CH700911B1 - Leitapparat für einen Abgasturbolader einer mit Schweröl betriebenen Hubkolben-Brennkraftmaschine und Verfahren zur Funktionssicherung eines solchen Leitapparates. - Google Patents

Abstract

Ein Leitapparat für eine, insbesondere axial angeströmte, Turbine eines Abgasturboladers einer mit Schweröl betriebenen Hubkolben-Brennkraftmaschine umfasst eine Mehrzahl von mittels eines Stellringes (6) verstellbaren Leitschaufeln (2), wobei der Stellring über wenigstens zwei über den Umfang des Stellringes verteilte Koppelelemente (8) mit einer Stelleinrichtung (10) gekoppelt ist. Der Leitapparat umfasst eine Krafterfassungseinrichtung zur direkten und/oder indirekten Erfassung der zur Verstellung der Leitschaufeln von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte; und/oder eine Positionserfassungseinrichtung zur direkten und/oder indirekten Erfassung der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen. Weiter umfasst der Leitapparat eine Überwachungseinrichtung zum Vergleich der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte und/oder der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen und zur Ausgabe eines Ergebnisses dieses Vergleichs an eine Steuerung der Abgasturbine.

Description

  [0001]    Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leitapparat für eine Turbine eines Abgasturboladers einer mit Schweröl betriebenen Hubkolben-Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Funktionssicherung eines solchen Leitapparates.

  

[0002]    Eine Turbine eines Abgasturboladers wird durch Abgase einer Brennkraftmaschine angeströmt. Dies treibt ein mit der Turbine gekoppeltes Verdichterrad an, das der Brennkraftmaschine verdichtete Frischluft zuführt und so den Wirkungsgrad erhöht. Die Abgase werden durch einen Leitapparat auf die Schaufeln der Turbine gelenkt, um ihre Druckenergie möglichst optimal umzusetzen.

  

[0003]    Neben starren Leitapparaten, die nur für einen Betriebspunkt optimal ausgelegt werden können, sind aus der DE 10 311 205 B3 und der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Nummer 10 2007 021 340 mit dem Titel "Leitapparat für eine axial angeströmte Turbine eines Abgasturboladers" Leitapparate für Turbinen mit variabler Turbinengeometrie bekannt, bei denen die Schaufeln des Leitapparates einstellbar sind, um den Abgasstrom zu steuern bzw. zu regeln. Hierzu kann in diesen bekannten Leitapparaten ein Stellring mittels einer über Koppelelemente mit dem Stellring gekoppelten Stelleinrichtung verdreht werden, wobei die über Stellhebel mit dem Stellring verbundenen Leitschaufeln verschwenkt werden.

  

[0004]    Bei mit Schweröl betriebenen Hubkolben-Brennkraftmaschinen enthält das den Leitapparat durchströmende Abgas vermehrt Fremdstoffe, die sich teilweise auch an den Leitschaufeln, den Stellhebeln, dem Stellring, den Koppelelementen und der Stelleinrichtung absetzen und so deren Funktion beeinträchtigen. Wird der Stellring über mehrere, über seinen Umfang verteilte Koppelelemente von der Stelleinrichtung aktuiert, können unterschiedliche Ablagerungen an den verschiedenen Koppelelementen, insbesondere deren Verbindungen mit dem Stellring oder der Stelleinrichtung, zu einer asynchronen Krafteinleitung in den Stellring führen, was nicht nur die Lager belastet und eine synchrone Verstellung der Leitschaufeln beeinträchtigt, sondern bis zur Selbsthemmung des Verstellmechanismus führen kann.

  

[0005]    Die DE 10 311 205 B3 schlägt daher vor, die Leitschaufeln gegen den Strömungskanal, in dem sie angeordnet sind, vorzuspannen, so dass sie Feststoffpartikel, die sich zwischen Leitschaufel und Strömungskanal festsetzen wollen, bei einem Verschwenken abschaben. Damit können jedoch Ablagerungen nicht erkannt oder im gesamten Verstellmechanismus verhindert werden.

  

[0006]    Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Leitapparat mit erhöhter Funktionssicherheit und ein Verfahren zur Funktionssicherung eines solchen Leitapparates zur Verfügung zu stellen.

  

[0007]    Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1, 3 bzw. 4 gelöst.

  

[0008]    Ein Leitapparat nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von Leitschaufeln, die mittels eines Stellringes verstellbar sind, um die Abgasströmung einzustellen. Der Stellring ist über wenigstens zwei über den Umfang des Stellringes verteilte Koppelelemente mit einer Stelleinrichtung gekoppelt. Bevorzugt sind die Koppelelemente symmetrisch über den Umfang verteilt, beispielsweise bei zwei Koppelelementen etwa um 180[deg.] gegeneinander versetzt, bei drei Koppelelementen um 120[deg.] und so weiter.

  

[0009]    Der Leitapparat umfasst weiter eine Krafterfassungseinrichtung zur direkten und/oder indirekten Erfassung der zur Verstellung der Leitschaufeln von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte. Bevorzugt sind die Koppelelemente mit unterschiedlichen Aktuatoren der Stelleinrichtung gekoppelt, beispielsweise mit pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagten Stellzylindern oder Elektromotoren, wobei vorteilhafterweise die einzelnen Aktuatoren miteinander synchronisiert sind. Jedem Koppelelement können ein oder mehrere Aktuatoren zugeordnet sein. Gleichermassen kann ein Aktuator mehrere Koppelelemente beaufschlagen.

  

[0010]    Zur direkten Erfassung der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte können beispielsweise der Druck in den Stellzylindern, die Kräfte in den Koppelelementen oder die Drehmomente der Elektromotoren gemessen werden. Hierzu kann die Kraftmesseinrichtung entsprechende Druck-, Kraft- bzw. Drehmomentmesser umfassen.

  

[0011]    Zur indirekten Erfassung der Kräfte können beispielsweise die von den Aktuatoren aufgenommenen elektrischen oder mechanischen Leistungen erfasst werden.

  

[0012]    Der Leitapparat umfasst weiter eine Überwachungseinrichtung zum Vergleich der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte miteinander und zur Ausgabe eines Ergebnisses dieses Vergleichs an eine Steuerung der Abgasturbine.

  

[0013]    Wird der Stellring durch die Aktuatoren, beispielsweise positionsgeregelte Elektromotoren oder Hydraulikzylinder, bewegt, und ergibt sich dabei aufgrund von unterschiedlichen Ablagerungen an den einzelnen Koppelelementen oder aus anderen Gründen eine asynchrone Verstellung der einzelnen Koppelelemente, so werden infolgedessen von der Stelleinrichtung unterschiedliche Kräfte auf die einzelnen Koppelelemente aufgebracht.

  

[0014]    Die Überwachungseinrichtung kann durch Vergleich der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte miteinander eine solche asynchrone Verstellung erkennen und diese an die Steuerung der Abgasturbine melden.

  

[0015]    Bei einer asynchronen Verstellung kann eine Kraft in einem stärker beanspruchten Koppelelement einen gewissen Grenzwert übersteigen, den sie bei synchroner Verstellung nicht erreichen würde. Alternativ oder zusätzlich zum Vergleich der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte miteinander kann die Überwachungsvorrichtung daher auch die einzelnen Kräfte mit Grenzwerten vergleichen und anhand des Überschreitens dieser Grenzwerte eine asynchrone Verstellung erkennen und diese an die Steuerung der Abgasturbine melden.

  

[0016]    Je nach Grösse der Abweichung zwischen den auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräften untereinander bzw. zwischen einem Grenzwert und der ihn überschreitenden Kraft kann die Steuerung dann den Betrieb der Abgasturbine einschränken, beispielsweise die Last begrenzen, oder den Betrieb völlig verhindern, zum Beispiel den Abgasturbolader kontrolliert stillsetzen. Hierbei kann beispielsweise ein erster Grenzwert und ein zweiter, grösserer Grenzwert vorgegeben werden. Überschreitet eine auf ein Koppelelement aufgebrachte Kraft bzw. eine Differenz zwischen auf zwei Koppelelemente aufgebrachten Kräften den ersten Grenzwert, wird eine Lastbegrenzung ausgegeben. Überschreitet die Kraft bzw. die Differenz den zweiten Grenzwert, wird der Abgasturbolader stillgesetzt.

  

[0017]    Die Erfassung und der Vergleich der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachter Kräfte miteinander oder mit vorgegebenen Grenzwerten kann vor, während und/oder nach dem Betrieb des Abgasturboladers erfolgen. Vor dem Betrieb können hierzu die Leitschaufeln probeweise verstellt und die einzelnen Kräfte erfasst und verglichen werden. Dies erlaubt das frühzeitige Erkennen und Beheben einer Funktionsstörung. Zudem sind vor dem Betrieb die Verstellkräfte insgesamt mangels Abgasdruck deutlich geringer, so dass geringfügigere Unterschiede zwischen den auf die einzelnen Koppelelemente ausgeübten Kräften besser erkannt werden können. Während des Betriebes kann eine sich abzeichnende Funktionsstörung sehr frühzeitig erkannt und rasch reagiert werden.

   Nach dem Betrieb können wiederum die Leitschaufeln probeweise verstellt und die einzelnen Kräfte erfasst und verglichen werden, um beispielsweise einen Reinigungsbedarf in der auf den Betrieb folgenden Periode festzustellen.

  

[0018]    Ein Leitapparat nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung entspricht im Wesentlich der vorstehend beschriebenen ersten Ausführung und umfasst zusätzlich oder alternativ zur Krafterfassungseinrichtung eine Positionserfassungseinrichtung zur direkten und/oder indirekten Erfassung der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen.

  

[0019]    Zur direkten Erfassung der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen können beispielsweise die Wege und/oder Winkel der Koppelelemente erfasst werden. Zur indirekten Erfassung der Stellungen können beispielsweise die Hubwege der Stellzylinder oder die Drehwinkel der Elektromotoren gemessen werden.

  

[0020]    Die Überwachungseinrichtung des Leitapparates nach der zweiten Ausführung vergleicht die von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen miteinander und gibt das Ergebnis dieses Vergleichs an die Steuerung der Abgasturbine aus.

  

[0021]    Wird der Stellring durch die Aktuatoren, beispielsweise kraftgesteuerte Elektromotoren oder Hydraulikzylinder, bewegt, und ergibt sich dabei aufgrund von unterschiedlichen Ablagerungen an den einzelnen Koppelelementen oder aus anderen Gründen eine asynchrone Verstellung der einzelnen Koppelelemente, so wird diese durch den Vergleich der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen erkannt. Dabei sind natürlich unterschiedliche Übersetzungs- oder Hebelverhältnisse der einzelnen Koppelelemente zu berücksichtigen. Muss beispielsweise ein Koppelelement einen doppelt so grossen Winkel wie ein anderes Koppelelement überstreichen, um den Stellring um denselben Winkelbereich zu verdrehen, wird die Änderung seiner Stellung beim Verstellen der Leitschaufeln halbiert, bevor sie mit der des anderen Koppelelementes verglichen wird.

  

[0022]    Je nach Grösse der Abweichung zwischen den von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen kann die Steuerung wiederum den Betrieb der Abgasturbine einschränken oder den Betrieb völlig verhindern, wobei wiederum unterschiedliche Grenzwerte vorgegeben werden können, um beispielsweise beim Überschreiten eines ersten Grenzwertes eine Lastbegrenzung auszugeben und beim Überschreiten eines zweiten Grenzwertes den Abgasturbolader kontrolliert stillzusetzen.

  

[0023]    Auch die Erfassung und der Vergleich der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen miteinander kann vor, während und/oder nach dem Betrieb des Abgasturboladers erfolgen.

  

[0024]    Mit einem Leitapparat nach der vorstehend beschriebenen ersten oder zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine asynchrone Verstellung der einzelnen Koppelelemente erkannt werden, die aus einer Ablagerung von Fremdpartikeln an den Leitschaufeln, Stellhebeln, dem Stellring, den Koppelelementen oder der Stelleinrichtung resultiert und so die Funktion des Leitapparates beeinträchtigt. Hierauf kann dann mit entsprechenden Gegenmassnahmen, beispielsweise einer Lastbegrenzung oder einer Stillsetzung des Abgasturboladers zu Wartungs- und Reinigungszwecken reagiert werden und so die Funktionssicherheit des Leitapparates sichergestellt werden.

  

[0025]    Es ist jedoch wünschenswert, eine solche Funktionsstörung nicht nur frühzeitig zu erkennen, sondern insbesondere die sie verursachenden Ablagerungen rechtzeitig zu entfernen und so die Gefahr solcher Funktionsstörungen zu verringern.

  

[0026]    Hierzu werden nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung vor, während und/oder nach dem Betrieb des Abgasturboladers die mittels einer Stelleinrichtung zwischen zwei Extremalstellungen verstellbaren Leitschaufeln zunächst in die eine der zwei Extremalstellungen verstellt und anschliessend, ausgehend von der einen Extremalstellung, in die andere der zwei Extremalstellungen verstellt. Mit anderen Worten werden die Leitschaufeln vor, während und/oder nach dem Betrieb des Abgasturboladers wenigstens einmal über den gesamten Verstellbereich verstellt.

   Die Extremalstellungen können insbesondere durch die, beispielsweise durch mechanische Anschläge oder entsprechende Vorgaben in der Steuerung der Stelleinrichtung, fest oder variabel vorgegebenen Endstellungen der Leitschaufeln gebildet werden, also dem maximal geöffneten bzw. geschlossenen Leitapparat entsprechen. Gleichermassen können die Extremalstellungen auch abweichend hiervon definiert sein. So können die Extremalstellungen im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch geringfügig vor der mechanisch maximal möglichen Öffnungs- bzw. Schliessstellung des Leitapparates gewählt werden, um das Anfahren von mechanischen Anschlägen zu vermeiden und so die Verstelleinrichtung zu schonen.

  

[0027]    Beim Verstellen der Leitschaufeln werden Ablagerungen, die sich an den Leitschaufeln oder den Elementen des Verstellmechanismus absetzen, mechanisch entfernt. Beispielsweise schaben Leitschaufeln Fremdstoffe ab, die sich zwischen den Stirnflächen der Leitschaufeln und den diesen gegenüberliegenden Wänden des Strömungskanals absetzen. Ist die Stelleinrichtung über ein oder mehrere Koppelelemente mit einem Stellring gekoppelt, der wiederum über Stellhebel die einzelnen Leitschaufeln bewegt, wie dies vorstehend mit Bezug auf die erste und zweite Ausführung beschrieben wurde, so reinigen die Koppelelemente durch ihre Bewegung die Gelenke, mit denen sie mit Stelleinrichtung bzw. Stellring verbunden sind.

   Beispielsweise kann ein Kolben eines Hydraulikzylinders bei seiner Hubbewegung Fremdstoffe an einer Dichtlippe abstreifen oder eine auf einer Spindel wandernde Mutter eines Linearspindeltriebes Fremdstoffe aus den Schraubengängen der Spindel entfernen.

  

[0028]    Im normalen Betrieb werden die Leitschaufeln nur in kleineren Teilbereichen des gesamten Verstellbereiches verstellt, so dass die Wand-, Gelenk- bzw. Gewindebereiche, die bei dieser Verstellung nicht überstrichen werden, sich mit zunehmendem Betrieb zusetzen. Dies ist besonders gefährlich, wenn - beispielsweise bei einem Lastabwurf oder einer plötzlichen Maximallastabforderung - die Leitschaufeln in eine Extremalstellung verstellt werden müssen, die Verstellung in diese im normalen Betrieb selten oder nie angefahrene Stellung jedoch durch Ablagerungen behindert wird, die sich in den entsprechenden äussersten Wand-, Gelenk- bzw. Gewindebereichen abgesetzt haben. Daher wird nach der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung unabhängig von den tatsächlichen, zur Steuerung bzw.

   Regelung des Abgasstroms erforderlichen Verstellung der Leitschaufeln, der gesamte Verstellbereich wenigstens einmal vollständig durchfahren und so auch Ablagerungen in Bereichen entfernt, die im normalen Betrieb selten oder nie überstrichen werden.

  

[0029]    Wird der Verstellbereich vor dem Betrieb des Abgasturboladers durchfahren, können hierdurch Ablagerungen entfernt werden, die sich in der Zwischenzeit angesammelt haben und die Aufnahme des Betriebes behindern. Solche Fremdpartikel, die sich nicht unter dem Druck des Abgases an den Leitschaufeln oder dem Verstellmechanismus abgelagert haben, wurden durch den fehlenden Abgasdruck nicht so stark verfestigt und können beim Durchfahren des Verstellbereiches noch leicht entfernt werden.

  

[0030]    Wird der Verstellbereich während des Betriebes des Abgasturboladers durchfahren, können Ablagerungen bereits frühzeitig entfernt werden. Hierdurch kann die Ansammlung und Verfestigung entsprechend grosser Ablagerungen vermieden werden. Vorteilhafterweise werden die Ablagerungen dabei durch den Abgasstrom mitgerissen und von dem Leitapparat fortbefördert.

  

[0031]    Wird der Verstellbereich kurz nach dem Betrieb des Abgasturboladers durchfahren, wird eine Störung des Betriebs durch die nicht der Abgasstromsteuerung dienenden Verstellung des Leitapparates vermieden. Wie bei dem Durchfahren vor dem Betrieb sind auch geringere Kräfte notwendig, da der Abgasdruck nicht überwunden werden muss. Kurz nach dem Betrieb haben sich Ablagerungen auch noch nicht chemisch, durch Austrocknung oder dergleichen verfestigt und können so leicht entfernt werden.

  

[0032]    Während des Verstellens der Leitschaufeln in die eine und/oder andere der zwei Extremalstellungen kann die hierzu notwendige Kraft direkt und/oder indirekt erfasst werden. Zusätzlich oder alternativ kann die von den Leitschaufeln eingenommene Stellung direkt und/oder indirekt erfasst werden. Wie vorstehend mit Bezug auf die ersten und zweite Ausführung beschrieben, kann aus den zur Verstellung erforderlichen Kräften bzw. der bei einer bestimmten Stellkraft von den Leitschaufeln eingenommenen Stellung auf eine Behinderung des Verstellmechanismus durch Ablagerungen geschlossen werden.

   Wird der Stellring beispielsweise mittels eines oder mehrerer Koppelelemente durch die Stelleinrichtung verdreht, und müssen hierbei ein oder mehrere Aktuatoren der Stelleinrichtung ungewöhnlich hohe Kräfte aufbringen bzw. eine übermässig hohe Leistung aufnehmen, oder erreichen die Leitschaufeln bei Aufprägen einer bestimmten, bei nicht behindertem Verstellmechanismus ausreichenden Kraft nicht die vorgesehene Stellung, so zeigt dies eine Behinderung des Verstellmechanismus durch Ablagerungen an.

  

[0033]    In diesem Fall kann, wie wiederum mit Bezug auf die erste und zweite Ausführung beschrieben, der Betrieb der Abgasturbine eingeschränkt oder verhindert werden. Bevorzugt kann also die dritte Ausführung mit der ersten oder zweiten Ausführung kombiniert sein, indem das Durchfahren des gesamten Verstellbereichs zu Reinigungszwecken gleichermassen zur Überprüfung der Funktion, insbesondere der synchronen Verstellung, genutzt wird.

  

[0034]    Zusätzlich oder alternativ kann die Überwachung der beim Verstellen der Leitschaufeln in die eine und/oder andere der zwei Extremalstellungen notwendigen Kräfte bzw. der von den Leitschaufeln eingenommenen Stellungen auch verwendet werden, um den Reinigungsbedarf zu erfassen. So können die Leitschaufeln mehrfach so lange in die eine und/oder die andere der zwei Extremalstellungen verstellt werden, bis anhand der Kräfte oder eingenommenen Stellungen erkannt wird, dass der Verstellmechanismus ungehindert funktioniert und nicht mehr in unzulässigem Masse durch Ablagerungen behindert wird.

  

[0035]    Beispielsweise können die Leitschaufeln so lange von der einen in die andere Extremalstellung und wieder zurück in die eine Extremalstellung verstellt werden, bis die Kraft bzw. Kräfte, die hierzu von der Stelleinrichtung aufgebracht und beispielsweise direkt über einen Kraft- oder Drehmomentmesser oder indirekt über die aufgenommene Leistung erfasst werden können, einen bestimmten Grenzwert nicht mehr übersteigen, der anzeigt, dass die Verstellung noch zu stark von Ablagerungen behindert wird. Gleichermassen können die Leitschaufeln so lange zwischen den zwei Extremalstellungen verstellt werden, bis die Leitschaufeln durch eine vorgegebene Kraft in eine bestimmte Mindestposition, beispielsweise die eine und/oder andere Extremalposition, verstellt werden können.

  

[0036]    Alternativ oder zusätzlich kann auch eine bestimmte Mindestanzahl von Verstellungen über den gesamten Verstellbereich vor und/oder nach jedem Betrieb des Abgasturboladers und/oder in bestimmten Zeitintervallen während jedes Betriebs des Abgasturboladers durchgeführt werden.

  

[0037]    Gleichermassen kann das Durchfahren des gesamten Verstellbereiches zu Reinigungszwecken durchgeführt werden, wenn anhand der Kräfte bzw. Leitschaufelpositionen eine Behinderung des Leitapparates erkannt wird.

  

[0038]    Wie aus vorstehenden Ausführungen deutlich wird, ist es nicht notwendig, jedoch vorteilhaft, die Merkmale der ersten oder zweiten Ausführung mit denen der dritten Ausführung zu kombinieren.

  

[0039]    Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
<tb>Fig. 1<sep>einen Leitapparat nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

  

[0040]    Fig. 1 zeigt einen Leitapparat nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung für eine axial angeströmte Turbine eines Abgasturboladers eines mit Schweröl betriebenen 2-Takt-Dieselmotors. Der Leitapparat umfasst eine Mehrzahl von mittels eines Stellringes 6 verstellbaren Leitschaufeln 2, die in einem Leitschaufelträger 3 gelagert sind. Durch Drehen des Stellringes 6 um die Turbinenachse A werden die Leitschaufeln 2, die mit dem Stellring über Stellhebeln 5 verbunden sind, verschwenkt und stellen so den Abgasstrom ein.

  

[0041]    Der Stellring 6 ist über zwei über seinen Umfang verteilte Koppelelemente 8 mit einer Stelleinrichtung gekoppelt, die im Ausführungsbeispiel zwei Aktuatoren in Form von Stellmotoren 10 umfasst. Stellring 6 und Stellmotoren 10 sind hierzu in nicht näher dargestellter Weise derart miteinander verbunden, dass eine Drehung der Abtriebswelle eines Stellmotors 10 (nicht dargestellt) eine Spindel 7 des Koppelelementes 8 dreht, wodurch eine in ein Schraubgewinde der Spindel 7 eingreifende Mutter 9 relativ zur Spindel 7 axial verschoben wird. Koppelelement 8 und Mutter 9 sind am Stellring 6 bzw. einem (nicht dargestellten) Gaseintrittsgehäuse des Abgasturboladers befestigt, so dass eine Drehung der Abtriebswelle eines Stellmotors 10 durch den linearen Spindeltrieb 7-9 in eine Drehung des Stellringes 6 umgesetzt wird, der seinerseits die Leitschaufeln 2 verschwenkt.

  

[0042]    Die Koppelelemente 8 sind symmetrisch über den Umfang des Stellringes 6 verteilt und bewirken so durch ihre Krafteinleitung eine Selbstzentrierung des Stellringes 6. Hierzu ist es erforderlich, eine synchrone Krafteinleitung in beiden Koppelelementen zu gewährleisten. Eine asynchrone Krafteinleitung könnte hingegen zu einem Verklemmen des Stellringes führen.

  

[0043]    Hierzu umfasst der Leitapparat des Ausführungsbeispiels eine Krafterfassungseinrichtung zur indirekten Erfassung der zur Verstellung der Leitschaufeln 2 von der Stelleinrichtung 10 auf die Koppelelemente 8 aufgebrachten Kräfte. Nicht dargestellte Leistungsmesser dieser Krafterfassungseinrichtung erfassen die von den Stellmotoren 10 aufgenommenen Leistungen, beispielsweise die von Elektromotoren aufgenommenen elektrischen Leistungen. Diesen können unter Berücksichtigung von Wirkungsgrad, Übersetzungsverhältnissen und dergleichen entsprechende auf die Koppelelemente 8 aufgebrachte Kräfte zugeordnet werden.

  

[0044]    Der Leitapparat umfasst weiter eine (nicht dargestellte) Überwachungseinrichtung. Diese vergleicht die von der Stelleinrichtung 10 auf die Koppelelemente 8 aufgebrachten Kräfte miteinander. Ergibt sich dabei ein Unterschied, der einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so gibt die Überwachungseinrichtung eine entsprechende Meldung an eine Steuerung der Abgasturbine aus.

  

[0045]    Im Betrieb setzen sich Fremdpartikel aus dem Abgas des 2-Takt-Dieselmotors unter anderem an den Leitschaufeln 2, dem Stellring 6 und den Koppelelementen 8 ab und behindern deren Bewegung. Zum einen wird hierdurch grundsätzlich die Funktion des Leitapparates gefährdet. Zum anderen können die beiden Koppelelemente 8 im Laufe der Zeit unterschiedlich stark durch Ablagerungen beeinträchtigt werden, so dass gleiche Stellmomente der beiden Stellmotoren 10 zu unterschiedlichen Kräften in den beiden Koppelelementen 8 und damit einer asynchronen Krafteinleitung führen würden.

  

[0046]    Um eine solche asynchrone Krafteinleitung zu verhindern, werden während des Betriebs des Abgasturboladers, wie vorstehend beschrieben, die zur Verstellung der Leitschaufeln 2 von der Stelleinrichtung 10 auf die Koppelelemente 8 aufgebrachten Kräfte indirekt über die von den beiden Stellmotoren 10 aufgenommenen elektrischen Leistungen erfasst. Beide Stellmotoren 10 sind positionsgeregelt und versuchen, eine vorgegebene Winkelstellung anzufahren, die einer gewünschten Verschwenkung der Leitschaufeln 2 entspricht. Ist dabei ein Koppelelement 8 stärker durch Ablagerungen behindert als das andere, so nimmt der entsprechende Stellmotor 10 mehr elektrische Leistung auf, um die vorgegebene Winkelstellung anzufahren und hierbei die durch die Ablagerungen resultierenden Reibungs- und Verdrängungskräfte zu überwinden.

  

[0047]    Die Überwachungseinrichtung vergleicht die von der Stelleinrichtung 10 auf die Koppelelemente 8 aufgebrachten Kräfte, die in der Krafterfassungseinrichtung indirekt aus den aufgenommenen elektrischen Leistungen bestimmt wurden. Stellt sie dabei eine Differenz fest, die einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, so schränkt sie den Betrieb der Abgasturbine ein und gibt eine entsprechende Warnung aus. Wartungspersonal kann dann den Leitapparat reinigen. Solange die Differenz den vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wird in der Steuerung der Abgasturbine die Last entsprechend begrenzt.

  

[0048]    Um eine Beeinträchtigung des Leitapparates durch Ablagerungen nicht nur zu erkennen, sondern auch zu verhindern und so die Funktion des Leitapparates sicherzustellen, werden darüber hinaus nach dem Betrieb des Abgasturboladers die Leitschaufeln zunächst in eine von zwei Extremalstellungen verstellt, der Leitapparat also beispielsweise vollständig oder nahezu vollständig geschlossen. Anschliessend werden, ausgehend von dieser einen Extremalstellung, die Leitschaufeln in die andere der zwei Extremalstellungen verstellt, der Leitapparat also beispielsweise vollständig oder nahezu vollständig geöffnet.

   Mit anderen Worten wird zeitlich kurz, nachdem der Betrieb des Abgasturboladers beendet worden ist und Ablagerungen an den Leitschaufeln 2, dem Stellring 6 und den Koppelelementen 8 sich noch nicht verfestigt haben, der gesamte Verstellbereich des Leitapparates durchfahren. Dabei werden Ablagerungen auch in den im normalen Betrieb selten überstrichenen Bereichen mechanisch entfernt.

  

[0049]    Während des Verstellens der Leitschaufeln in die Extremalstellungen werden, wie vorstehend mit Bezug auf die asynchrone Krafteinleitung erläutert, die hierzu notwendigen Kräfte indirekt über die von den Stellmotoren 10 aufgenommenen elektrischen Leistungen erfasst. Diese Kräfte werden nun jedoch nicht miteinander, sondern jeweils mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Überschreitet wenigstens eine Kraft diesen Grenzwert, zeigt dies an, dass noch Ablagerungen vorhanden sind, die die Verstellung des Leitapparates in unzulässigem Masse beeinträchtigen. Daher werden die Leitschaufeln 2 so lange zwischen den beiden Extremalstellungen verstellt, bis alle Kräfte den Grenzwert unterschreiten, was anzeigt, dass der Leitapparat nicht mehr in unzulässigem Masse durch Ablagerungen oder dergleichen behindert ist.

  

[0050]    Um eine Ansammlung und Verfestigung der Ablagerungen bereits frühzeitig zu verhindern, kann das oben erläuterte Durchfahren des gesamten Verstellbereichs zusätzlich auch während des Betriebs des Abgasturboladers durchgeführt werden, sofern die damit einhergehende Änderung der Turbinen- und Verdichterleistung des Abgasturboladers akzeptabel ist. Überschreitet hierbei wenigstens eine der zur Verstellung der Leitschaufeln 2 erforderlichen Kräfte einen vorgegebenen Grenzwert, kann wiederum das Durchfahren des Verstellbereiches fortgesetzt werden, bis die Ablagerungen in ausreichendem Masse beseitigt sind, und/oder gleichzeitig die Last des Abgasturboladers begrenzt, d.h. sein Betrieb eingeschränkt werden.

  

[0051]    In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels werden während des Verstellens der Leitschaufeln die von den Leitschaufeln eingenommene Stellung bzw. die dieser entsprechende Stellung der Koppelelemente 8 indirekt erfasst, indem ein Wegmesser (nicht dargestellt) die Bewegung der Muttern 9 relativ zu den Koppelelemente 8 erfasst. Über die Stellhebel 5 werden die Relativbewegungen der Muttern 9 in entsprechende Stellungen der Leitschaufeln 2 umgesetzt. Somit kann eine Positionserfassungseinrichtung (nicht dargestellt) aus den Stellungen der Muttern 9 die von den Leitschaufeln 2 eingenommenen Stellungen bestimmen. Anstelle der Stellung der Muttern 9 können gleichermassen auch die Winkelstellungen der Stellmotoren erfasst werden.

  

[0052]    Werden die beiden Stellmotoren 10 kraftgesteuert, d.h. wird auf beide Stellmotoren 10 jeweils eine bestimmte Kraft aufgeschaltet, um eine vorgegebene Stellung der Leitschaufeln 2 einzustellen, so führen Ablagerungen an den Leitschaufeln 2, dem Stellring 6, den Stellhebeln 5 oder den Koppelelementen 8, die den Bewegungswiderstand gegen eine Verstellung erhöhen, dazu, dass die vorgegebene Stellung nicht erreicht wird. Damit kann auch aus der von der Positionserfassungseinrichtung erfassten Stellung der Leitschaufeln auf eine Beeinträchtigung des Leitapparates durch Ablagerungen geschlossen werden. Dementsprechend kann der Betrieb eingeschränkt oder der Verstellbereich ein- oder mehrfach durchfahren werden, um die Ablagerungen zu entfernen.

  

[0053]    Ein weiterer Vorteil, den gesamten Verstellbereich zu Reinigungszwecken zu durchfahren und dabei aus den hierzu erforderlichen Kräften oder den von den Leitschaufeln oder Koppelelementen tatsächlich eingenommenen Stellungen Beeinträchtigungen durch Ablagerungen zu erfassen, besteht darin, dass Beeinträchtigungen durch Ablagerungen in der Nähe der im Normalbetrieb selten überstrichenen Randbereiche des Verstellbereichs frühzeitig erkannt und Gegenmassnahmen ergriffen werden können. Somit kann die Funktion des Leitapparates auch für Grenzsituationen, beispielsweise einen Lastabwurf oder dergleichen, sichergestellt werden.

Claims (8)

1. Leitapparat für eine, insbesondere axial angeströmte, Turbine eines Abgasturboladers, mit einer Mehrzahl von mittels eines Stellringes (6) verstellbaren Leitschaufeln (2),

wobei der Stellring über wenigstens zwei über den Umfang des Stellringes verteilte Koppelelemente (8) mit einer Stelleinrichtung (10) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat

eine Krafterfassungseinrichtung zur direkten und/oder indirekten Erfassung der zur Verstellung der Leitschaufeln von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte; und/oder

eine Positionserfassungseinrichtung zur direkten und/oder indirekten Erfassung der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen umfasst; und dass der Leitapparat weiter eine Überwachungseinrichtung zum Vergleich der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte und/oder der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen und zur Ausgabe eines Ergebnisses dieses Vergleichs an eine Steuerung der Abgasturbine umfasst.

2. Leitapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente mit unterschiedlichen Aktuatoren der Stelleinrichtung gekoppelt sind, wobei die Krafterfassungseinrichtung die von den Aktuatoren aufgenommenen Leistungen, die von den Aktuatoren abgegebenen Kräfte oder Drehmomente und/oder die in den Koppelelementen und/oder dem Stellring wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente erfasst.

3. Verfahren zur Funktionssicherung eines Leitapparates nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren vor, während und/oder nach dem Betrieb des Abgasturboladers die Schritte umfasst:

direkte und/oder indirekte Erfassung der zur Verstellung der Leitschaufeln von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte; und/oder direkte und/oder indirekte Erfassung der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen;

Vergleich der von der Stelleinrichtung auf die Koppelelemente aufgebrachten Kräfte und/oder der von den Koppelelementen eingenommenen Stellungen;

Einschränkung oder Verhinderung des Betriebes der Abgasturbine, wenn während des Verstellens der Leitschaufeln die hierzu erforderlichen Kräfte, deren Differenz und/oder die Differenz zwischen der von den Koppelelementen eingenommenen Stellung und einer Sollstellung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigen.

4. Verfahren zur Funktionssicherung eines Leitapparates nach Anspruch 1 oder 2 mit zwischen zwei Extremalstellungen verstellbaren Leitschaufeln (2), wobei das Verfahren vor, während und/oder nach dem Betrieb des Abgasturboladers die Schritte umfasst:

Verstellen der Leitschaufeln in die eine der zwei Extremalstellungen; und

ausgehend von der einen Extremalstellung, Verstellen der Leitschaufeln in die andere der zwei Extremalstellungen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verstellens der Leitschaufeln in die eine und/oder andere der zwei Extremalstellungen die hierzu notwendige Kraft direkt und/oder indirekt erfasst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verstellens der Leitschaufeln in die eine und/oder andere der zwei Extremalstellungen die von den Leitschaufeln eingenommene Stellung direkt und/oder indirekt erfasst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Abgasturbine eingeschränkt oder verhindert wird, wenn während des Verstellens der Leitschaufeln in die eine und/oder andere der zwei Extremalstellungen die hierzu erforderliche Kraft und/oder die Differenz zwischen der von den Leitschaufeln eingenommenen Stellung und einer Sollstellung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während und/oder nach dem Betrieb des Abgasturboladers die Leitschaufeln mehrfach in die eine und/oder die andere der zwei Extremalstellungen verstellt werden.