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Technisches Gebiet
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Diese
Offenbarung bezieht sich auf ein Turboladersteuersystem und insbesondere
auf ein Steuersystem zur Steuerung der Luftmenge, die von dem Turbolader
zu einem Verbrennungsmotor auf unterschiedlichen Betriebshöhen des
Motors geliefert wird.
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Hintergrund
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Turboaufgeladene
Motoren der Bauart, die typischerweise bei Geländelastwägen verwendet wird, haben oft
ein pneumatisch betätigtes
Auslassventil bzw. Ableitungsventil zur Steuerung der Turboladerdrehzahl
und somit des Ladedruckes, der zur Einlasssammelleitung des Motors
geliefert wird. Das Auslassventil ist normalerweise in dem Auslasssystem
des Motors angeordnet und steuert die Drehzahl des Turboladers durch
Modifizieren des Volumens der Abgase, die zum Turbinenabschnitt
des Turboladers geleitet werden.
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Das
US-Patent 4,697,421 vom 6. Oktober 1987 von Yutaka Otobe u.A. offenbart
ein Auslassventil zum Umleiten eines Motorabgasflusses von dem Turbinenabschnitt
und zur Steuerung des Ladedruckes dadurch. Das Auslassventil wird
durch eine pneumatische Betätigungsvorrichtung
bewegt, die durch ein Steuerventil gesteuert wird, welches den Auslassventilöffnungsdruck
variiert, und zwar basierend auf dem Ladedruck und der Einlasssammelleitungstemperatur.
Das Halten des Ladedruckes auf einem Zieldruck kann die Motorbetriebsbedingungen verbessern
und das Motorklopfen auf einer gegebenen Höhe verringern. Da es jedoch
keine Kompensation für
den Betrieb auf unterschiedlichen Höhen gibt, kann jedoch der Verlust
der Aufladung bei hohen Höhen
und eine übermäßige Aufladung
bei niedrigeren Höhen
und Umgebungstemperaturen auftreten. Der optimale Betrieb für den Motor
wird nicht erreicht.
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Auslassventile
sind beim Schützen
des Motors vor einer übermäßigen Aufladung
(Spitzenzylinderdruck) bei niedrigen Höhen (Umgebungstemperaturen)
erfolgreich gewesen, konnten jedoch nicht in Situationen erfolgreich
verwendet werden, wo eine präzise
Modulation des Auslassventils erforderlich ist. Strömungsmittelbetriebene
Auslasssteuersysteme des Standes der Technik haben unzureichendes Ansprechen
und unzureichende Genauigkeit, die für eine gute Modulation erforderlich
sind. Um ein höheres
Ausmaß an
Optimierung eines Auslassventilbetriebes vorzusehen, muss daher
ein schneller ansprechendes und genaueres Steuersystem vorgesehen
werden.
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Um
die Auslasssteuerung zu optimieren, um niedrigere Abgastemperaturen
aufrechtzuerhalten, und um das richtige Ausmaß einer Aufladung bei verschiedenen
Luftdichten vorzusehen (bei unterschiedlichen Höhen und unterschiedlichen Umgebungslufttemperaturen)
ist es nötig,
ein Steuersystem vorzusehen, welches verschiedene in Beziehung stehende Steuerparameter
berücksichtigt.
Gegenwärtig
ist ein solches Steuersystem noch nicht vorhanden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Steuersystem zur Steuerung des Turboladeraufladungsdruckes eines
Verbrennungsmotors bei verschiedenen unterschiedlichen Höhen wird
vorgesehen Der Motor hat eine Einlasssammelleitung und eine Auslasssammelleitung,
die jeweils mit einem Kompressorabschnitt und einem Turbinenabschnitt
eines Turboladers verbunden sind. Ein Auslassventil, welches zwischen
der Auslasssammelleitung und dem Turbinenabschnitt angeschlossen
ist, ist bewegbar zwischen einer offenen Position, in der ein Strömungsmittelfluss,
der aus dem Motor ausgestoßen
wird, frei an der Turbine vorbeilaufen kann, und einer geschlossenen
Position, in der ein Strömungsmittelfluss,
der vom Motor ausgestoßen
wird, davon abgehalten wird, an der Turbine vorbeizulaufen. Ein
erster Sensor fühlt
die Drehzahl des Motors ab und liefert ein darauf ansprechendes
Drehzahlsignal. Ein zweiter Sensor fühlt einen Lade druck des Motors
ab und liefert ein darauf ansprechendes Lade- bzw. Ladedrucksignal.
Ein dritter Sensor fühlt eine
Zahnstangenposition des Motors ab und liefert ein darauf folgendes
Zahnstangenpositionssignal. Ein vierter Sensor fühlt einen barometrischen Druck ab
und liefert ein darauf ansprechendes barometrisches Drucksignal.
Ein fünfter
Sensor fühlt
eine Drehzahl des Turboladers ab und liefert ein darauf ansprechendes
Turboladerdrehzahlsignal. Eine Steuervorrichtung, die mit den ersten,
zweiten, dritten und vierten Sensoren verbunden ist, nimmt die Drehzahl,
den Ladedruck, die Zahnstangen- bzw. Brennstoffzumessposition
(Rack-Position) und die barometrischen Drucksignale ab, bestimmt
einen Ladedruckfehler, basierend auf dem Drehzahlsignal, dem Ladedrucksignal,
dem Rack- bzw. Zahnstangenpositionssignal und dem barometrischen
Drucksignal, und liefert ein darauf ansprechendes Steuersignal.
Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um die Turboladerdrehzahl
mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und das Steuersignal
basierend auf dem Vergleich zu bestimmen. Eine Betätigungsvorrichtung
nimmt das Steuersignal auf, bewegt darauf ansprechend das Auslassventil
zu einer der offenen und geschlossenen Positionen und verändert die
Größe des Ladedruckes,
der vom Turbolader zur Einlasssammelleitung des Motors geliefert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels,
welches einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor, ein Abgas- bzw.
Auslassventil und ein Steuersystem zur Steuerung des Auslassventils
zeigt;
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2 ist
ein Flussdiagramm, welches die Steuersystemsteuerlogik gemäß einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel
zeigt;
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3 ist
eine Kurvendarstellung, die die Ladedruckversetzung gegenüber der
Höhe bei
einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt,
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4 ist
eine Kurvendarstellung, die den Soll-Ladedruck gegenüber der
Höhe bei
einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt;
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5 ist
eine Kurvendarstellung, die die Turboladerdrehzahl gegenüber der
Höhe bei
einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt;
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6 ist
eine Kurvendarstellung, die die Abgastemperatur gegenüber der
Höhe bei
einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt;
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7 ist
ein dreidimensionales Ladedruckkennfeld mit Ladedruck, Motordrehzahl
und Rack- bzw. Zahnstangenposition als Koordinaten; und
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8 ist
ein Flussdiagramm, welches die Steuersystemsteuerlogik gemäß einem
weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel
zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 ist
ein Steuersystem 10 zur Steuerung des Ladedruckes eines
Turboladers 12 eines Verbrennungsmotors 14, beispielsweise
eines Dieselmotors, auf verschiedenen unterschiedlichen Höhen gezeigt.
Der Motor 14 hat eine Einlasssammelleitung 16 und
eine Auslasssammelleitung 18, die jeweils mit einem Kompressorabschnitt 20 und
einem Turbinenabschnitt 22 des Turboladers 12 verbunden sind.
Der Turbolader 12 des speziellen Ausführungsbeispiels besteht aus
zwei Turboladern, die in Reihe verbunden sind, einem Niederdruckturbolader 24 und
einem Hochdruckturbolader 26, die jeweils einen Kompressorabschnitt 20 und
einen Turbinenabschnitt 22 haben. Wie in der Technik wohl
bekannt ist, sind, um einen vollen Bereich von Motorbetriebsanforderungen
abzudecken, wie beispielsweise unterschiedliche Höhen und
Temperaturen, die die Ladedruckanforderungen des Motors beeinflussen,
oft zwei Turbolader vorgesehen.
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Ein
Auslass- bzw. Abgasventil 28, welches zwischen der Auslasssammelleitung 18 und
dem Turbinenabschnitt 22 angeschlossen ist, ist bewegbar
zwischen einer offenen Position 30, in der ein Strömungsmittelfluss,
der aus dem Motor 14 ausgestoßen wird, frei an der Turbine 22 vorbeilaufen
kann, und einer geschlossenen Position 32, in der ein Strömungsmittelfluss,
der vom Motor 14 ausgestoßen wird, davon abgehalten
wird, an der Turbine 22 vorbeizulaufen. Das Auslassventil 28 leitet
einen Abgasströmungsmittelfluss in
der offenen Position und in Positionen zwischen der offenen Position 30 und
der geschlossenen Position 32 vorbei. Da das Auslassventil
stufenlos variabel ist, bestimmen Positionen zwischen der offenen
Position und der geschlossenen Position unterschiedliche Bypass-
bzw. Überleitungscharakteristiken.
Es sei bemerkt, dass in der geschlossenen Position 32 das
Auslassventil 28 nicht vollständig geschlossen sein kann,
und dass ein Teil der Abgase an dem Turbinenabschnitt 22 vorbeilaufen
kann. In ähnlicher
Weise kann in der offenen Position das Auslassventil 28 nicht
vollständig
offen sein, um alle Abgase vorbeizuleiten. Die offenen und geschlossenen
Positionen können
mit zwei unterschiedlichen Zumessöffnungsgrößen verbunden sein, wobei Zwischenzumessöffnungsgrößen an Stellen
dazwischen vorgesehen sind.
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Das
Abgasventil 28 ist derart gezeigt, dass es eine linear
bewegbare Scheibe 34 und einen festen Sitz 36 hat,
jedoch sind andere Konfigurationen, wie beispielsweise ein Butterfly-
bzw. Drossel- und Klappenventile äquivalente Ausführungen
und innerhalb des Umfangs der Offenbarung. Das Auslassventil 28 ist
in einer Bypass- bzw. Überleitungsleitung 38 angeordnet,
die in die Auslassleitung 40 zwischen der Auslasssammelleitung 18 und
dem Turbinenabschnitt 22 eingefügt ist. Die Überleitungsleitung 38 ist mit
der Auslasssammelleitung 18 parallel mit dem Turbinenabschnitt 22 verbunden.
Abgase, die von dem Auslassventil 28 umgeleitet werden,
werden durch die Bypass- bzw. Überleitungsleitung
zum Schalldämpfer 42 geleitet,
der in der Abgasleitung angeordnet ist.
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Auslasssensormittel 31 können verwendet werden,
um zu bestimmen, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet.
Beispielsweise fühlen
die Auslasssensormittel 31 die Position des Auslassventils 28 ab
und liefern ein entsprechendes Signal über einen Leiter 33,
der zwischen dem Auslassventil 28 und den Steuermitteln 58 angeschlossen
ist. Die Steuermittel 58 können bestimmen, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet,
und zwar basierend auf einem Vergleich der Position des Auslassventils 28 und
einem Steuersignal, welches verwendet wird, um das Auslassventil 28 zu
positionieren.
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Erste
Mittel 44 fühlen
die Drehzahl der Kurbelwelle 46 des Motors 14 ab
und liefern ein darauf ansprechendes digitales Drehzahlsignal über einen Leiter 48.
Die ersten Mittel 44 können
irgendeinen geeigneten Wandler aufweisen, beispielsweise einen Magnetaufnehmer
und ein benachbartes Zahnrad. Der Wandler ist mit dem Motor verbunden
und das Zahnrad ist an der Motorkurbelwelle 46 befestigt.
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Zweite
Mittel 50 fühlen
den Ladedruck des Motors ab und liefern ein darauf ansprechendes
Ladedrucksignal über
den Leiter 52. Die zweiten Mittel 50 können einen
Druckwandler von irgendeiner geeigneten kommerziell verfügbaren Bauart
aufweisen, die mit der Einlasssammelleitung 16 verbunden
ist und darin angeordnet ist. Das Ladedrucksignal ist analog und
entspricht bezüglich
der Größe dem Ladedruck
an der Einlasssammelleitung.
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Dritte
Mittel 54 fühlen
eine Zahnstangen- bzw. Einspritzmengenposition (Rack-Position) des Motors
ab und liefern ein darauf ansprechendes Zahnstangenpositionssignal über den
Leiter 56. Dem Fachmann sagt der Ausdruck Zahnstange bzw. Rack,
wenn er in Verbindung mit Verbrennungsmotoren verwendet wird, die
elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtungen haben,
dass dies eine ausgewählte
Menge an Brennstoff anzeigt, die zum Motor geliefert wird. Diese
ausgewählte
Brennstoffmenge basiert beispielsweise auf einer Bedienereingabe.
Die dritten Mittel 54 können
eine Bedienerbefehlseingabevorrichtung der analogen oder digitalen
Bauart aufweisen. Beispielsweise kann die Position auf einer Bedienereingabe
eines Hebels oder eines Pedals basieren, die mit einem Potentiometer oder
einem Encoder bzw. einem Codierer verbunden ist. Die analoge oder
digitale Vorrichtung richtet die Motorleistung ein, die vom Fahrzeugbediener
angefordert wird, und weist Steuermittel 58 an, eine Motorzahnstangenposition
einzurichten. Es sei bemerkt, dass das Zahnstangenpositionssignal
direkt von den Steuermitteln erhalten werden kann. Dies ist äquivalent
und innerhalb des Kerns der Bedeutung der dritten Mittel 54.
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Vierte
Mittel 60 fühlen
einen barometrischen Druck bzw. Außendruck der Motorumgebung
ab und liefern ein darauf ansprechendes barometrisches Drucksignal
entweder von analoger oder von digitaler Art über den Leiter 62.
Die vierten Mittel 60 können
irgendeinen geeigneten kommerziell erhältlichen barometrischen Drucksensor
aufweisen. Wie dies dem Fachmann bekannt ist, variiert der barometrische Druck
bzw. Außendruck
mit der Höhe
und ist somit proportional dazu. Das barometrische Drucksignal kann
aus Verarbeitungsgründen
in eine Höhe
umgewandelt werden.
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Fünfte Mittel 61 fühlen eine
Drehzahl des Turboladers 12 und liefern ein darauf ansprechendes Turboladerdrehzahlsignal über den
Leiter 63. Die fünften
Mittel 61 können
einen oder mehrere geeignete Drehzahlsensoren aufweisen, die mit
dem Turbolader 12 verbunden sind. Alternativ können die fünften Mittel 61 ein
oder mehrere virtuelle Sensoren aufweisen, um einen Turboladerdrehzahlwert
basierend auf Werten von Eingangsparametern zu erzeugen, die von
einem oder mehreren physischen Sensoren abgefühlt werden.
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Ein
Brennstoffeinspritzsystem 64, welches eine Vielzahl von
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 66 von irgendeiner geeigneten
Konstruktion aufweist (von denen nur eine gezeigt ist) verteilt
Brennstoff zum Antrieb des Motors 14. Das Brennstoffeinspritzsystem 66 ist
mit den Steuermitteln 58 über den Leiter 68 und
unter elektronischer Steuerung davon verbunden. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 66 werden
vorzugsweise durch kommerziell erhältliche elektrohydraulische
Ventile 70 gesteuert (von denen nur eins gezeigt ist),
die Signalen entsprechen, die von den Steuermitteln 58 geliefert
werden. Die Einspritzvorrichtungen liefern Brennstoff zum Motor
basierend auf Steuersignalen von den Steuermitteln 58.
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Die
Steuermittel 58 sind mit den ersten, zweiten, dritten,
vierten und fünften
Abfühlmitteln 44, 50, 54, 60 und 61 über Leiter 48, 52, 56, 62 und 63 zum Aufnehmen
des Motordrehzahlsignals, des Ladedrucksignals, des Rack- bzw. Zahnstangenpositionssignals
und des barometrischen Drucksignals oder des Turboladerdrehzahlsignals
verbunden. Die Steuermittel 58 weisen einen Prozessor 72,
einen Speicher 74 und einen Analog/Digital-Wandler 76 auf,
um Analogsignale umzuwandeln, falls erforderlich, und einen Treiber 78 zum
Antreiben von Betätigungsvorrichtungsmitteln 80.
Die Steuermittel 58 sprechen auf diese Steuersignale zur
Bestimmung eines Ladedruckfehlers an, und zwar basierend auf dem
Drehzahlsignal, dem Ladedrucksignal, dem Zahnstangenpositionssignal
und dem barometrischen Drucksignal oder dem Turboladerdrehzahlsignal,
und sie liefern ein darauf ansprechendes Steuersignal.
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Die
Betätigungsvorrichtungsmittel 80 nehmen
das Steuersignal über
den Leiter 82 auf, der zwischen den Steuermitteln und den
Betätigungsvorrichtungsmitteln 80 angeschlossen
ist, und bewegen darauf ansprechend das Auslassventil 28 zu
einer der offenen und geschlossenen Positionen und verändern dadurch
das Ausmaß des
Ladedruckes, welches vom Turbolader 12 zur Einlasssammelleitung 16 des
Motors 14 geliefert wird.
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Wie
am Besten in 2 zu sehen, ist die Logik zur
Steuerung des Auslassventils 28 detailliert gezeigt. Der
Prozessor 72 bestimmt beispielsweise den Ladedruck durch
Auswahl eines Ladedruckwertes aus einer Ladedruckkarte bzw. einem
Ladedruckkennfeld 150 (oder einer Nachschautabelle) basierend
auf den Motordrehzahl- und Zahnstangenpositionssignalen.
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Die
Steuervorrichtung 72 bestimmt eine Ladedruckversetzung,
beispielsweise durch Auswahl eines Ladedruckversetzungswertes bzw.
Ladedruck-Offset-Wertes
aus einem Ladedruckversetzungskennfeld 52 (oder aus einer
Nachschautabelle) basierend auf der Motordrehzahl und dem barometrischen
Druck. Es sei bemerkt, dass der Prozessor den barometrischen Druck
in Höhe
umwandeln kann. In solchen Fällen
basiert die Ladedruckversetzungskarte auf der Drehzahl und der Höhe.
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Der
Prozessor kombiniert die Ladedruckversetzung und die Ladedruckwerte
im Kasten 154, um einen Soll-Ladedruckwert zu erhalten.
Der Ladedruckfehler im Kasten 156 wird als eine Differenz
zwischen den Ist- und Soll-Ladedruckwerten
bestimmt (LadedruckIst – LadedruckSoll =
LadedruckFehler). Der tatsächliche
Ladedruck bzw. Ist-Ladedruck, Kasten 158, ist der Ladedruck,
der von den zweiten Mitteln 50 abgefühlt wird und zum Prozessor 72 geliefert wird.
Zusätzliche
Informationen bezüglich
der Logik der Auslassventilsteuerung werden im Folgenden besprochen.
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Wie
in 3 gezeigt, variiert der Ladedruckversetzungswert
bei 1750 U/min, wie von der Kurve 220 gezeigt, mit der
Höhe zwischen
ungefähr –5 und 65
kPa. Durch eine Betrachtung der Kurve 220, und wie man
erwarten kann, ist die Veränderung
der Ladedruckversetzung am größten zwischen
5000 und 12500 Fuß.
Eine Schar von getrennten Ladedruckversetzungskurven existiert für die anderen
Motordrehzahlen. Der Ladedruckversetzungswert im Kasten 152, 2,
wird aus einem Ladedruckversetzungskennfeld, aus einer Nachschautabelle
oder Ähnlichem
für die
abgefühlte
Motordrehzahl und den barometrischen Druck ausgewählt.
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Mit
Bezug auf 7 ist ein dreidimensionales
Ladedruckkennfeld detailliert gezeigt. Der Ladedruckwert für eine spezielle
Motordrehzahl und eine Zahnstangenposition kann leicht bestimmt
werden. Wie im Kasten 150 gezeigt, wird der Ladedruckwert für eine abgefühlte Motordrehzahl
und eine Zahnstangenposition bestimmt, wie beispielsweise aus einem
Ladedruckkennfeld, einer Nachschautabelle usw. Der Ladedruckwert
wird darauf folgend bei der Bestimmung des Soll-Ladedruckes verwendet.
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Wie
in 4 gezeigt, variiert der Soll-Ladedruckwert bei
1750 U/min, wie von der Kurve 222 gezeigt, mit der Höhe zwischen
ungefähr
275–350
kPa. Aus einer Betrachtung der Kurve 222, und wie man erwarten
kann, ist die Veränderung
der Ladedruckversetzung am größten zwischen
5000 und 12500 Fuß.
Eine Schar von getrennten Soll-Ladedruckkurven existiert für die anderen
Motordrehzahlen. Der Soll-Ladedruckwert im Kasten 154, 2, wird
aus einem Soll-Ladedruckkennfeld, aus einer Nachschautabelle oder Ähnlichem
ausgewählt,
und zwar basierend auf dem Ladedruck und der Ladedruckversetzung,
wie in den Kästen 150 bzw. 152 bestimmt.
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Wie
in den Kurvendarstellungen der 5 und 6 gezeigt,
sind die Turboladerdrehzahl und die Motorauslasstemperatur jeweils
mit Bezug auf die Höhe
aufgezeichnet. Wie in 5 zu sehen, steigt bei einer
Motordrehzahl von 1750 U/min die Turboladerdrehzahlkurve 224 mit
der Höhe
bis ungefähr
7500 Fuß.
Steigerungen der Turboladerdrehzahl über 7500 Fuß werden verhindert. In ähnlicher
Weise, wie in 6 zu sehen ist, steigt bei einer
Motordrehzahl von 1750 U/min die Abgastemperaturkurve 226 mit
der Höhe,
bis sie sich 12500 Fuß annähert. Wie
zu sehen ist, werden Einschränkungen
bezüglich
der Turboladerdrehzahl und der Motorabgastemperaturen eingerichtet,
um eine vorzeitige Abnutzung und einen Schaden am Turbolader und
am Motor zu verhindern. Wie oben besprochen, gibt es eine Kurvenschar,
die mit den Kurven 224, 226 in Beziehung stehen,
für andere
Motordrehzahlen.
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Es
sei bemerkt, dass die Steuermittel 58 den Turboladerbetrieb
absichern, und zwar indem sie verhindern, dass der Turbolader die
Drehzahl- und Temperaturgrenzen überschreitet,
auch wenn ein zusätzlicher
Ladedruck die Leistung steigern würde.
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Mit
Bezug auf 1 weisen die Betätigungsvorrichtungsmittel
eine lineare Betätigungsvorrichtung 84 mit
einem zylindrischen rohrförmigen
Gehäuse 86,
einem Kolben 87 und einer Stange 88 auf, die mit
dem Kolben 87 und dem Auslassventil 28 verbunden
ist. Die Stange 88 ist axial verschiebbar bewegbar mit
dem Gehäuse 86 verbunden.
Das Gehäuse 86 hat
erste und zweite Enden 90, 92. Die lineare Betätigungsvorrichtung 84 hat
eine Membran 94, die mit der Kolbenstange 88 und
dem Gehäuse 86 an
einer Stelle zwischen den ersten und zweiten Gehäuseenden 90, 92 verbunden
ist. Die Membran 94 ist in dichtendem Eingriff mit dem
Gehäuse 86 und
der Stange 88 und definiert eine Kammer 96 in
dem Gehäuse 86. Das
erste Ende 90 hat eine abgedichtete Öffnung 98 von ausgewähltem Durchmesser
darin. Die Stange 88 hat einen vorgewählten Durchmesser und erstreckt
sich durch die Öffnung 98.
Der Durchmesser der Stange 88 ist kleiner als der Durchmesser
der abgedichteten Öffnung 98 und
definiert ein vorbestimmtes Spiel dazwischen. Das vorbestimmte Spiel
definiert einen gesteuerten Leckagepfad zwischen der Kammer 96 und
der Atmosphäre.
Eine Feder 100 ist vorgesehen, um das Auslassventil zu
einer vorbestimmten Neutralposition hin zu drücken. Die Neutralposition ist
derart gezeichnet, dass sie zwischen der geöffneten Position 30 und
der geschlossenen Position 32 ist, jedoch können andere
Positionen als die offene und die geschlossene Position ausgewählt werden,
um die Betriebscharakteristiken vorzusehen, die in der neutralen
Position erwünscht
sind.
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Die
Betätigungsvorrichtungsmittel 80 weisen ein
Proportionalventil 102 auf. Das Proportionalventil 102 ist
mit einer Quelle 104 für
unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss
durch eine erste Leitung 106 und mit dem Gehäuse 86 durch
eine zweite Leitung 108 verbunden. Die erste Leitung 106 liefert
einen unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss
von der Quelle 104 zum Proportionalventil 102,
und die zweite Leitung 108 liefert einen unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss
vom Proportionalventil 102 zur Kammer 96. Das
Proportionalventil 102 ist vorzugsweise ein elektromagnetbetriebenes
Proportionalluftventil von herkömmlicher
Konstruktion und ist mit den Steuermitteln 58 durch den
Leiter 82 verbunden. Das Proportionalventil 102 nimmt
Steuersignale auf, die von den Steuermitteln 58 geliefert
werden, und zwar durch den Leiter 82, und moduliert darauf
ansprechend den unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss, der von der
Quelle 104 des unter Druck gesetzten Strömungsmittelflusses
zum Gehäuse 86 geliefert
wird.
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Die
Quelle 104 des unter Druck gesetzten Strömungsmittelflusses
kann einerseits eine unabhängige
Luftversorgung sein, beispielsweise ein Luftkompressor 110.
Alternativ kann die Einlassluft, die zum Motor 14 geliefert
wird, die Quelle 104 für
einen unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss
sein. Die Leitung 108 verbindet entweder den Kompressor 110 mit
dem Proportio nalventil 102 oder die Einlasssammelleitung 16 mit
dem Proportionalventil 102.
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Eine
feste Zumessöffnung 112 von
vorbestimmter Größe ist mit
der zweiten Leitung 108 verbunden, und in paralleler Strömungsmittel
durchlassender Beziehung mit der zweiten Leitung 108. Die feste
Zumessöffnung 112 leitet
einen Teil des unter Druck gesetzten Strömungsmittelflusses ab, der
zu der zweiten Leitung 108 durch das Proportionalventil 102 geliefert
wird, und richtet eine Steuerflussrate in Kombination mit dem unter
Druck gesetzten Strömungsmittelfluss
ein, der durch das Proportionalventil 102 geleitet wird.
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Der
Strömungsmitteldruck
in der zweiten Leitung 108 und in der Kammer 96 wirkt
auf den Kolben 87 und die Membran 94 und bewirkt,
dass die Stange 88 sich relativ zu dem Gehäuse 86 bewegt.
Diese Bewegung der Stange 88 bewirkt, dass das Auslassventil 28 sich
zwischen den offenen und geschlossenen Positionen bewegt. Der Unterschied
zwischen der Kraft, die durch den Strömungsmitteldruck verursacht
wird, der auf den Kolben 87 und die Membran 94 wirkt,
und der Kraft der Feder 100 bestimmt die Lage der Stange 87 und
die Position des Auslassventils 28. Die Kombination der
Zumessöffnung 80 und des
Proportionalventils 102 ermöglicht eine genaue Positionierung
des Auslassventils 28. Die Steuermittel 58 bestimmen
einen Steuerdruck in der Kammer 96, indem sie ein Steuersignal über die
Leitung 82 zum Proportionalventil 102 liefern,
und bestimmen dadurch die Auslassventilposition.
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Wie
in 2 gezeigt, ist das gelieferte Steuersignal in
Beziehung zum Ladedruckfehler, Kasten 156. Als eine Folge
wird das gelieferte Steuersignal verwendet, um ein geeignetes Proportionalventilsignal
zu bestimmen, Kasten 160, um die Betätigung des Proportionalventils 102 zu
steuern.
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Als
nächstes
wird die Turboladerdrehzahl durch die fünften Mittel 61 abgefühlt und
zum Prozessor 72 geliefert, Kasten 162. Die Turboladerdrehzahl wird
mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen, Kasten 164.
Wie oben bemerkt, kann die Turboladerdrehzahl die Drehzahl des Niederdruck turboladers 24 oder
des Hochdruckturboladers 26 sein. Alternativ kann die Turboladerdrehzahl
ein Wert entsprechend den Drehzahlen von beiden Turboladern 24, 26 sein.
Wenn die Turboladerdrehzahl geringer als der vorbestimmte Schwellenwert
ist, dann wird das Proportionalventilsignal, welches im Kasten 160 bestimmt
wurde, verwendet, um das Proportionalventil 102 zu bewegen,
Kasten 166, und zwar um eine Größe, die ausreicht, um eine
Strömungsmittelflussrate
einzurichten, die adäquat
ist, um die Stange 88 zu einer Position zu bewegen, in
der eine geeignete Menge an Abgasfluss durch das Auslassventil 28 übergeleitet
wird, Kasten 170. Die Strömungsmittelversorgung 104 für einen
im Wesentlichen konstanten Druck, Kasten 168, wird durch
das Proportionalventil 102 geregelt, um das Auslassventil 28 zu positionieren.
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Wenn
jedoch im Kasten 164 die Turboladerdrehzahl größer oder
gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist, dann nehmen die Steuermittel 58 eine
Bestimmung dahingehend vor, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet,
Kasten 172. Wenn beispielsweise die Steuermittel 58 bestimmen,
dass die Turboladerdrehzahl den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet,
können
die Steuermittel 58 einen Fehlerwert berechnen, der der
Unterschied zwischen einer tatsächlichen
Auslassventilposition und einer erwünschen Auslassventilposition
ist, oder alternativ die Differenz zwischen einer durchschnittlichen
tatsächlichen
bzw. Ist-Auslassventilposition und einer durchschnittlichen erwünschten
bzw. Soll-Auslassventilposition über
eine gewisse Zeitperiode. Wenn der Fehlerwert eine vorbestimmte
Fehlerschwelle überschreitet,
dann arbeitet das Auslassventil 28 nicht ordnungsgemäß. Die Auslasssensormittel 83 können verwendet
werden, um die tatsächliche
Auslassventilposition zu bestimmen und die erwünschte Auslassventilposition
kann basierend auf dem Steuersignal bestimmt werden, welches verwendet
wird, um das Auslassventil 28 zu positionieren.
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Wenn
das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, dann wird ein geeignetes
Proportionalventilsignal bestimmt, Kasten 174, welches
auf oder unter dem vorbestimmten Schwellenwert ist, der im Kasten 164 verwendet
wird.
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Das
Proportionalventilsignal wird verwendet, um das Proportionalventil 102 zu
bewegen, Kasten 176, und zwar um ein Ausmaß, welches
ausreicht, um eine Strömungsmittelflussrate
einzurichten, die geeignet ist, um die Stange 88 zu einer
Position zu bewegen, in der eine geeignete Abgasflussmenge durch
das Auslassventil 28 übergeleitet
wird, Kasten 180. Die Strömungsmittelversorgung 104 mit
einem im Wesentlichen konstanten Druck, Kasten 178, wird durch
das Proportionalventil 102 geregelt, um das Auslassventil 28 zu
positionieren. Wenn jedoch im Kasten 172 das Auslassventil 28 nicht
ordnungsgemäß arbeitet,
dann arbeiten die Steuermittel 58 dahingehend, dass sie
den Motor 14 bezüglich
der Leistung herunterregeln, beispielsweise durch Verringerung der
Brennstoffmenge, die zum Motor 14 geliefert wird.
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In
Situationen, wo eine große
Ladedrucksteigerung erforderlich ist, ist das Steuersignal, welches geliefert
wird, um das Proportionalventil 102 zu bewegen, von größerer Größe, als
wenn eine kleine Ladedrucksteigerung erforderlich ist. Dies hat
eine proportionale Ansprechzeit bei der Ventilöffnung des Auslassventils 28 zur
Folge. Das Steuersignal ist vorzugsweise ein analoges Signal mit
einer Größe proportional
zur erwünschten
Position des Proportionalventils 102.
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Alternativ,
wie in 8 gezeigt, kann der Prozessor 72 die
Ladedruckversetzung bestimmen durch Auswählen des Ladedruckversetzungswertes aus
dem Ladedruckversetzungskennfeld 152 (oder aus einer Nachschautabelle),
und zwar basierend auf der Drehzahl und der Turboladerdrehzahl anstelle basierend
auf der Drehzahl und dem barometrischen Druck, wie oben in Verbindung
mit dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
Steuersystem 10 optimiert die Größe des Turboladerladedruckes,
der zum Motor 14 bei verschiedenen unterschiedlichen Höhen geliefert wird,
ohne Temperatur- und Turboladerdrehzahlgrenzen zu überschreiten.
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Das
Steuersystem erreicht unter Verwendung des barometrischen Druckes
(Höhe)
als einem der Steuerparameter eine verbesserte Leistung des Motors 14 bei
unterschiedlichen Höhen
und überwindet
die Probleme, die mit unzureichender oder übermäßiger Aufladung assoziiert
sind.
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Im
Betrieb steuert das Steuersystem 10 den Ladedruck der Einlasssammelleitung 16 des
turboaufgeladenen Verbrennungsmotors 14 auf unterschiedlichen
Höhen durch
Abfühlen
der Motordrehzahl, des Ladedrucks, der Zahnstangenposition bzw. Benzinzumessposition
und dem barometrischen Druck oder der Turboladerdrehzahl und steuert
das Auslassventil 28 basierend auf diesen Signalen und gemäß vorprogrammierten
Anweisungen.
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Die
Steuermittel 58 bestimmen den Soll-Ladedruckwert basierend
auf der Motordrehzahl, der Zahnstangenposition und der Höhe oder
der Turboladerdrehzahl, den Ladedruckfehler zwischen dem tatsächlich abgefühlten Ladedruckwert
und dem Soll-Ladedruckwert und Veränderungen der Größe des Ladedruckes,
der vom Turbolader zur Einlasssammelleitung geliefert wird, und
zwar ansprechend auf den Ladedruckfehler durch Steuerung der Auslassventilposition
und der Überleitung
der Abgase.
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Bei
der Bestimmung des Soll-Ladedruckes wählen die Steuermittel 58 einen
Ladedruckwert aus einem Ladedruckkennfeld aus, einen Ladedruckversetzungswert
aus einem Ladedruckversetzungskennfeld, kombinieren die ausgewählten Ladedruck- und
Ladedruckversetzungswerte und bestimmen einen Soll-Ladedruckwert
aus den ausgewählten
Ladedruck- und Ladedruckversetzungswerten. Der Ladedruckfehler wird
bestimmt durch Verringerung des abgefühlten tatsächlichen Ladedruckwertes durch den
Soll-Ladedruckwert.
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Wenn
der Ladedruckfehler negativ ist, kann das Steuersignal, welches
von den Steuermitteln 58 zum Proportionalventil 102 geliefert
wird, bewirken, dass das Proportionalventil 102 den Strömungsmittelfluss
verringert, der zur Leitung 108 geleitet wird, und kann
dadurch Strömungsmittel
von der Kammer 96 ableiten und bewirken, dass das Auslassventil 28 sich
zur geschlossenen Position bewegt. Wenn der Ableitungsfehler positiv
ist, kann das Steuersignal, welches von den Steuermitteln 58 zum
Proportionalventil 102 geliefert wird, bewirken, dass das
Proportionalventil 102 den Strömungsmittelfluss steigert,
der zur Leitung 108 geleitet wird, und dadurch Strömungsmittel
zur Kammer 96 hinzufügen
und bewirken, dass sich das Ableitungsventil zur offenen Position
hin bewegt.
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Nach
der Bestimmung des Ladedruckfehlers und der assoziierten Bestimmung
eines geeigneten Proportionalventilsignals wird die Turboladerdrehzahl überprüft. Wenn
die Turboladerdrehzahl unter der vorbestimmten Schwelle ist, wird
das Proportionalventilsignal ausgesandt, um das Proportionalventil 102 zu
steuern. Wenn jedoch die Turboladerdrehzahl über der vorbestimmten Schwelle
ist, bestimmen die Steuermittel 58, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet.
Wenn das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, dann wird ein neues
Proportionalventilsignal entsprechend dem Schwellenwert gesendet,
um das Proportionalventil 102 zu steuern. Wenn das Auslassventil 28 nicht
ordnungsgemäß arbeitet,
dann wird der Motor 14 bezüglich der Leistung heruntergeregelt.
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Die
zuvor erwähnte
Steuerung des Auslassventils durch die Steuermittel 58 und
die Betätigungsvorrichtungsmittel 80 hat
eine genaue und ansprechende Steuerung des Motorladedrucks zur Folge.
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Andere
Aspekte, Ziele und Vorteile können aus
einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche gewonnen
werden.