(19)
(11) EP 0 095 789 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
07.12.1983  Patentblatt  1983/49

(21) Anmeldenummer: 83200493.1

(22) Anmeldetag:  07.04.1983
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)3F02B 33/42
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT CH DE FR GB IT LI SE

(30) Priorität: 02.06.1982 CH 3371/82

(71) Anmelder: BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
CH-5401 Baden (CH)

(72) Erfinder:
  • Mayer, Andreas
    CH-5443 Niederrohrdorf (CH)
  • El-Nashar, Ibrahim
    CH-8302 Kloten (CH)
  • Spinnler, Fritz
    CH-4410 Liestal (CH)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der Rezirkulation von Abgas in einem Druckwellenlader für einen Verbrennungsmotor


    (57) Im Ansaugluftkanal (7; 34; 49) und/oder im Auspuffkanal (5) des Druckwellenladers sind Stauklappen (13, 14; 36; 48) vorgesehen, durch deren Steuerung der in die Ladeluft rückzuführende Abgasanteil dem Lastzustand des Motors angepasst werden kann. Die Verstellung der Stauklappe bzw. Stauklappen erfolgt über ein Gestänge (38, 39, 40, 41) in Abhängigkeit vom Lastzustand des Motors, wobei ein auf das Gestänge einwirkendes Korrekturglied (42,43) zum Ausgleich von Druckänderungen im Ansaugluftkanal und/oder Auspuffkanal vorgesehen sein kann.




    Beschreibung


    [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung der Rezirkulation von Abgas in einem Druckwellenlader für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5.

    [0002] Es ist üblich, bei Verbrennungsmotoren zur Verringerung der Schadstoffemission, insbesondere des Anteils der Stickoxide und Kohlenwasserstoffe, bei Verbrennungsmotoren der Verbrennungsluft Abgas beizumischen, und zwar bei Saugmotoren der Ansaugluft und bei Ladermotoren der verdichteten Ladeluft.

    [0003] Bei dieser Rückführung oder Rezirkulation eines Teiles der Abgase in die Verbrennungsluft stellt sich bei allen Laderbauarten das Problem der günstigsten Dosierung des rückzuführenden Abgasanteils in Abhängigkeit von der Belastung des Motors.

    [0004] Eine primäre, d.h., ohne Zusatzeinrichtungen funktionierende Rezirkulation von Abgas in die verdichtete Ladeluft durch die Vermischung von Luft und Abgas an der Trennfront der beiden Medien im Druckwellenlader lässt sich in einem bestimmten Drehzahl- und Lastbereich des Motors, beispielsweise im Schwerpunktsbereich eines Fahrzyklus, durch eine Anordnung der Steuerkanten erreichen, bei der im Niederdruckteil das entspannte Abgas nicht vollständig ausgespült wird. Der nicht ausgespülte Anteil des Abgases wird im Hochdruckteil zusammen mit der Frischluft verdichtet und gelangt mit dieser in den Motor. Durch diese primäre Rezirkulationssteuerung über die Steuerkantengeometrie werden die Wirksamkeit der Hochdruckseite und auch die Leerlaufeigenschaften verschlechtert. Da diese Rezirkulationssteuerung über die Niederdruckspülung erfolgt, wird sie auch von den Niederdruckwiderständen beeinflusst, die sich im Laufe der Zeit, namentlich wegen Filterverschmützung, ändern können.

    [0005] Zur Verbesserung des Rezirkulationsverlaufes über den ganzen Betriebsbereich von Druckwellenladern sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, z.B. durch die CH-PS 552 135. Diese beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung, bei der neben der primären Abgasrückführung zwecks Steuerung der Rezirkulation über den ganzen Lastbereich eine sekundäre Abgasrückführung vorgesehen ist. Dabei wird nach den Fig. 7 und 8 dieser Patentschrift Abgas aus dem Abgashochdruckkanal 5 abgezweigt und an mindestens einer Stelle, an der die Zellen des Läufers mit Luft gefüllt sind, direkt in den Druckwellenprozess eingeführt. Die dafür benötigten Elemente komplizieren jedoch den Lader bzw. wirken beim Einbau in das Fahrzeug störend. In thermodynamischer Hinsicht hat diese Lösung den Nachteil, dass wegen der Entnahme von Hochdruckabgas die Differenz von Ladeluftdruck und Hochdruckabgas und auch der Ladedruck verringert werden. Es gelingt aber auf diese Weise eine bessere Anpassung des Rezirkulationsgrades an den jeweiligen Betriebszustand des Motors als durch eine primäre Abgasrückführung allein.

    [0006] Die vorliegende, im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 5 definierte Erfindung entstand aus der Aufgabe, die Nachteile der vorstehend skizzierten, bekannten Lösungen bei möglichst geringem baulichen Aufwand zu vermindern. Insbesondere sollte sie folgende Forderungen erfüllen:

    - Die Erhöhung der Rezirkulation darf die Effizienz des Druckwellenprozesses hochdruckseitig nur geringfügig verschlechtern,

    - die hochdruckseitige Druckdifferenz und die Höhe des Ladedrucks sollen unabhängig von den Rezirkulationskriterien optimiert werden können,

    - der Rezirkulationsgrad soll unabhängig von den Erfordernissen des Leerlaufbetriebs optimierbar sein, und

    - der Rezirkulationsgrad soll unabhängig vom Ansaugwiderstand konstant bleiben, beispielsweise bei Verschmutzung des Filters.



    [0007] Diese Ziele der Erfindung werden erreicht allein durch eine Steuerung der niederdruckseitigen Spülung, wobei aber die für bestmögliche Aufladung günstigste Steuerkantengeometrie beibehalten werden kann.

    [0008] Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In diesen stellen dar:

    Fig. 1 schematisch die prinzipiellen Elemente für die Steuerung des Rezirkulationsgrades,

    Fig. 2 den Verlauf der Trennfronten mit und ohne Rezirkulationssteuerung,

    Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Druckwellenmaschine mit steuerbarer Rezirkulation,

    Fig. 4 ein Rezirkulationskennfeld,

    Fig. 5 ein Steuerdiagramm für den Rezirkulationsgrad,

    Fig. 6 die Definition für den Klappenwinkel, und die

    Fig. 7 und 8 schematisch das Prinzip zweier möglicher Einrichtungen für eine Steuerung des Rezirkulationsgrades.



    [0009] Die schematische Darstellung von Fig. 1 zeigt einen Teil des abgewickelten Mittelschnittes durch den Rotorraum und die angrenzenden Kanäle im Luft- bzw. Gasgehäuse eines Druckwellenladers für einen Dieselmotor. Der Rotorraum ist mit 1 bezeichnet, vom Gasgehäuse 2 und vom Luftgehäuse 3 ist je einer der beiden Hoch- und Niederdruckabgaskanäle, nämlich 4 und 5?bzw. Hoch- und Niederdruckluftkanäle 6 und 7 gezeigt. Der Pfeil 8 deutet die Drehrichtung des Rotors an, die Pfeile 9, 10, 11 und 12 die Strömungsrichtungen des aus dem Motor kommenden Hochdruckabgases, der aus dem Rotor ausgeschobenen, verdichteten Hochdruckluft, d.h., der Ladeluft, des aus dem Rotor auspuffenden Niederdruckabgases bzw. der in den Rotor einströmenden Niederdruckluft, d.h., der Ansaugluft.

    [0010] Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, den Verlauf des Rezirkulationsgrades in Abhängigkeit vom Lastzustand durch Aenderung des Ansaugwiderstandes im Niederdruckluftkanal 7 (=Ansaugluftkanal) und/oder des Auspuffwiderstandes im Niederdruckabgaskanal 5 (=Auspuffkanal) über den ganzen Betriebsbereich in der gewünschten Weise zu steuern.

    [0011] Diese Beeinflussung des Rezirkulationsgrades gelingt durch Anordnung von Stauklappen 13 bzw. 14 entweder im Niederdruckluftkanal 7 oder im Niederdruckabgaskanal 5 oder in beiden Kanälen. Im Schema der Fig. 1 ist sowohl eine Ansaugstauklappe 13 im Niederdruckluftkanal 7 als auch eine Auspuffstauklappe 14 im Niederdruckabgaskanal 5 vorgesehen. Die Drehachsen 15, 16 'dieser Stauklappen liegen in der Mitte der Stauklappen bzw. der Querschnitte der Kanäle. Andere Klappenanordnungen bzw. Drosselbauarten, wie Drehschieber oder dergl. sind natürlich auch möglich, doch sollen sie bei voller Oeffnung den Ansaugwiderstand bzw. auch den Auspuffwiderstand-gegenüber dem Widerstand der freien Kanäle möglichst wenig verschlechtern.

    [0012] Die Wirkung solcher Stauklappen, die, wie gesagt in einem oder in beiden Kanälen vorgesehen werden können, sei anhand der Fig. 2 erläutert, in der im Rotorraum zwei Rotorzellen 17 eingetragen sind, auf deren Darstellung in Fig. 1 verzichtet wurde. Der Uebersichtlichkeit halber sind in Fig. 2 hingegen die Stauklappen 13, 14 weggelassen.

    [0013] In Fig. 2 stellt die eng strichlierte Linie 18 den Verlauf der Trennfront dar, wie sie sich vom Hochdruckbereich zwischen dem Hochdruckabgaskanal 4 und dem Hochdruckluftkanal 6 ausbildet, wenn dort keine Rezirkulation von Abgas auftritt. Die Trennfront 18 verbleibt dann im Hochdruckbereich und in ihrem weiteren Verlauf bis zum Eintritt in den Bereich der Niederdruckkanäle 5 und 7 immer innerhalb des Rotorraums 1. Es kann also, unter der idealisierenden Voraussetzung, dass die Mischzone im Bereich der Trennfront schmal bleibt, kein Abgas in den Kanal 6, also in die Ladeluft,eintreten. Ab dem Gabelungspunkt 19 des Verlaufes der Trennfront 18 biegt diese in den Niederdruckabgaskanal 5, also in den Auspuff,ein, was bedeutet, dass die Ansaugluft die Abgase vollständig ausspült und mit einem geringen, durch einen Strömungspfeil 20 angedeuteten Anteil zusammen mit den Abgasen den Druckwellenlader verlässt. Es findet also bei diesen Verhältnissen theoretisch keine Rezirkulation statt. Praktisch wird aber ein Druckwellenlader so ausgelegt, dass ein Teil der erwähnten Mischzone in einem gewissen Lastbereich in den Hochdruckluftkanal 6 hinein gelangt, was die eingangs erwähnte primäre Abgasrezirkulation ergibt.

    [0014] Mit den beiden Stauklappen 13, 14, siehe Fig. 1, oder einer derselben kann der Rezirkulationsgrad verstärkt und dessen Verlauf 'im Motorkennfeld gesteuert werden. Bei einer Drosselung des Ansaugluftstromes im Kanal 7 durch die Stauklappe 13 und/oder die Stauklappe 14 im Kanal 5 wird die Ausspülung der Abgase behindert, so dass die sich jetzt einstellende Trennfront 21 im Niederdruckbereich vom Gabelungspunkt 19 an den punktiert gezeichneten Verlauf nimmt. Sie verbleibt also nach Verlassen des Niederdruckbereiches im Rotorraum, d.h., in den Rotorzellen. Damit gelangt Abgas zusammen mit der Ansaugluft in den Hochdruckbereich, wo sie zusammen mit der Luft verdichtet und in den Verbrennungsmotor gefördert wird.

    [0015] Die Trennfront 21 zwischen der angesaugten Luft und dem rückzuführenden Abgas bleibt bis zum Eintritt in den nächsten Hochdruckbereich etwa wie im oberen Teil der Fig. 2 erhalten und wird dann von der Front der Hochdruckabgase gegen und in den Hochdruckluftkanal abgedrängt. Da eine Druckwellenmaschine im allgemeinen zwei Hoch- und zwei Niederdruckteile hat, stammt die im unteren Teil der Fig. 2 eingetragene Trennfront 21 nicht vom Niederdruckteil 5+7 im oberen Teil der Fig. 2, sondern vom zweiten, nicht dargestellten Niederdruckteil, während die obere Trennfront 21 in den zweiten, nicht dargestellten Hochdruckteil übergeht.

    [0016] Ein Blockdiagramm eines Druckwellenladers mit steuerbarer Rezirkulation ist in Fig. 3 dargestellt. Darin bezeichnen 22 einen Ansaugluftfilter, 23 einen Ansaugschalldämpfer, 24 den Druckwellenlader, 25 einen Auspuffschalldämpfer, 26 die Ansaugleitung, 27 die Auspuffleitung, 28 die Hochdruckabgasleitung, 29 die Ladeluftleitung, 30 einen dem Luftfilter 22 vorgeschalteten Ansaugstutzen, in dem die ansaugluftseitige Stauklappe 31 vorgesehen ist. Diese könnte, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt, auch unmittelbar vor der Einmündung des Niederdruckluftkanals in den Rotorraum angeordnet sein, aber ebenso an beliebiger anderer, für den Einbau, die Wartung oder das Betätigungsgestänge günstiger Stelle zwischen dem Filter und dem Eintritt der Ansaugluft in den Rotorraum.

    [0017] Die Anordnung einer Stauklappe 31 gemäss Fig. 3 vor dem Filter 22 ergibt eine ausreichend lange Beruhigungsstrecke für die nach Passieren der Stauklappe verwirbelte Ansaugluft.

    [0018] Um den bei einer Verschmutzung des Luftfilters 22 zunehmenden Ansaugwiderstand zu kompensieren, kann, wie später gezeigt wird, im Betätigungsgestänge für die Stauklappe ein Kompensationsglied, etwa eine Druckdose, vorgesehen werden.

    [0019] Die Steuerung für die Stauklappe wird man vorzugsweise so auslegen, dass die Klappe im Leerlauf und im oberen Lastbereich sowie ab einer bestimmten Drehzahl ganz geöffnet ist. In diesen Bereichen ist dann also nur eine primäre Rezirkulation wirksam. Die Fig. 4 zeigt ein ideales Rezirkulationskennfeld, wobei im schraffierten Bereich, der sogenannten "Rezirkulationsinsel" 32, der Schwenkwinkel α , siehe Fig. 6, der Stauklappe konstant sein oder gesteuert werden kann, um den gewünschten Verlauf des Rezirkulationsgrades zu erhalten. Die Muschelkurve 33 gilt für eine konstante Rezirkulation.

    [0020] Praktisch wichtige Möglichkeiten der Klappensteuerung sind beispielsweise:

    - Die Stauklappe wird über das Gaspedal mechanisch in zwei Stellungen gebracht, und zwar in die voll geöffnete in einem gewissen unteren Lastbereich einschliesslich.Leerlauf und in einem oberen Lastbereich bis Vollast sowie in eine zweite, teilgeöffnete Stellung, beispielsweise mit einem Klappenwinkel von 60°, wie es im Oeffnungsdiagramm der Fig. 5 dargestellt ist, wo die Ordinate den in der Fig. 6 definierten Stauklappenwinkel und die Abszisse die Last bzw. die davon abhängige Gaspedalstellung darstellen.

    - Das Oeffnen und Schliessen der Klappe erfolgt -über einen Drehzahlgeber, der die Klappe so steuert, dass die Rezirkulation im oberen Drehzahlbereich reduziert wird.

    - Steuerung der Klappe in Abhängigkeit vom Grad der primären Rezirkulation.



    [0021] Die Fig. 7 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Steuerung der Klappenstellung bei einem Dieselmotor in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung zur Kompensation einer vom Verschmutzungsgrad des Luftfilters und der Drehzahl abhängigen Aenderung des Ansaugwiderstandes.

    [0022] Die Ansaugluftleitung 34 wird dabei in der durch die beiden Strömungspfeile 35 angedeuteten Richtung durchströmt, d.h., dass die Stauklappe 36 vor dem Luftfilter 37 liegt. Die Stauklappe 36 wird in der gewünschten last- oder drehzahlabhängigen Weise vom Gasgestänge 38, 39 über ein zwischen den Stangen 40, 41 eingebautes federndes Element in Form einer in der Nebenfigur dargestellten Druckdose 42 betätigt. In der Hauptfigur ist diese Druckdose 42.schematisch als Feder dargestellt. Der Doppelpfeil 44 weist auf diesen Zusammenhang hin. Der Verstellung der Klappe 36, wie sie sich bei einer starren Verbindung des Gasgestänges mit der Klappe einstellen würde, wird durch die Druckdose 42 eine Korrekturbewegung überlagert, die eine Aenderung des Ansaugwiderstandes infolge einer Filterverschmutzung und/oder Drehzahländerung kompensiert. Das Gehäuse der Druckdose 42 ist mit der Stange 40 und ihre federbelastete, beiderseitig druckbeaufschlagte Membran 43 ist mit der Stange 41 starr verbunden.

    [0023] Für die Beaufschlagung der Membran 43 kommen beispielsweise die statischen Drücke PvK und pnK in der Ansaugluftleitung vor bzw. hinter der Klappe 36 in Frage. Es könnte sich aber auch eine andere Druckdifferenz, vorzugsweise im Ansaugbereich des Druckwellenladers, hiefür als brauchbar erweisen.

    [0024] Nach Fig. 8 kann die Kompensation einer Aenderung des Ansaugwiderstandes auch durch eine Druckdose 45 erreicht werden, bei der die Druckdifferenz zwischen der Umgebungsluft und der Ansaugluftleitung 49 nach dem Luftfilter 46 zur Kompensation der Aenderung des Ansaugwiderstandes benutzt wird, wozu eine Druckabnahmeleitung 50 zwischen der federbelasteten Oberseite der Druckdose 45 und der Ansaugluftleitung 49 hinter dem Filter vorgesehen ist.

    [0025] Zu den Fig. 1 und 2 wäre noch zu erwähnen, dass die schrägverlaufenden Vollinien im Rotorraum Verdichtungswellen und die schrägverlaufenden strichlierten Linien die Expansionswellen des Druckwellenprozesses darstellen.

    [0026] Um zu verhindern, dass bei einem unprogrammgemässen Schliessen einer Stauklappe als Folge einer Havarie im Betätigungsgestänge die Durchströmung und damit Kühlung des Rotors ausfällt, was zur Zerstörung des Laders führen könnte, sind Massnahmen vorzusehen, die eine solche Gefährdung verhindern, z.B. ein Anschlag, der den Klappenschwenkwinkel so begrenzt, dass die Ansaugluftleitung nie ganz geschlossen werden kann. Einen solchen Anschlag wird man vorzugsweise möglichst nahe der Klappenachse vorsehen. Eine weitere vorteilhafte Massnahme für diesen Zweck besteht darin, die Klappe mit dem Schnüffelventil, durch das der Motor in der Anfahrperiode die Verbrennungsluft direkt aus der Atmosphäre ansaugen kann, so zu verbinden, dass letzteres bei geschlossener Stauklappe geöffnet wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer Rückholfeder, die die Klappe im Havariefall in die voll geöffnete Stellung zurückschwenkt.

    [0027] Einfachere Massnahmen bestehen darin, die Klappe mit Löchern zu versehen oder sie nur so gross zu bemessen, dass sie beim grösstmöglichen Schwenkwinkel noch immer einen Teil des Querschnittes der Ansaugluftleitung frei hält.

    [0028] Das für die Stauklappe in einem Niederdruckluftkanal oder in einer Ansaugluftleitung bezüglich der Steuerung oder Regelung und der Kompensation infolge von Druckänderungen im angesaugten Luftstrom gesagte gilt sinngemäss auch für eine allein oder in Verbindung mit einer Luftstauklappe vorgesehene Auspuffstauklappe im Niederdruckabgaskanal bzw. in der Auspuffleitung.


    Ansprüche

    1. Verfahren zur Steuerung der Rezirkulation von Abgas in einem Druckwellenlader für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Rezirkulationsgrades in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors durch Aenderung des Widerstandes im Niederdruckleitungssystem des Druckwellenladers gesteuert wird.
     
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand im Ansaugluftkanal geändert wird.
     
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand im Auspuffkanal geändert wird.
     
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Widerstand im Ansaugluftkanal als auch der Widerstand im Auspuffkanal geändert wird.
     
    5. Druckwellenlader zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zur Rezirkulationssteuerung der Abgase, mit einem Rotorgehäuse, das einen mit axial durchströmten Zellen versehenen Rotor aufnimmt, einem Luftgehäuse mit einem Zuströmkanal für die Ansaugluft und einem Abströmkanal für die verdichtete Ladeluft, ferner mit einem Gasgehäuse mit einem Zuströmkanal für die Hochdruckabgase und einem Abströmkanal für die Auspuffgase, wobei der Zuströmkanal für die Hochdruckabgase und der Abströmkanal für die Ladeluft die Hochdruckseite und der Abströmkanal für das Auspuffgas und der Zuströmkanal für die Ansaugluft die Niederdruckseite des Druckwellenladers bilden, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Kanäle (5, 7; 34; 49) der Niederdruckseite eine Stauklappe (14 und/oder 13; 36; 48) vorgesehen ist und dass die Stauklappe mit einer Betätigungseinrichtung (38 bis 43; 45, 50) für die Steuerung oder Regelung des Rezirkulationsgrades in Wirkverbindung steht.
     
    6. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Abströmkanal (5) für die Auspuffgase als auch im Zuströmkanal (7) für die Ansaugluft eine Stauklappe (14 bzw. 13) vorgesehen ist.
     
    7. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur im Abströmkanal (5) für die Auspuffgase eine Stauklappe (14) vorgesehen ist.
     
    8. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur im Ansaugluftkanal (34; 49) eine Stauklappe (36; 48) vorgesehen ist und diese Stauklappe in Strömungsrichtung vor dem Luftfilter (37; 46) angeordnet ist.
     
    9. Druckwellenlader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung für die Stauklappe (36) bzw. die Stauklappen aus einem mit dem Regelgestänge des Motors verbundenen Gestänge besteht.
     
    10. Druckwellenlader nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine auf die Betätigungseinrichtung einwirkende Kompensationseinrichtung (42; 45) zum Ausgleich der Wirkung von Druckänderungen in der Ansaugluftleitung (34; 49).
     
    11. Druckwellenlader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung eine Druckdose (42), die von den Drücken vor und hinter der Stauklappe (36) in der Ansaugluftleitung (34) beaufschlagbar ist, sowie ein Gestänge (40, 41) aufweist, das die Druckdose (42) mit dem Gestänge (38, 39) der Betätigungseinrichtung kinematisch koppelt.
     
    12. Druckwellenlader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung aus einer in das Betätigungsgestänge eingeschalteten Druckdose (45) besteht, deren Membran vom atmosphärischen Luftdruck und vom Druck hinter einem Luftfilter (46) in der Ansaugluftleitung (49) beaufschlagbar ist.
     




    Zeichnung
















    Recherchenbericht