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Dokumentenidentifikation DE102006055591A1 31.05.2007
Titel Turboloch-Kompensationssystem mit einem Ejektor
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, Dearborn, Mich., US
Erfinder Berger, Al Henry, Brownstown, US;
Leone, Tom G., Ypsilanti, Mich., US
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Anmeldedatum 24.11.2006
DE-Aktenzeichen 102006055591
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse F02M 23/04(2006.01)A, F, I, 20061124, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02D 21/10(2006.01)A, L, I, 20061124, B, H, DE   F02B 29/02(2006.01)A, L, I, 20061124, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Aufladesystem für einen Motor, welches umfasst: einen Motor mit mindestens einem Zylinder mit einem Einlassventil, das zum Bedecken und Aufdecken einer Einlassöffnung in den Zylinder ausgelegt ist, wobei der Zylinder mit einem Ansaugkrümmer verbunden ist; eine mit dem Motor verbundene Verdichtungsvorichtung und eine Luftzuführdüse, die zum Zuführen von Druckluft zu dem Zylinder mittels der Öffnung ausgelegt ist, wobei die Düse eine zulaufende-auseinanderlaufende Form aufweist, so dass ausgestoßene Luft zumindest unter einigen Betriebsbedingungen Überschallgeschwindigkeit hat.

Beschreibung[de]
Hintergrund und Kurzdarlegung

Motoren können Aufladevorrichtungen wie Turbolader nutzen, um die Motorleistungsdichte zu steigern. Somit können turbogeladene Motoren kleineren Hubraums unter Betrieb bei stationärem Zustand Leistung erzeugen, die der von Motoren größeren Hubraums entspricht. Unter dynamischen Fahrbedingungen kann aber der kleinere turbogeladene Motor eine geringere transiente Leistung als ein größerer Saugmotor aufweisen.

Wenn zum Beispiel ein turbogeladener Motor bei niedriger Last arbeitet, ist die Turbolader-Drehzahl gering und der Ansaugkrümmerdruck niedrig. Wird die Motorlast plötzlich angehoben, kann es zu einer Verzögerung kommen, bevor die Turboladerdrehzahl steigt und der Ansaugkrümmerdruck zunimmt. Diese Verzögerung kann als „Turboloch" bezeichnet werden. Während dieser Verzögerung können die Motorleistung bzw. Drehmomentabgabe unter dem Sollwert und unter der bei stationärem Zustand verfügbaren Leistung liegen.

Ein Ansatz, der versucht, eine Ansaugkrümmerdruckverstärkung mit minimaler Verzögerung vorzusehen, wird in der SAE-Schrift 670109, veröffentlicht im Jahr 1967, beschrieben. Dieses System nutzte Speicherbehälter zum Speichern von Druckluft bei einem Benzinsaugmotor mit Vergaser. Bei diesem System wurden bei Betätigen des Systems die Sollaufladedrücke schnell erreicht.

Ein anderer Ansatz wird in JP 59-99028 beschrieben. Dieses System nutzt einen Drucklufteinspritzanschluss, der Luft von einem Druckluftbehälter aufnimmt, wobei der Anschluss in einem Ventilsitz des Einlassventils ausgebildet war und der Anschluss geöffnet wird, wenn das Einlassventil geöffnet wird. Ein Ein-Aus-Ventil wird für eine festgelegte Zeitdauer vorübergehend geöffnet, wenn ein Gaspedal schnell getreten wird. Wenn das Einlassventil offen ist, wird durch den Ventilsitz Luft zum Ergänzen fehlender Luft eingespritzt, wozu es bei Treten des Gaspedals vorübergehend kommt. Wenn im Einzelnen das Gaspedal-Trittsignal einen festgelegten Wert überschreitet, wird das Ein-Aus-Ventil von einem Rechner für eine festgelegte Zeitdauer geöffnet, die der Pedaltretgeschwindigkeit entspricht. Bei einem solchen System ist eine Kompensation der Aufladung angeblich unnötig.

Die vorliegenden Erfinder haben aber Nachteile bei jedem der vorstehenden Ansätze ausgemacht. Bei Verwenden von zum Beispiel der Speicherstrategie von SAE 670109 wurde nur für eine begrenzte Dauer Aufladung vorgesehen, da die Speicherbehälter die einzige Druckluftquelle waren. Weiterhin erforderte das System zwei Behälter von jeweils etwa 12 Zoll (30,54 cm) Durchmesser, wodurch es erheblichen Unterbringungsraum im Fahrzeug erfordert.

Bei Verwenden eines Systems wie JP 59-99028 kann zwar dem Motor Druckluft zugeführt werden, es scheint aber nicht, dass die Verdichtungsenergie der zugeführten Luft zum Verstärken des Luftstroms durch den Haupteinlasskanal genutzt wird. Dies bedeutet, dass der Druckluftbehälter groß genug sein muss, um die gesamte Sollzunahme der Ansaugluftmasse zu liefern.

Bei einem Ansatz können die obigen Nachteile durch ein System für ein sich auf der Fahrbahn fortbewegendes Fahrzeug überwunden werden. Das System umfasst: einen Motor mit mindestens einem Zylinder mit einem Einlassventil, das zum Bedecken und Aufdecken einer Einlassöffnung in den Zylinder ausgelegt ist, wobei der Zylinder mit einem Ansaugkrümmer verbunden ist; eine mit dem Motor verbundene Verdichtungsvorrichtung; und eine Luftzufuhrdüse, die zum Liefern von Druckluft mittels der Öffnung zu dem Zylinder ausgelegt ist, wobei die Düse eine zulaufende-auseinanderlaufende Form aufweist, so dass ausgestoßene Luft zumindest unter manchen Betriebsbedingungen Überschallgeschwindigkeit hat. Ferner kann in manchen Ausführungen die ausgestoßene Luft mit einem Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit gemischt werden, wobei der Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit von dem Ansaugkrümmer kommt.

Auf diese Weise ist es möglich, die Verdichtungsvorrichtung zum Ermöglichen reduzierter Luftspeicherung zu nutzen, während eine Düse zum effektiveren Nutzen der verfügbaren Druckluft eingesetzt wird. Wenn zum Beispiel der Überschall-Luftstrom mit einem Unterschall-Strom von dem Ansaugkrümmer gemischt wird, wird der Gesamtmoment der beiden Ströme kombiniert und erhalten, so dass die Geschwindigkeit des Mischstroms und folglich der Stagnationsdruck angehoben wird. Somit ist es möglich, Energie des Druckluftstroms zum Verstärken des Stroms von dem Ansaugkrümmer niedrigeren Drucks zu nutzen. Auf diese Weise kann weniger druckbeaufschlagte Luft zum Erreichen erwünschter Kompensation verwendet werden, wodurch die Effizienz bei der Verwendung der Druckluft und des erforderlichen Speicherraums verbessert wird.

Beschreibung der Figuren

Die 13 sind jeweils ein schematisches Diagramm eines Motors;

4 zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Luftspeichersystems, das bei verschiedenen Arten von Motoren, beispielsweise den in 13, verwendet werden kann;

57 zeigen beispielhafte Ausführungen von Ejektorsystemen, die mit dem Speichersystem von 4 verwendet werden können;

810 zeigen Übersichtsflussdiagramme eines beispielhaften Motorbetriebs; und

11 zeigt eine Kurve, die für Kraftstoffeinspritzung verfügbare Zeit zeigt.

Eingehende Beschreibung

Wie vorstehend erwähnt beschreibt die vorliegende Anmeldung einen Ansatz, der Aufladungskompensation zur Minderung von Wirkungen von Verdichterverzögerungen, beispielsweise der als Turboloch bekannten Phänomene, sowie zur Verbesserung verschiedener anderer Motorbetriebe, beispielsweise von Motorkaltstarten, bietet. In einem bestimmten Beispiel steht eine separate Quelle von Druckluft zur Verfügung, die dem Motor (z.B. mittels des Ansaugkrümmers, des Einlasskanals oder Zylinderkopfs) während ausgewählten Bedingungen, beispielsweise als Reaktion auf ein Gasgeben durch den Fahrer, schnell zugeführt werden kann, wodurch ein Turboloch reduziert wird. Die zusätzliche Luft von dem Luftverstärker dient zum Vorsehen einer schnellen Zunahme der Zylinderfüllung, selbst wenn der Krümmerdruck erst durch einen Turbolader erhöht werden muss. Weiterhin führt das Einspritzen von Luft höheren Drucks in die Motorzylinder zu einer nahezu sofortigen Zunahme des Abgasstroms, was die Funktion des Turboladers verbessert, und kann somit den Turbolochzeitraum weiter reduzieren. Es ist mit anderen Worten möglich, mehr Strom in die Zylinder zu erzeugen, als von einer Druckluftquelle kommt, doch in einem Beispiel wird diese Verstärkung des Luftstroms nur umgesetzt, bis der Turbolader die Drehzahl erreicht.

In einem Beispiel kann die Druckluftzufuhr stromaufwärts des Motors zwischen dem Motorluftfilter und dem Ansaugkrümmer, entweder vor oder nach dem Turbolader, vorgesehen werden. Alternativ könnte die Druckluft in dem Ansaugkrümmer oder Zylinderkopf zugeführt werden. Ferner kann ein Ejektor verwendet werden, um ein Ejektor-Aufladungssystem zu erzeugen. Ein Ejektor kann zum Beispiel in einen Ventilsitz integriert werden, um den Betrieb weiter zu verbessern. In einem noch weiteren Beispiel kann das System bei Direkteinspritz-Benzinmotoren verwendet werden, um eine verbesserte Steuerung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses zu erreichen, oder kann zur Verbessern von Motorkaltstarten von Benzin- oder Dieselmotoren verwendet werden.

Auf diese Weise ist es möglich, eine Luftquelle in Kombination mit einer Verdichtungsvorrichtung zu nutzen, um verbesserten Betrieb bei einem Benzin, Diesel oder verschiedene andere Kraftstoffarten verwendenden Motor vorzusehen.

Unter Bezug nun auf 1 wird ein Verbrennungsmotor 10, der mehrere Zylinder umfasst, wovon ein Zylinder in 1 gezeigt wird, durch ein elektronisches Steuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 umfasst einen Zylinderkopf 46, einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32 mit einem darin positionierten und mit einer Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36. Der Brennraum 30 wird mit dem Ansaugkrümmer 44 und Abgaskrümmer 48 mittels eines jeweiligen Einlassventils 52 und Auslassventils 54 in Verbindung stehend gezeigt. Jedes Einlass- und Auslassventil kann durch eine Nockenwelle betrieben werden oder beide können durch eine gemeinsame Nockenwelle betrieben werden. Mittels eines hydraulischen Aktuators kann ein veränderlicher Ventilsteuerbetrieb verwendet werden. In einer alternativen Ausführung können die Ventile durch eine elektromechanisch gesteuerte Ventilspulen- und Ankeranordnung betätigt werden.

Der Zylinder 30 wird ferner mit einem damit verbundenen Direkteinspritzventil 65 zum Zuführen von flüssigem Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW des Steuergeräts 12 mittels einer Kraftstoffeinspritzanlage 87 gezeigt, die eine Hochdruck-Benzinkraftstoffanlage mit gemeinsamen Verteilerrohr sein kann. Die Kraftstoffanlage 87 kann einen Kraftstofftank, Hoch- und/oder Niederdruck-Kraftstoffpumpen und ein (nicht dargestelltes) Kraftstoffverteilerrohr umfassen. Der Motor 10 von 1 ist so ausgelegt, dass der Kraftstoff direkt in den Motorzylinder eingespritzt wird, was dem Fachmann als Direkteinspritzung bekannt ist. Ferner wird der Ansaugkrümmer 44 mit einer optionalen elektronischen Drosselklappe 125 kommunizierend gezeigt.

Der Motor 10 wird ferner mit einer Turboladeranlage 130 gekoppelt gezeigt, die eine beispielhafte Verdichtungsvorrichtung ist, die verwendet werden kann. Die Turboladeranlage 130 umfasst einen Verdichter 132 an der Einlassseite und eine Turbine 134 an der Auslassseite, die mittels einer Welle 136 verbunden sind. In einer alternativen Ausführung kann bei Bedarf ein zweistufiger Turbolader verwendet werden. In einer anderen alternativen Ausführung kann ein Lader mit einem Verdichter ähnlich dem von 132 verwendet werden, der mittels der Motorkurbelwelle 40 angetrieben wird.

Eine unbeheizte Lambdasonde 76 (UEGO-Sonde) wird mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts der Turbine 134 und einer Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 72verbunden gezeigt. Die Vorrichtung 70 kann ein NOx-Katalysator, ein SCR-Katalysator (selektive katalytische Reduktion, vom engl. selective catalytic reduction), ein Partikelfilter oder Kombinationen derselben sein. Ein zweite Abgassonde 98 wird stromabwärts des Katalysators 70 mit der Abgasanlage verbunden gezeigt. Die Temperatur der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung wird durch einen Temperatursensor 77 gemessen und/oder anhand Betriebsbedingungen wie Motordrehzahl, Last, Lufttemperatur, Motortemperatur und/oder Luftdurchsatz oder Kombinationen derselben geschätzt.

Das Steuergerät 12 wird in 1 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, welcher aufweist: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104 sowie einen Festspeicher 106, einen Arbeitsspeicher 108, einen batteriestromgestützten Speicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus. Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren zusätzlich zu den bereits erläuterten Signalen empfängt, einschließlich: Motorkühlwassertemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperatursensor 112; ein mit einem Gaspedal verbundener Stellungssensor 119; eine Messung des Motorsaugrohrdrucks (MAP) von einem mit dem Ansaugkrümmer 44 verbundenen Druckfühler 122; eine Messung (ACT) der Ladelufttemperatur des Motors oder einer Krümmertemperatur von einem Temperaturfühler 117; und ein Motorpositionssensor von einem Hallgeber 118, der die Position der Kurbelwelle 40 erfasst. In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Beschreibung erzeugt der Motorpositionssensor 118 eine vorbestimmte Azahl von Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle, woraus die Motorzahl (U/min) ermittelt werden kann.

In manchen Ausführungen kann der Motor mit einem Elektromotor/einer Batterieanlage in einem Hybridfahrzeug verbunden sein. Das Hybridfahrzeug kann eine parallele Konfiguration, eine Reihenkonfiguration oder Abwandlungen oder Kombinationen derselben aufweisen.

Der Motor 10 weist weiterhin eine Druckluftzufuhranlage zum Zuführen von Luft höheren Drucks zu dem Brennraum auf, wobei ein Beispiel hierfür in dieser Anmeldung nachstehend unter Bezug auf 4 eingehender beschrieben wird.

2 zeigt eine alternative Ausführung eines Benzin-Direkteinspritzmotors 11 ähnlich dem von 1. In dem Beispiel von 2 wird ein Zylinderkopf 46 gezeigt, der ein damit verbundenes Einspritzventil 66 zum Zuführen flüssigen Kraftstoffs proportional zur Impulsbreite des Signals FPW vom Steuergerät 12 aufweist. Durch eine (nicht dargestellte) Kraftstoffanlage, die einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und ein (nicht dargestelltes) Verteilerrohr aufweist, wird dem Einspritzventil 66 Kraftstoff zugeführt. In einem Beispiel kann eine Niederdruck-Direkteinspritzanlage verwendet werden, bei der der Kraftstoffdruck auf etwa 20–30 Bar angehoben werden kann. Alternativ kann eine zweistufige Hochdruck-Kraftstoffanlage zum Erzeugen höherer Kraftstoffdrücke verwendet werden. 2 zeigt ferner eine verteilerlose Zündanlage 88, die dem Brennraum 30 mittels einer Zündkerze 92 als Reaktion auf das Steuergerät 12 einen Zündfunken liefert.

Weiter mit 2 zeigt diese den Katalysator 72, der in einem Beispiel mehrere Katalysator-Bricks aufweisen kann. In einem anderen Beispiel können mehrere Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen, jeweils mit mehreren Bricks, verwendet werden. Der Katalysator 72 kann in einem Beispiel ein Dreiwegekatalysator sein.

Motor 11 weist ferner ein Druckluftzufuhrsystem zum Zuführen von Luft höheren Drucks zum Brennraum auf, wofür ein Beispiel hierin nachstehend unter Bezug auf 4 eingehender beschrieben wird.

In einem noch anderen alternativen Beispiel kann der Motor 9 ein Benzinmotor mit Kanaleinspritzung sein. Im Einzelnen zeigt 3 eine noch andere alternative Ausführung eines Benzinmotors 9 mit Kanaleinspritzung, der dem der 1 und 2 ähnelt. In dem Beispiel von 3 wird ein Ansaugkanal des Krümmers 44 gezeigt, der ein damit verbundenes Einspritzventil 66 zum Zuführen von flüssigem Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW des Steuergeräts 12 aufweist.

Jeder der Motoren 9, 10, 11 kann für Straßenfahrzeuge, Boote, Erdbewegungsgeräte, Flugzeuge, Generatoren, Pumpen etc. verwendet werden.

Unter Bezug nun auf 4 wird ein beispielhaftes Luftspeichersystem 310 beschrieben, das mit dem Motor 9, 10 oder 11 gekoppelt sein kann. Im Einzelnen wird Druckluft 312 von einer Hochdruckverdichtungsvorrichtung (beispielsweise einem (nicht dargestellten) Verdichter) durch ein Rückschlagventil 314 zu dem Speicherbehälter 316 dem System zugeleitet. Das Ventil 314 ermöglicht Strömen in den Behälter 316, drosselt aber Strömen von dem Behälter 316 zur Verdichtungsvorrichtung. Weiter umfasst in einem Beispiel das System 310 auch ein Steuerventil 318, das vom Steuergerät 12 ein Steuersignal 320 empfängt, zum Steuern von Luft mittels eines Druckregelventils 324 zu dem Luftverstärker, wie bezüglich der beispielhaften Ausführungen der 46 eingehender beschrieben wird. Auf diese Weise ist es möglich, dem Motor Luft höheren Drucks zuzuführen, selbst wenn ein Turbolader-Druckaufbau aufgrund von zum Beispiel Turboloch verzögert wird. Ferner ist es durch Verwenden eines solchen Systems möglich, Druckluft allmählich mit einem kleineren Verdichter zu speichern, aber immer noch in dem zum Verhindern eines Turbolochs erforderlichen Maße eine große Strömrate über kürzere Zeitintervalle vorzusehen.

Der Speicherdruck in dem Behälter 316 kann abhängig von der in dem Behälter gespeicherten Luftmasse variieren, kann aber so hoch wie der Abgabedruck des Verdichters, der bei 1.500 psi oder höher liegen kann, variieren. Da der Arbeitszykluseinsatz von Druckluft im Motor aber verglichen mit dem gesamten Motorbetrieb (z.B. während Turbolochbedingungen oder Motorstartbedingungen) relativ niedrig sein kann, kann ein Hochdruckverdichter niedrigen Volumens zum langsamen Laden des Behälters verglichen mit der während Gebrauch austretenden Strömrate verwendet werden.

Der Druckregler 324 wird allgemeinen so eingestellt, dass er einen Druck von etwa 150 psi hält, so dass dem primären Düseneinlass zugeführte Luft allgemein bei etwa diesem Druck gehalten wird, der erheblich höher als der Krümmerdruck sein kann. Wie hierin nachstehend eingehender beschrieben wird, verwendet die primäre Düse dann diese Druckluft bei etwa 150 psi, zusammen mit Luft im Ansaugkrümmer (dessen Druck abhängig vom Zustand des Turboladers, der Motordrehzahl, der Drosselstellung, etc. variieren kann), um vermehrtes Strömen in den Motorzylinder zu erzeugen.

Wie hierin erwähnt, kann der Luftverstärker als Ejektor-Anordnung, Luftejektor, Luftverstärker und Strömverstärkung bezeichnet werden.

Unter Bezug nun auf 5 wird eine erste beispielhafte Ausführung zum Zuführen von Luft höheren Drucks zu Motor 9, 10 oder 11 beschrieben. In diesem Beispiel wird der Ansaugkrümmer 44 mit einem Saugrohr 44a mit einem Kehlenbereich 44b gezeigt, der zu dem Einlassventil 52 und Zylinder 30 führt, wobei ein Hochdruckrohr 410 Druckluft zuführt. Im Einzelnen ist das Druckluftrohr 410 in dem Ansaugkrümmer angeschlossen und weist eine Überschalldüse 412 auf, die in jedes Saugrohr (wovon nur eines gezeigt wird) gerichtet ist. Auf diese Weise dient der Ansaugluftsammler des Krümmers als Umgebungslufteinlass, das Druckluftrohr 410 dient als primäre Düse, das Krümmer-Saugrohr dient als sekundäre Düse, die Kehle des Kanals (44b) dient als Mischrohr und der Zylinder dient schließlich als Diffusor. Ein solches System kann durch Platzieren einer Düse in jedem Saugrohr für jeden Zylinder des Motors erzeugt werden. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, das gesamte Ansaugluftsammlervolumen mit Druck zu beaufschlagen, was zu einer schnelleren Zufuhr von Ladedruck zu den Zylindern und weniger Wärmeverlust zu den Krümmerwänden für eine weitere Verbesserung von Motorkaltstart führt.

Bei einem beispielhaften Betrieb kann zusätzlich zur Steuerung von Druckluft mittels des Ventils 318 jede einzelne Düse mit einem Ventil zum Synchronisieren des Düsenstroms mit der offenen Stellung des Einlassventils ausgestattet werden. In einer alternativen Ausführung können die mehreren Düsen mittels eines einzigen Ventils gesteuert werden.

Unter Bezug nun auf 6 wird eine zweite beispielhafte Ausführung zum Zuführen von Luft höheren Drucks zum Motor 9, 10 oder 11 beschrieben. 6 zeigt im Einzelnen eine Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführung zum Zuführen von Luft höheren Drucks zu einem Motor 9, 10 oder 11. In diesem Beispiel wird das Saugrohr 44a des Ansaugkrümmers gezeigt, wie es zu dem Einlassventil 52 führt. Das Ventil 52 sitzt auf einem einteiligen Ventileinsatz/Sitz 512, der sich im Zylinderkopf 510 befindet. Der Einsatz 512 umfasst einen Kanalabschnitt 520 und einen Kopfabschnitt 522. Der Einsatz 512 umfasst eine ringförmige Überschalldüse 514, die im Einsatz 512 ausgebildet ist. Die Düse kann wie in 6 gezeigt eine zulaufendeauseinanderlaufende Form aufweisen. Mittels eines oder mehrerer Zufuhrrohre 530 kann der ringförmigen Düse 514 Druckluft zugeführt werden.

Auf diese Weise ist es möglich, eine Überschalldüse in den Zylinderkopf mit mindestens einer Düse an jedem Zylinder zu integrieren. Wenn das Einlassventil geschlossen ist, wie in 6 gezeigt wird, ist der Druckluftauslass durch den Einlassventilkopf blockiert. Wenn das Einlassventil offen ist, lenkt die in dem Einsatz ausgebildete auseinanderlaufende Düse einen Überschallausstoß an dem Ventilkopf vorbei und in den Zylinder, wodurch ein Ejektor mit einer ringförmigen Überschalldüse gebildet wird. Somit kann die während der Zufuhr verbrauchte Menge an Druckluft verringert werden, da Luft nur während des Betriebs, bei dem das Einlassventil offen ist, zugeführt wird. Wenn ferner ein Steuergerät zum Schätzen einer mittels der Düse zugeführten Luftmenge verwendet wird, kann die Menge basierend auf den Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils sowie auf Zylinderdruck und Druck stromaufwärts (z.B. Druckluftzufuhr) geschätzt werden. Bei veränderlichen Ventilsteuerzeiten sowohl des Einlass- und/oder Auslassventils kann zum Beispiel eine Veränderung der Ventilsteuerzeiten die Menge der zugeführten Druckluft beeinflussen, wie zum Beispiel in den Systemen der 67. Daher kann das Steuergerät Routinen zum Schätzen einer Druckluftmenge umfassen, die eine Veränderung der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließsteuerzeiten berücksichtigt.

Zurück zum Aufbau von 6 ist es durch Verwenden eines einteiligen Einsatzes möglich, eine Überschalldüse mit einer verringerten Anzahl an Teilen vorzusehen und eine verbesserte Steuerbarkeit der Maße vorzusehen, was verbessertes Spiel ermöglicht. Weiterhin können strukturelle Brücken 524 (siehe 6A) in der ringförmigen Düse integriert werden, um die Kanal- und Kopfabschnitte aneinander zu befestigen und die Einbaukräfte und den Aufprall beim Schließen des Einlassventils in den Kopf zu verlegen. Die Brücken können Unterbrechungen in der ringförmigen Auslegung der Düse verursachen, sollten aber keine wesentliche Funktionsverschlechterung bewirken. Die Brücke kann zum Beispiel mit einer Länge (in Strömrichtung) ausgelegt werden, die länger als eine Breite ist, wodurch eine erwünschte bauliche Festigkeit vorgesehen wird, während Aufprall bei Strömen reduziert wird.

Unter Bezug nun auf 7 wird eine Schnittansicht einer dritten beispielhaften Ausführung zum Zuführen von Luft höheren Drucks zu Motor 9, 10 oder 11 beschrieben. In diesem Beispiel wird das Saugrohr 44a des Ansaugkrümmers gezeigt, das zu dem Einlassventil 52 führt. Das Ventil 52 sitzt auf einem zweitteiligen Ventileinsatz/Sitz 612, der sich im Zylinderkopf 610 befindet. Der Einsatz 612 umfasst ein Kanalstück (Einsatz) 620 und ein Kopfstück (Sitz) 622. Der Einsatz 612 bildet somit eine in dem Einsatz 612 ausgebildete ringförmige Überschalldüse 614. Mittels eines oder mehrerer Zufuhrrohre 624 kann der ringförmigen Düse 614 Druckluft zugeführt werden.

Auf diese Weise ist es möglich, eine Überschalldüse in den Zylinderkopf mit mindestens einer Düse an jedem Zylinder zu integrieren. Wenn das Einlassventil geschlossen ist, wie in 7 gezeigt wird, ist der Druckluftauslass durch den Einlassventilkopf blockiert. Wenn das Einlassventil offen ist, lenkt die zwischen den beiden Einsätzen ausgebildete auseinanderlaufende Düse einen Überschallausstoß an dem Ventilkopf vorbei und in den Zylinder, wodurch ein Ejektor mit einer ringförmigen Überschalldüse gebildet wird. Somit kann die während der Zufuhr verbrauchte Menge an Druckluft verringert werden, da Luft nur während des Betriebs, bei dem das Einlassventil offen ist, zugeführt wird. Wenn ferner ein Steuergerät zum Schätzen einer mittels der Düse zugeführten Luftmenge verwendet wird, kann die Menge basierend auf den Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils sowie auf Zylinderdruck und Druck stromaufwärts (z.B. Druckluftzufuhr) geschätzt werden.

Unter Bezug nun auf 8 wird eine erste beispielhafte Ausführung einer Routine zum Steuern von Motorbetrieb zum Reduzieren eines Turbolochs beschrieben. In diesem Beispiel, das ein Diesel- oder Benzinmotor sein kann, ermittelt die Routine zunächst bei 710 die Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise Motordrehzahl, Motorlast, Drosselstellung, Motorsaugrohrdruck, Motortemperatur, Speicherdruck von Behälter 316, Temperatur von Behälter 316, Drehzahl von Turbine/Verdichter usw.

Dann ermittelt die Routine bei 712, ob ein Gaspedaltreten unter Bedingungen erfolgt ist, bei denen ein Turboloch vorliegen kann. Dies kann zum Beispiel während niedrigerer Drehzahlbedingungen der Turbine oder Luftdurchsatzbedingungen niedriger Masse eintreten. Wenn ja, geht die Routine weiter zu 714, um zu ermitteln, ob Druckluft verfügbar ist, zum Beispiel als Reaktion auf Druck im Behälter 316. Ferner kann Bedarf nach zusätzlicher Druckluft auch auf anderen Hinweisen beruhen, beispielsweise einem Sollmotordrehmoment, einem vom Fahrer geforderten Drehmoment, etc. Zusätzlich oder in einer Alternative kann auch ein Hinweis erzeugt werden, dass zusätzliche Druckluft während Motorkaltstartens erwünscht ist. Zum Beispiel kann ein Verstärken von Zylindereinlassdruck zu höheren Verdichtungstemperaturen im Brennraum führen und zur Verbesserung von Verbrennung bei Motorkaltstarts führen, insbesondere bei einem Dieselmotor. Es kann eine separate Aufladesteuerstrategie eingesetzt werden, um das Kaltstarten von Dieselmotoren zu optimieren, zum Beispiel Ermitteln einer Menge verstärkten Luftstroms, die basierend auf Lufttemperatur, Atmosphärendruck, Kühlmitteltemperatur, etc. zu erzeugen ist.

Wenn Druckluft zur Verfügung steht, geht die Routine weiter zu 716, um eine hinzuzufügende Druckluftmenge und/oder eine Dauer der Druckluftzugabe zu ermitteln. Zum Beispiel kann es unter manchen Bedingungen vorteilhaft sein, für eine erste Anzahl an Verbrennungsvorgängen oder bis zum Erreichen einer ausgewählten Turbinendrehzahl Druckluft zu liefern, während es unter anderen Bedingungen vorteilhaft sein kann, über eine längere Dauer oder eine größere Anzahl an Verbrennungsvorgängen oder bis zu einer höheren Turbinendrehzahl Druckluft zu liefern. Weiterhin aktiviert die Routine das Ventil 320, um dem Ejektorsystem Druckluft verfügbar zu machen.

Als Nächstes ermittelt die Routine bei 720, ob die Dauer (oder ein anderes Maß) von 716 verstrichen ist, wodurch angezeigt wird, dass eine weitere Luftzufuhr nicht mehr erforderlich ist. Wenn ja, geht die Routine weiter zu 718, um die Druckluftzugabe zu deaktivieren, z.B. durch Deaktivieren des Ventils 320. Ansonsten geht die Routine weiter zu 722, um den Motorzylindern Druckluft zuzugeben. Die Routine kann zum Beispiel zusätzliche Ventile (falls vorhanden) steuern, um die Steuerzeiten der Druckluftzugabe zu steuern, oder kann ein Ventileinsatz-Ejektorsystem nutzen, wie es hierin beschrieben wird.

Auf diese Weise ist es möglich, zusätzliche Luft zuzuführen, wenn diese zum Ausgleichen des Turbolochs erforderlich ist. Weiterhin kann der Ejektor nur für die Dauer eines Turbolochzeitraums verwendet werden, wodurch die Größe des erforderlichen Druckluftspeichers reduziert wird.

Es versteht sich, dass während des Zeitraums der Lufteinspritzung bei 722, bevor ein Verstreichen der bei 716 berechneten Solldauer der Einspritzung bei 720 ermittelt wird, die Betriebsbedingungen und der Gaspedalbetätigungszustand bei 710 und 712 ständig überwacht werden. Wenn eine Änderung von Bedingungen vorliegt, beispielsweise bei „Meinungsänderung" des Fahrers, wobei die Drosselklappe schnell geschlossen wird, wird eine neue Berechnung der Solldauer zu 720 geschickt, um eine frühere Entscheidung möglicherweise aufzuheben.

Unter Bezug nun auf 9 wird eine zweite beispielhafte Ausführung einer Routine zum Steuern von Motorbetrieb zum Reduzieren eines Turbolochs beschrieben. In diesem Beispiel, das ein Diesel- oder Benzinmotor sein kann, ermittelt die Routine zunächst bei 810 Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise Motordrehzahl, Motorlast, Drosselstellung, Saugrohrdruck des Ansaugkrümmers, Motortemperatur, Speicherdruck des Behälters 316, Temperatur von Behälter 316, Turbinen-/Verdichterdrehzahl usw. Dann ermittelt die Routine bei 812, ob ein Pedalbetätigungszustand oder anderer Zustand, der auf ein mögliches Turboloch hinweist, oder eine Druckluftforderung vorliegt. Zum Beispiel kann Druckluft bei der Kaltstartleistung hilfreich sein, vor allem bei einem Dieselmotor. Wie ferner bezüglich 812 erläutert wurde, können auch andere Parameter und Faktoren verwendet werden. Wenn die Antwort auf 812 ja lautet, geht die Routine weiter zu 814, um eine Menge und/oder Dauer von Druckluftzugabe als Reaktion auf Betriebsbedingungen, beispielsweise der bei 810 ermittelten, zu ermitteln. Dann gibt die Routine bei 816 die extra Luft zu den Zylindern ab, wie vorstehend bezüglich 8 erläutert wurde.

Dann ermittelt die Routine eine Kraftstoffmengenanpassung basierend auf der Zugabe von Druckluft. Weiterhin kann die Routine auch eine Einspritzsteuerzeitverstellung ermitteln, da bei Zugabe von Druckluft andere Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten als bei der Einspritzsteuerung ohne Druckluft verwendet werden können. In dem Beispiel eines Benzinmotors, bei dem ein Kraftstoff-/Luftverhältnis auf einen Sollwert gesteuert wird, beispielsweise um die Stöchiometrie, kann die Routine eine Kraftstoffanpassungsmenge ermitteln, um der zusätzlichen Luft aufgrund der Druckluftzugabe zu entsprechen und dadurch ein Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis beizubehalten.

Als Nächstes ermittelt die Routine bei 820, ob eine Mehrfacheinspritzung verwendet werden kann, die auf Druckluftzugabe oder anderen Betriebsbedingungen beruhen kann. Die Verwendung von mehreren Einspritzungen kann verwendet werden, um eine schnellere Kraftstoffeinspritzung später im Ansaugtakt vorzusehen, statt darauf zu warten, dass spätere Zylinderkraftstoffversorgungsvorgänge der zugegebenen Luft entsprechen. Wenn die Antwort auf 820 ja lautet, geht die Routine weiter zu 822, um die relative Kraftstoffmenge und Steuerzeiten zwischen den mehreren Einspritzvorgängen zu wählen. Dann liefert die Routine bei 824 die Sollkraftstoffeinspritzung (oder -einspritzungen) bei der gewählten Steuerzeit (bzw. Steuerzeiten).

Auf diese Weise ist es möglich, Kraftstoffeinspritzmengen und/oder Steuerzeiten mit der Druckluftzugabe zu koordinieren, um die Wirkungen eines Turbolochs zu reduzieren, während das Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis beibehalten wird.

Anzumerken ist, dass die Routine die zuzugebende Druckluftmenge basierend auf verschiedenen Faktoren ermitteln kann, beispielsweise Krümmerdruck, Druck im Behälter 316, Einlassventilsteuerung usw. Zusätzlich oder alternativ kann die Routine Drucksensoren oder einen Luftmengenmesser verwenden, um die Luftmenge aus dem Ejektorsystem zu messen.

Unter Bezug nun auf 10 wird eine Routine zum Steuern von Druck der den Ejektoranordnungen gelieferten Druckluft beschrieben. Die Routine liest zunächst bei 910 Betriebsbedingungen wie Temperatur, Krümmerdruck, etc. und ermittelt dann einen Sollzufuhrdruck bei 912, der auf den Betriebsbedingungen von 910 beruht. Dann passt die Routine einen Parameter an, beispielsweise ein verstellbares Druckregelventil, um den Sollzufuhrdruck zu erreichen. Auf diese Weise kann unter Bedingungen, bei denen ein höherer Ejektorstrom erwünscht ist oder bei denen die Ventilöffnungszeit verkürzt ist, ein höherer Druck geliefert werden.

Zu beachten ist, dass es Bedingungen geben kann, bei denen es möglich sein könnte, mittels der Ejektoranordnung zusätzliche Luft zuzugeben, es aber nicht möglich ist, entsprechenden zusätzlichen Kraftstoff vorzusehen. Unter solchen Bedingungen kann die Zufuhr der zusätzlichen Luft verzögert werden, bis auch entsprechender Kraftstoff geliefert werden kann, beispielsweise unter Stöchiometriesteuerung bei Benzinmotoren.

Unter Bezug nun auf 11 zeigt eine Kurve den vorteilhaften Betrieb der Verwendung von Kraftstoffdirekteinspritzung mit einem Ejektorkompensationssystem, wie es hierin vorstehend beschrieben wurde. Im Einzelnen zeigt die Kurve den zusätzlichen Intervall (von x1 bis x2), der zum Vorsehen einer extra Kraftstoffeinspritzung zum Ausgleichen der zusätzlichen Luft des Ejektors bei einer Direkteinspritzanlage verglichen mit einer Kanaleinspritzanlage mit Einspritzung bei geschlossenem Ventil zur Verfügung steht.

Zum Beispiel kann es unter Annahme eines Gaspedaltretens an dem festgelegten Punkt bei Verwenden von Kanal-Kraftstoffeinspritzung nicht erwünscht sein, die Druckluft für den anstehenden Zylinder zuzugeben, dessen Ventilsteuerzeit gezeigt wird (da die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff auch eine gewisse Zeitdauer erfordert). Wenn aber eine Kraftstoff-Direkteinspritzung verwendet wird und zum Beispiel die Dauer der Kraftstoffeinspritzung verlängert wird (oder eine zweite Einspritzung verwendet wird), kann es immer noch möglich sein, die Kraftstoffeinspritzung für die zusätzliche Luft auszugleichen, und somit können die zusätzliche Luft und der zusätzliche Kraftstoff für den gezeigten Zylinder vorgesehen werden. Ein solcher Betrieb kann eine schnellere Reaktion auf Fahrerintervention ermöglichen, während immer noch ein erwünschtes Kraftstoff-/Luftverhältnis der Verbrennung beibehalten wird. Auf diese Weise ist es immer noch möglich, den Kraftstoff und die Luft eines bald zu zündenden Zylinders anzupassen, selbst wenn eine unerwartete Fahrerintervention erfolgt.

Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Prozesse beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend zu betrachten sind, da zahlreiche Veränderungen möglich sind. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Nockenwellen- und/oder Ventilsteuerzeiten, Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten und sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart werden.

Ferner können die hierin offenbarten Konzepte auf duale Kraftstoffmotoren angewendet werden, die verschiedene Arten von gasförmigen Kraftstoffen und flüssigen Kraftstoffen verbrennen können.

Als noch weiteres Beispiel kann die bestimmte Anordnung von Sensormessungen verändert und/oder abgewandelt werden. Zum Beispiel kann ACT vor einem Turboladerverdichter gemessen werden und MAP nach dem Verdichter gemessen werden. Solche Mess-Stellen können besonders vorteilhaft sein, da der MAP bei einem gewissen Betrieb des Zylinders/der Zylinder einflussreicher als der Druck stromabwärts sein kann und der ACT-Sensor eine Zeitverzögerung haben kann, die ihn während Transienten unpräzis machen würde, bei denen der Ladedruck und die resultierende Temperatur sich schnell ändern. Somit kann das Platzieren des ACT-Sensors vor dem Verdichter stabiler bleiben.

In einer anderen Ausführung kann eine Strategie der Zündverstellung in Richtung früh bei einem Benzinmotor angepasst werden, um Druckluftzufuhr zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann das Steuergerät während Ejektorfunktion eine Zündverstellung in Richtung früh in einer zumindest teilweise rückführungslosen Weise anpassen, um schnelle transiente Bedingungen zu bewältigen, da Sensorzeitverzögerungen erheblich sein können. Auf diese Weise kann während der Zufuhr ein andernfalls mögliches Motorklopfen reduziert oder vermieden werden, wodurch eine verbesserte Leistung erreicht wird.

Die folgenden Ansprüche heben insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hervor, die als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der Einspritz- und Temperaturverfahren, -prozesse, -vorrichtungen sowie andere Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.


Anspruch[de]
System, welches umfasst:

einen Motor mit mindestens einem Zylinder mit einem Einlassventil, das zum Bedecken und Aufdecken einer Einlassöffnung in den Zylinder ausgelegt ist,

wobei der Zylinder mit einem Ansaugkrümmer verbunden ist;

eine mit dem Motor verbundene Verdichtungsvorrichtung; und

eine Luftzufuhrdüse, die zum Zuführen von Druckluft zu dem Zylinder mittels der Öffnung ausgelegt ist, wobei die Düse eine zulaufende-auseinanderlaufende Form aufweist, so dass ausgestoßene Luft zumindest unter einigen Betriebsbedingungen Überschallgeschwindigkeit aufweist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgestoßene Luft mit einem Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit gemischt wird, wobei der Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit von dem Ansaugkrümmer stammt und wobei Zündsteuerzeiten des Motors während der Zufuhr von Druckluft verstellt werden. System nach Anspruch 1, welches weiterhin mehrere Düsen umfasst, mit mindestens einer Düse für jeden Zylinder des Motors, wobei jede der Düsen ein in dem Ansaugkrümmer angeordneter Ejektor ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse in einem Ventilsitz angeordnet ist und die Düse eine ringförmige Düse ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse in einem in einem Zylinderkopf angeordneten einteiligen Venilsitzeinsatz angeordnet ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse in einem in einem Zylinderkopf angeordneten zweiteiligen Ventilsitzeinsatz angeordnet ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse während Motorstartens Luft zuführt. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse während Motorkaltstartens Luft zuführt. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung einen Turbolader aufweist und das System weiterhin ein Steuergerät umfasst, das zum Zuführen der Druckluft als Reaktion auf ein Gaspedaltreten durch einen Fahrzeugführer ausgelegt ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung einen Lader umfasst. System für einen Motor mit:

einer ringförmigen zulaufenden-auseinanderlaufenden Überschalldüse; und

einem Ablassventil des Motors, das zum Bedecken und Aufdecken der Düse zum Regeln von Luftzufuhr von der Düse zu einem Zylinder des Motors ausgelegt ist.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassventil mit einem Auslassende der Düse verbunden ist. System mit:

einem Motor mit mindestens einem Zylinder mit einem Einlassventil, das zum Bedecken und Aufdecken einer Einlassöffnung in den Zylinder ausgelegt ist,

wobei der Zylinder mit einem Ansaugkrümmer verbunden ist;

einem mit dem Motor verbundenen Turbolader;

einem Speicherbehälter zum Speichern von in einem Verdichter druckbeaufschlagter Luft;

einer Luftzufuhrdüse, die zum Zuführen der Druckluft mittels der Öffnung zu dem Zylinder ausgelegt ist, wobei die Düse eine zulaufende-auseinanderlaufende Form aufweist und in einem Ventilsitz angeordnet ist; sowie

einem mit dem Zylinder verbundenen Direkteinspritzventil.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ausgestoßene Luft zumindest unter einigen Betriebsbedingungen Überschallgeschwindigkeit hat und mit einem Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit gemischt wird, wobei der Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit von dem Ansaugkrümmer stammt. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düse in dem Ventilsitzeinsatz befindet. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düse in einem einteiligen Ventilsitzeinsatz befindet. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düse in einem zweiteiligen Ventilsitzeinsatz befindet. System nach Anspruch 15, welches weiterhin ein Steuergerät umfasst, das zum Zuführen der Druckluft als Reaktion auf ein Gaspedaltreten durch einen Fahrzeugführer und zum Anpassen des von dem Einspritzventil eingespritzten Kraftstoffs zum Ausgleichen der zusätzlichen Luft im Zylinder, die durch die Zufuhr von Druckluft bewirkt wird, ausgelegt ist. System nach Anspruch 13, welches weiterhin eine Zündkerze in dem Zylinder umfasst. Verfahren zum Steuern eines Motors mit einem Turbolader und einer Luftejektoranordnung zum Pressen von Druckluft in die Motorzylinder, wobei das Verfahren umfasst:

Zuführen von Druckluft mittels einer zulaufenden-auseinanderlaufenden Düse in der Luftejektoranordnung als Reaktion auf ein Gaspedaltreten des Fahrers;

Einstellen einer Dauer der Zufuhr von Luft, um einer erwarteten Dauer des Turbolochzeitraums des Motors zu entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 20, welches weiterhin das Schätzen einer in den Zylinder eindringenden Luftmenge basierend auf einem Speicherdruck und Zylinderdruck umfasst. Verfahren nach Anspruch 20, welches weiterhin das Ausführen mehrerer Kraftstoffeinspritzvorgänge während eines Zyklus des Motors umfasst, in dem die Druckluft zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 20, welches weiterhin das Beenden der Zufuhr von Druckluft als Reaktion auf mindestens eines von Aufbrauchen des Druckluftspeichers und Hochdrehen des Turboladers umfasst. Verfahren nach Anspruch 20, welches weiterhin das Verstellen der Zündsteuerzeiten des Motors während mindestens eines Teils der Dauer zum Mindern einer Neigung zu Motorklopfen umfasst.






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