elektronischen Steuereinheit 35 des Frischgasleitungsabschnitt-Moduls 8 zusammengekoppelt.

Das Frischgasleitungsabschnitt-Modul 8 besitzt einen Druckluftanschluss 42, der durch die Leitung 43 an den Auslassanschluss 44 des Druckluftbehälters 45 angeschlossen ist. Der Speiseanschluss 46 des Druckluftbehälters 45 ist durch die Leitung 47 an den Druckluftanschluss 48 des Druckluftkompressors 49 angeschlossen. In der Leitung 47 sind Druckregler 50 und Lufttrockner 51 eingebaut. Der Druckluftkompressor 49 besitzt einen Saugstutzen 52, der mit einem Luftfilter 53 versehen ist. Die Welle 54 des Druckluftkompressors 49 ist durch Riemenantrieb 55 mit der Hauptwelle 56 des turboaufgeladenen Dieselmotors des Kraftfahrzeugs verbunden. Der Druckluftbehälter 45 ist mit einem Drucksensor 69 versehen, der durch die elektrische Leitung 70 an den Anschluss 71 der elektronischen Steuereinheit 35 angeschlossen ist.

Die Anordnung 1 ist weiterhin mit einer AGR-Vorrichtung 57 versehen, die mit ihrem Ab- gasanschluss 58 an die Abgassammelleitung 26, mit ihrem Abgasauslassanschluss 59 an die Frischgasversorgungsleitung 5, die das Frischgas in die Zylinder 3 hineinführt, angeschlossen ist. Die AGR-Vorrichtung 57 enthält ein Regelventil 60 und einen Wärmetauscher 61 zum Abkühlen des durchströmenden Abgases. Der Wärmetauscher 61 benutzt als Kühlmittel das Kühlwasser des Motorenkühlers, die Anschlüsse sind nicht dargestellt. Zur Erfüllung von hohen Ansprüchen hinsichtlich von Emission ist im Abgasrohr 29 hinter der Abgasturbine 23 ein Katalysator/Partikelfilter 62 mit Dämpfungsfilter und Schalldämpfer in Reihe geschaltet angeordnet. Das Regelventil 60 ist mit einer elektrischen Leitung 65 an den Anschluss 66 der

elektronischen Steuereinheit 38 angeschlossen, die das Regelventil 60 ansteuert, weiterhin werden zwei dargestellte Elemente des Frischgasleitungsabschnitt-Moduls 8, nämlich eine Klappe 67 und eine Mengenregelvorrichtung 68 durch eine elektrische Sammelleitung 40 von der elektronischen Steuereinheit 38 ansteuert. Durch die Klappe 67 werden Einströmraum 91 und Ausströmraum 92 des Frischgasleitungsabschnitt-Moduls 8 getrennt und die Frischgasströmungsquerschnitt geregelt, durch die Mengenregelvorrichtung 68 wird der Druckluftstrom durch die Leitung 43 geregelt.

In Fig.2 ist das Modul 8 als solches im Detail dargestellt, welches rohrartig ausgebildet ist, und den ersten Endanschluss 10 sowie den zweiten Endanschluss 9 besitzt, zwischen denen ein Innenraumabschnitt 88 besteht, der einen Kreisquerschnitt aufweist. Der Innenraumab- schnitt 88 ist zweckmäßig durch die Wand 89 umschlossen, worin die Welle 90 der Klappe 67 gelagert und hindurchgeführt ist. Die Klappe 67 teilt den Innenraumabschnitt 88 auf in zwei Teile, nämlich den Einströmraum 91, der zwischen dem ersten Endanschluss 10 und der Klappe 67 entsteht, sowie den Ausströmraum 92, der zwischen dem zweiten Endanschluss 9 und der Klappe 61 entsteht.

Die Klappe 67 hat eine geschlossene und eine voll geöffnete Endstellung, sowie beliebige Zwischenstellungen, die durch Verdrehen der Welle 90 eingestellt werden können. Die hierfür vorgesehene Verstellvorrichtung 96 ist in diesem Ausführungsbeispiel als elektrischer Motor ausgebildet und mit einem elektrischen Verstellvorrichtungsanschluss 74 ausgerüstet, der durch eine Leitung 79 mit dem ersten Anschluss 80 der elektronischen Steuereinheit 35 angeschlossen ist. Durch den Verstellvorrichtungsanschluss 74 wird der Verstellvorrichtung 96 mit Strom versorgt; von dem Anschluss 95 des Positionsermittlungssensors 93 wird ein Signal über die Lage der Klappe 67 entnommen; der Anschluss 95 ist wiederum durch eine Leitung 81 an den Anschluss 82 der elektronischen Steuereinheit 35 des Moduls 8 angeschlossen.

In der Wand 89 ist weiterhin eine Druckluft-Einströmöffnυng 97 zwischen dem zweiten End- anschluss 9 und der Klappe 67 ausgebildet, woran der Druckluftanschluss 42 angeschlossen ist, der mit einer Mengenregelvorrichtung 68 ausgerüstet ist. Die Mengenregelvorrichtung 68 weist auch eine voll gesperrte Stellung auf. Der elektrische Steuerungsanschluss 98 der Mengenregelvorrichtung 68, die ein Ventil 99 aufweist, ist an den Anschluss 78 der elektronischen Steuereinheit 35 des Moduls 8 durch die Leitung 77 angeschlossen.

An den Anschluss 76 der elektronischen Steuereinheit 35 ist der Anschluss 76 des Druckfühlers 72a - der an der Wand 89 befestigt ist - durch die Leitung 75 angekoppelt; der Druckmesser 73 des Druckfühlers 72a mit Ausgang 100a ist in den Ausströmraum 92 des Frischgaslei- tungsabschnitts-Moduls 8 hineingesteckt. Ein ähnlicher Anschluss 84 des Druckfühlers 72b - der an der Wand 89 befestigt ist - ist über den Ausgang 100b durch die Leitung 83 an den Anschluss 84 der elektronischen Steuereinheit 35 angekoppelt. Der Druckmesser 73b des Druckfühlers 72b ist in den Einströmraum 91 des Moduls 8 hineingesteckt.

Die elektronische Steuereinheit 35 des Moduls 8 ist mit einem zentralen Anschluss 41 versehen, woran die zentrale Sammelleitung 40 angeschlossen ist. Die Sammelleitung 40 ist als eine Kommunikationsleitung ausgebildet, die an die - nicht dargestellte - Motorelektronik angekoppelt ist, welche eine zentrale Steuereinheit (ECU) umfasst, die mit entsprechenden Softwares versehen ist.

Das Frischgasleitungsabschnitt-Modul 8 ist an beiden Enden mit Leitungsanschlüssen 86 und 87 versehen, die geeignet sind für einen dichtenden Einbau in die Leitung 11 , durch die die Frischgasversorgung des turboaufgeladenen Dieselmotors geleistet wird. Die Leitungsanschlüsse 86 und 87 sind so ausgebildet, dass sie für die Befestigung des Frischgasleitungsab- schnitts-Moduls 8 geeignet sind.

Die Mengenregelvorrichtung 68 weist eine austauschbare Drossel 85 bei der Einströmöffnung auf, wodurch die Durchströmmenge begrenzt, bzw. modular zur Motorgröße angepasst wird. Die Einrichtung wird vorzugsweise so gestaltet, dass der Ausgang der Drucksensor 69 an die elektronische Steuereinheit 35 des Frischgasleitungsabschnitt-Moduls 8 angeschlossen ist, der Drucksensor 69 ist zum Messen des Druckes im Druckluftbehälter 45.

Die Einrichtung mit Frischgasleitungsabschnitt-Moduls 8 wird vorzugsweise so gestaltet, dass der Ausgang des Drucksensors 101 durch eine elektrische Leitung 102 an den Anschluss 103 der elektronischen Steuereinheit 35 des Frischgasleitungsabschnitt-Moduls 8 angeschlossen ist, der Drucksensor 101 ist zum Messen des Druckes in der Leitung 43 in der nähe der Mengenregelvorrichtung 68 vorgesehen.

Die elektronisch gesteuerte und die Abgasdurchflussmenge regelnden, Ventileinheit 60 der AGR Vorrichtung an die elektronische Steuereinheit 38 der Kolbenbrennkraftmaschine angeschlossen, die eine ECU aufweist, die mit Softwares für die synchronisierte Betätigung der Klappe 67 und der Mengenregelvorrichtung 68 und der Ventileinheit 60 der AGR- Vorrichtung 57 ausgerüstet ist.

Die Funktion der Anordnung 1 verwirklicht das Verfahren der Erfindung zum Verbessern des Beschleunigungs- und Emissionsverhaltens einer Fahrzeug-Kolbenbrennkraftmaschine 2 in Dieselbauart mit Turboaufladung und AGR-Vorrichtung 57, wobei die Einrichtung mit einem Druckluftspeicher 45 versehen ist, worin Druckluft zur geregelt zeitweiligen Einblasung in die Frischgasleitungsabschnitt 8 der Frischgasversorgungsleitung 5 eingeblasen wird. In dem Frischgasleitungsabschnitt 8 ist ein Regelelement in Gestalt der Klappe 67 zur Regelung der AGR-Vorrichtung 57 und der Drucklufteinblase- Vorrichtung angeordnet. Die folgenden Verfahrensschritte werden durchgeführt:

- Ermitteln des Drehmomentanforderungssignals und Zufuhren die Daten zur elektronischen Steuereinheit 38,

- Ermitteln der motorischen Kennwerten und Zufuhren die Kennwerten zur elektronischen Steuereinheit 38,

- Ermitteln des Luftdrucks im Innenraum des Frischgasleitungsabschnitts-Modul 8 zwischen Zylindereinlassventil und Klappe 67 und Zufuhren des Druckwerts zur elektronischen Steuereinheit 38,

- Verarbeiten vorgenannter zugeführter Daten in der elektronischen Steuereinheit zur Erstellung von Betätigungs-Ausgangssignalen für eine synchronisierte Betätigung der Klappe mit der Mengenregelvorrichtung und dem Regelventil der AGR-Vorrichtung.

Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgeführt, dass in den elektronischen Steuereinheiten 35 oder 38 aus den Eingangssi gnaleπ die Ausgangssignale rechentechnisch durch Softwares ermittelt werden.

Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgeführt, dass in der elektronischen Steuereinheit 38 zur Erstellung von Betätigungs-Ausgangssignalen zur Betätigung der Klappe 67 im Falle eines gleichzeitigen Ansprechens der AGR-Vorrichtung 57 und der Druckluft-Einblasung immer das Ansprechen der Druckluft-Einblasung bevorzugt wird.

Der Ausgang der Drucksensor 69 ist an der elektronischen Steuereinheit des Frischgaslei- tungsabschnitt-Moduls angeschlossen, der Drucksensor 69 ist zum Messen des Druckes im Druckluftbehälter 45 vorgesehen.

Das Signal des Drucksensors 69, der zum Messen des Druckes im Druckluftbehälter 45 vorgesehen ist, wird in die elektronische Steuereinheit 35 während des Einblasens kontinuierlich vermittelt und verarbeitet, wodurch der Massenstrom der eingeblasene Druckluft der Mengenregelvorrichtung 68 kontinuierlich bestimmt wird und dessen Resultat an die elektronische

Steuereinheit 38 der Kolbenbrennkraftmaschine 2 als Eingangssignal zur Verfügung gestellt wird.

Das Signal des Drucksensors 101 , der zum Messen des Druckes in der Leitung 43 der Einblaseluft vorgesehen ist, wird in die elektronische Steuereinheit 35 vor dem Einblasen vermittelt, wodurch der Massenstrom der eingeblasenen Druckluft der Mengenregelvorrichtung 68 kontinuierlich bestimmt wird und dessen Resultat an die elektronische Steuereinheit 38 der Kolbenbrennkraftmaschine 2 als Eingangssignal zur Verfugung gestellt wird.

Das Signal des Massenstromes wird zusammen mit dem Volumen des Druckluftbehälters 45 während des Einblasens für die rechnerische Bestimmung des Druckes des Druckluftbehälters 45 verwendet.