DE2647836C3

DE2647836C3 - Device for charging a uter internal combustion engine by means of an exhaust gas turbocharger

Info

Publication number: DE2647836C3
Application number: DE2647836A
Authority: DE
Inventors: Fateh-Singh Dr.Phil. Croxley Green Hertfordshire Bhinder (Grossbritannien)
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1976-10-22
Filing date: 1976-10-22
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE2647836A1; FR2368608A1; DE2647836B2; SE7711878L; GB1557388A; SE435414B; FR2368608B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine (Motor) mittels eines Abgasturboladers aus Turbine und Verdichter, welche so ausgelegt ist, ■daß der Verdichter bei voller Belastung des Motors im unteren Drehzahlbereich die erforderliche Ladeluftmenge liefert und wobei zwischen Verdichteraustritt und Motor ein Nebenwegventil zur Einstellung der Ladeluftmenge in der zum Motor führenden Leitung und zum Öffnen bzw. Sperren einer Abzweigleitung, die im Nebenweg bezüglich des Motors zum Turbineneintritt führt, geschaltet ist Das Nebenwegventil kann als Vierweg» sntil ausgebildet sein. In diesem Fall ist daran eine weitere Abzweigleitung zum Abblasen von Ladeluft bei Spitzenlast angeschlossen.The invention relates to a device for charging an internal combustion engine (engine) by means of an exhaust gas turbocharger consisting of a turbine and a compressor, which is designed so that the compressor delivers the required amount of charge air when the engine is fully loaded in the lower speed range and with a between the compressor outlet and the engine By-pass valve for adjusting the amount of charge air in the line leading to the engine and for opening or blocking a branch line which is connected in the by-pass route with respect to the engine to the turbine inlet. The by-pass valve can be designed as a four-way valve. In this case, a further branch line for blowing off charge air at peak loads is connected to it.

Die Erfindung findet Anwendung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens von Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturbolader, insbesondere bei Belastungszunahme oder Beschleunigung. The invention is used to improve the performance of internal combustion engines with exhaust gas turbocharger, especially when there is an increase in load or acceleration.

Das Beschleunigungsverhalten aufgeladener Motoren ist oft nicht befriedigend, weil plötzlich größere Luftmengen benötigt werden, als der Verdichter im Augenblick der Beschleunigung liefern kann. Zur Erhöhung der Luftmenge muß die Laderdrehzahl erhöht werden. Dazu aber muß der Turbine mehr Energie, d. h. es müssen größere Abgasmengen bei so höheren Temperaturen geliefert werden. Dies setzt wieder mehr Ladeluft voraus, die aber — wie geschildert — nicht sofort verfügbar ist. — Die Folge ist, daß der Motor aus dem unteren Drehzahlbereich heraus nur langsam beschleunigt, wobei für den Verbrennungsprozeß zeitweise Luftmangel herrschen kann, was nicht nur eine schlechte Brennstoffausnutzung bedeutet, sondern auch zu erhöhter Umweltverschmutzung beiträgt Der Luftmangel äußert sich beim Diesel-Motor in unverbrannten Feststoffen im Abgas, in schwarzem Auspuffrauch, beim Otto-Motor in erhöhtem CO-CH-Gehalt im Auspuffgas. Es besteht daher die allgemeine Problemstellung, das Beschleunigungsverhalten aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern, eine unvollständige Verbrennung beim Beschleunigen zu vermeiden und den spezifischen Kraftstoffverbrauch beim Beschleunigen zu reduzieren.The acceleration behavior of supercharged engines is often unsatisfactory because suddenly larger ones Air quantities are required than the compressor can deliver at the moment of acceleration. To the If the amount of air increases, the supercharger speed must be increased. But the turbine has to do more than that Energy, d. H. larger amounts of exhaust gas have to be supplied at such higher temperatures. This continues again more charge air ahead, which - as described - is not immediately available. - The result is, that the engine accelerates slowly from the lower speed range out, whereby for the combustion process there may be a temporary lack of air, which not only means poor fuel economy, but also contributes to increased environmental pollution. The lack of air manifests itself in the diesel engine in unburned solids in the exhaust gas, in black exhaust smoke, in gasoline engines in increased CO-CH content in the exhaust gas. There is therefore the general problem, the acceleration behavior of supercharged Internal combustion engines improve incomplete combustion when accelerating and to reduce the specific fuel consumption when accelerating.

In a known device of the initially

beschriebenen Gattung mit Stellglied bzw. Vierwegventil besitzt dasselbe bereits eine Abblasöffnung (FR-PS 2111502). Damit ist eine Abblasmöglichkeit bei Spitzenlast gegeben, die nicht über die Turbine führt. Das Abblasen bei Spitzenlast schützt den Motor vor zu hohen Zünddrücken, die Turbine vor zu hoher Temperatur. Für die Steuerung des Stellgliedes ist lediglich angegeben, daß die Luftzufuhr entsprechend der Drehzahl des Motors geregelt wird. Darait ergibt sich nicht eine automatische Einstellung unterschiedlicher Verbindungen.described type with actuator or four-way valve, the same already has a blow-off opening (FR-PS 2111502). This is a blow-off option at Given a peak load that does not go through the turbine. Blowing off at peak load protects the engine from too high ignition pressures, the turbine from too high a temperature. For controlling the actuator is only stated that the air supply is regulated according to the speed of the engine. That gives does not automatically set different connections.

In der DE-OS 22 12 960 wird ebenfalls von dem Problem ausgegangen, daß bei Beschleunigung zu wenig Ladeluft geliefert wird. Zur Lösung dieses Problems sind im bekannten Fall zwei Leitungen vorgesehen, die zur Einlaßleitung des Motors führen, eine Saugleitung, die für den Betrieb unterhalb der Vollastkennlinie dient, und eine Druckleitung, die vom Verdichter zum Motor führt Weiterhin benötigt die bekannte Vorrichtung zwei Turbinen. Die Abzweigleitung zwischen Nebenwegventil und der ersten Turbine führt einen Teil der Ladeluft zum Turbineneintritt der ersten Turbine, also im Nebenweg am Motor vorbei. Diese Abzweigleitung wird durch Klappen an ihrer Eintritts- und Austrittseite vom Gaspedal bzw. vom Kraftstoffmengenverstellglied aus bedient Es ist im bekannten Fall für diese Zwangssteuerung ein sehr umfangreiches Gestänge vorgesehen.DE-OS 22 12 960 also starts from the problem that too little during acceleration Charge air is supplied. To solve this problem, two lines are provided in the known case, which for Inlet line of the engine lead, a suction line, which is used for operation below the full load characteristic, and a pressure line leading from the compressor to the engine. Furthermore, the known device requires two Turbines. The branch line between the bypass valve and the first turbine carries part of the charge air to the turbine inlet of the first turbine, i.e. in the byway past the engine. This branch line is controlled by flaps on its entry and exit side of the accelerator pedal or the fuel quantity adjustment member from operated In the known case, this forced control is a very extensive linkage intended.

Zur Verbesserung des Beschleunigungsverhaltens aufgeladener Verbrennungsmotoren ist es weiterhin bekannt den Turbinenquerschnitt sehr eng auszulegen, so daß bereits bei geringen Abgasmengen eine hohe Laderdrehzahl erreicht wird. In diesem bekannten Fall wird bei hoher Motorlast die Laderdrehzahl zu hoch, die Ladedrücke werden zu groß, der Lader kann Schaden nehmen. Zur Verbesserung werden verdichterseitig in der Ladeluftleitung oder turbinenseitig in der Frischgasleitung Abblasventile eingebaut — Abgesehen davon, daß auch bei Unterdimensionierung des Turboladers erst dann der Lader beschleunigt venn schon mehr Abgas verfügbar ist — also eine, wenn auch kurze Periode von Luftmangel herrscht — wird bei den Abblasregelungen Energie unnütz vergeudet und im Falle der Frischgasabblasung zusätzlich auch die vom Schmutzgehalt des Abgases, insbesondere chemisch-aggressiven Bestandteilen, abhängige Betriebssicherheit des Abgasventils in Frage gestelltIt continues to be used to improve the acceleration behavior of supercharged internal combustion engines known to design the turbine cross-section very narrow, so that even with low exhaust gas quantities a high Charger speed is reached. In this known case, the supercharger speed is too high when the engine load is high Boost pressures become too high, the charger can be damaged. To improve this, in the charge air line or on the turbine side in the fresh gas line blow-off valves installed - apart from that, that even if the turbocharger is underdimensioned, the charger will only accelerate if more Exhaust gas is available - that is, a period, albeit a short period of lack of air - is used by the Blow-off regulations Energy wasted unnecessarily and, in the case of fresh gas blow-off, also that of the Dirt content of the exhaust gas, in particular chemically aggressive components, dependent operational reliability of the exhaust valve in question

Der Erfindung liegt ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung und auf der Grundlage vorgenannter allgemeiner Problemstellung, die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten, insbesondere bei plötzlichen Belastungszunahmen oder Beschleunigungen, durch eine automatische und verzögerungsfreie Anpassung der Ladeluftmenge mittels einer einfach aufgebauten, leichten Anordnung zu verbessern.The invention is based on and proceeding from a device of the type mentioned at the beginning the aforementioned general problem, the task is based on the operating behavior, in particular with sudden increases in load or accelerations, through an automatic and instantaneous Adjustment of the amount of charge air by means of a simple, lightweight arrangement to improve.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Vorrichtung mit Vierwegventil und zwei Abzweigleitungen darin, daß erfindungsgemäß das Vierwegventil mit dem Regler der Brennstoffzufuhr des Motors über eine Zwangssteuerung verbunden istThe solution to this problem consists in a device with a four-way valve and two branch lines that according to the invention the four-way valve with the regulator of the fuel supply of the engine via a Priority is connected

Vorteilhaft ist nur eine einzige Turbine notwendig, die Zwangssteuerung kann sehr einfach gestaltet sein. Dabei sind in einfacher Weise alle drei Betriebsbereiche, Schwach- bzw. Normallast, Belastungszunahme bzw. Beschleunigen und Spitzenlast unter automatischer, verzögerungsfreier Anpassung der Ladeluftmenge an den jeweiligen Bedarf beherrschbar. Bei Schwachlast ist die erste Abzweigleitung zum Turbineneintritt geöffnet,Advantageously, only a single turbine is necessary; the forced control can be designed very simply. All three operating ranges, light or normal load, load increase or Accelerate and peak load with automatic, instant adjustment of the charge air volume the respective need manageable. When the load is low, the first branch line to the turbine inlet is open,

so daß nur ein Teil der Ladeluftmenge zu den Einlaßventilen des Motors gelangt. Beim Beschleunigen wird die erste Abzweigleitung gesperrt, so daß die gesamte Ladeluftmenge dem Motor zugeführt wird. Bei Spitzenlast wird mit dem Oberschreiten einer relativ hohen Belastungsschwelle die zweite Abzweigleitung zum Turbinenaustritt geöffnet, um! Oberlastungen zu vermeiden.so that only part of the amount of charge air reaches the intake valves of the engine. When accelerating the first branch line is blocked so that the entire amount of charge air is fed to the engine. at Peak load becomes the second branch line when a relatively high load threshold is exceeded open to the turbine outlet to! Overloads too avoid.

Im Gegensatz zur eingangs genannten bekannten Vorrichtung mit Vierwegventil ist aiso eine Zwangssteuerung desselben vorgesehen und diese erfolgt unmittelbar unter Einfluß des Reglers der Brennstoffzufuhr des Motors, so daß das Vierwegventil synchron zur Änderung der Betriebsbereiche geschaltet wirdIn contrast to the known device with four-way valve mentioned at the beginning, there is a positive control the same provided and this takes place directly under the influence of the regulator of the fuel supply of the engine so that the four-way valve is switched in synchronism with the change in the operating ranges

Das Abblasen von Ladeiuft erfolgt lediglich als is Schutzmaßnahme bei Spitzenlast, d. h. im Verhältnis zu den eingangs ebenfalls erwähnten bekannten Fällen mit Abblasregelung wird in den Betriebsbereichen Schwachlasi und Beschleunigen mit optimaler Energieausnutzung gearbeitet.The discharge of charge air only takes place as is Protective measure at peak load, d. H. in relation to The known cases with blow-off control also mentioned at the beginning are used in the operating areas Weak speed and acceleration worked with optimal energy utilization.

Zweckmäßig kann das Vierwegventil bei hoher Motorbelastung wahlweise vom Brennstoffregler oder auch vom Ladedruck gesteuert werden. In beiden Fällen erfolgt im Gegensatz zum eingangs beschriebenen bekannten Turbolader (FR-PS 21 11 502) eine automatisehe Einstellung der unterschiedlichen Verbindungen. Die augenblickliche Betriebsbereichsumschaltung und Anpassung der Ladeluftmenge an die Brennstoffzufuhr verbessert sowohl den Schutz des Motors vor zu hohen Zünddrücken als auch den der Turbine vor zu hohen Temperaturen. Sowohl der Schadstoffanteil im Abgas als auch der spezifische Kraftstoffbedarf beim Beschleunigen des Motors werden verringert.The four-way valve can expediently either from the fuel regulator or from the fuel regulator when the engine is under high load can also be controlled by the boost pressure. In both cases, this is in contrast to what was described at the beginning known turbocharger (FR-PS 21 11 502) an automatic Adjustment of the different connections. The current operating range switching and Adjusting the amount of charge air to the fuel supply improves both the protection of the engine from excessively high levels Ignition pressures as well as that of the turbine before too high Temperatures. Both the pollutant content in the exhaust gas and the specific fuel requirement when accelerating of the engine are reduced.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Diese zeigt eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgas-Turboladerund Vierwegventil.The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing This shows an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a four-way valve.

Gemäß der Zeichnung ist eine Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel ein Diesel-Motor, mit einem Verdichter 2 und einer Turbine 3 versehen, die auf einer -10 gemeinsamen Welle sitzen. Vom Verdichter 2 führt eine Ladeluftleiiung 4 zu einem Vierweg-Nebenwegventil 5, von welchem eine Leitung 6 zum Motor 1, eine erste Abzweigleitung 7 zur Turbine 3 bzw. in die vom Motor 1 zur Turbine 3 führende Abgasleitung 8 und eine zweite Abzweigleitung 9 zum Turbinenaustritt 10 führen. Das Vierwegventil 5 ist über durch eine durch eine Verbindungslinie 11 angedeutete Zwangssteuerung mit dem Regler 12 für die Brennstoffzufuhr des Motors verbunden.According to the drawing is an internal combustion engine, for example a diesel engine, provided with a compressor 2 and a turbine 3 running on a -10 sitting common shaft. A charge air line 4 leads from the compressor 2 to a four-way bypass valve 5, from which a line 6 to the engine 1, a first branch line 7 to the turbine 3 or into that from the engine 1 Exhaust pipe 8 leading to turbine 3 and a second branch pipe 9 to turbine outlet 10. That Four-way valve 5 is via a positive control indicated by a connecting line 11 with connected to the regulator 12 for supplying fuel to the engine.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Vorrichtung erläutert Der aus dem Verdichter 2 und der Turbine 3 bestehende Abgasturbolader versorgt den Motor 1 mit Ladeluft. Hierzu wird Außenluft über einen Verdichtereingang 2' angesaugt, verdichtet und durch die Ladeluftleitung 4 dem Vierwegventil 5 zugeführt Der Turbolader ist so ausgelegt daß er bei Schwachlast des Motors mehr Ladeluft liefert, als benötigt wird. In diesem Fall läßt das Vierwegventil 5 der. vom Motor 1 benötigten Luftanteil durch die Leitung 6 zum Motor, die Restluft wird durch die erste Abzweigleitung 7 zum Turbineneintritt 3' strömen. Die Steuening der Öffnungsquerschnitte des Vierwegventils erfolgt jeweils über die Zwangssteuerung 11 mechanisch ouer hydraulisch. The mode of operation of the device is explained below Turbine 3 existing exhaust gas turbocharger supplies the engine 1 with charge air. For this purpose, outside air is supplied via a The compressor inlet 2 'is sucked in, compressed and fed through the charge air line 4 to the four-way valve 5 The turbocharger is designed in such a way that, when the engine is under low load, it delivers more charge air than is required. In In this case, the four-way valve 5 leaves the. Air proportion required by engine 1 through line 6 to the engine, the remaining air will flow through the first branch line 7 to the turbine inlet 3 '. The control of the opening cross-sections of the four-way valve takes place mechanically or hydraulically via the override control 11.

Bei plötzlicher Steigerung der Brennstoffmenge (z. 8. beim »Gasgeben« des Fahrers in einem Kraftwagen) schließt dei Reglerl2 die erste Abzweigleitung 7, so daß mit der höheren Brennstoffmenge sofort auch eine höhere Ladeluftmenge über die Leitung 6 und entsprechende Einlaßventile in den Zylindern des Motors 1 zur Verfugung stehtIn the event of a sudden increase in the amount of fuel (e.g. 8. when the driver "accelerates" in a motor vehicle) the controller 12 closes the first branch line 7, so that with the higher amount of fuel also a higher amount of charge air via line 6 and corresponding inlet valves in the cylinders of the engine 1 is available

Bei sehr hoher Motorbelastung bzw. Überschreiten einer bestimmten Brennstoffzufuhr durch den Regler 12 wird von demselben die zweite Abzweigleitung 9 des Vierwegventils 5 so weit geöffnet, daß die überschüssige Ladeluft direkt zum Turbinenaustritt 10 strömen kann.If the engine load is very high or a specific fuel supply is exceeded by the controller 12 the second branch line 9 of the four-way valve 5 is opened so far that the excess Charge air can flow directly to the turbine outlet 10.

Die vom Motor 1 kommenden Abgase werden in bekannter Weise über die Abgasleitung 8 dem Turbineneintritt 3' zugeführt und treiben die Turbine an, gegebenenfalls wie beschrieben mit Oberschuß-Ladeluft vermischtThe exhaust gases coming from the engine 1 are in a known manner via the exhaust pipe 8 the Turbine inlet 3 'supplied and drive the turbine, possibly as described with excess charge air mixed

1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Device for charging an internal combustion engine (Motor) by means of an exhaust gas turbocharger consisting of a turbine and a compressor, which so is designed that the compressor at full load of the engine in the lower speed range provides the required amount of charge air, and a four-way ι ο between the compressor outlet and the engine valve for setting the amount of charge air in the line leading to the engine, for opening or locking a first branch line, which leads to the turbine inlet in the bypass with respect to the engine, and a second branch line is connected for blowing off charge air, characterized in that that the four-way valve (5) with the regulator (12) of the fuel supply of the engine (1) over a forced control (11) is connected

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