DE19702853A1

DE19702853A1 - Kompressorbypaß und -ventilsteuerung für einen Turbolader

Info

Publication number: DE19702853A1
Application number: DE19702853A
Authority: DE
Inventors: Thomas R Fenelon; Robert L Hercey; Gerald A Hill
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 1997-07-31
Also published as: US5724813A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader oder ei nen Superlader bzw. Kompressor für einen Dieselmotor oder irgendeinen Verbrennungsmotor und insbesondere auf eine Bypass- bzw. Überbrückungsanordnung, die selektiv Einlaß- oder Verbrennungsluft überbrückt bzw. vorbeileitet, die von einem Kompressorteil eines Turboladers geliefert wird. Turbolader liefern Verbrennungsluft an den Motor mit einem höheren Druck und einer höheren Dichte als at mosphärischem Druck, um entweder einen Leistungsverlust auf Grund einer Höhenposition auszugleichen, oder um die Leistung zu vergrößern, die aus den Motoren für eine ge gebene Kolbenverschiebung bzw. -verdrängung erhalten wer den kann, wobei somit Kosten, Gewicht oder Raum eines Mo tors mit einer gegebenen Leistungsausgangsgröße verrin gert werden. Ein Turbinenteil des Turboladers verwendet die Auslaß- bzw. Abgase vom Motor als das Antriebs- oder Arbeitsströmungsmittel, da sie nützliche Energie in Form von Druck- und Wärmeenergie enthalten. Jedoch variiert die Energie im Arbeitsströmungsmittel in beträchtlichem Ausmaß, außer der Motor arbeitet bei konstanter Drehzahl und Leistungsausgabe, und kann bewirken, daß der Kompres sorteil versucht, in einem Bereich von instabilem Betrieb zu arbeiten, in dem der Fluß pulsieren wird, so daß es einen Rückfluß durch die Ansaugvorrichtung bzw. -leitung gibt, und zwar mit schädlichem Nachlaufen, Pumpen und ei ner Anstiegs- bzw. Wellenbildung.

Das Vorbeileiten eines Teil der Verbrennungsluft, die an die Einlaßsammelleitung zum Turbinenteil eines turbogela denen Dieselmotors geliefert wird, ist im Stand der Tech nik wohl bekannt. Horler und andere beschreiben im US- Patent 4 373 336 eine Bypass- bzw. Überbrückungsleitung, die ein einstellbares Drosselglied aufweist, um die Menge des vorbeigeleiteten bzw. überbrückten Gases an den ent sprechenden Betriebszustand des Motors anpaßt. Ein Betä tigungskolben schließt das Drosselglied ansprechend auf den Druck von der Kompressorseite über einem vorgewählten Wert. Der Betätigungskolben ist auf einer Seite des Dros selgliedes angeordnet, und zwar von der Lufteinlaßsammel leitung wegweisend. Der Widerstand des Ventils gegen ei nen Fluß von der Kompressorseite zur Turbinenseite ist geringer als der Widerstand in der entgegengesetzten Richtung. Der Flußwiderstand und die vollständig abge hobene bzw. geöffnete Ventilposition definieren eine Be triebskurve des Motors, die einstellbar ist. Das Dros selglied kann sich schließen, bevor der maximale Motor ausgabe- bzw. -ausgangsgrößenpunkt erreicht wird.

Unter den Zielen der Erfindung sei das Vorsehen eines Bypass- bzw. Überbrückungssystems für einen Verbrennungs motor mit einem Turbolader erwähnt, wobei das Bypass-Sy stem einen Teil der Verbrennungsluft vorbeileitet bzw. überbrückt, um zu verhindern, daß ein Kompressorteil des Turboladers Wellen bzw. einen Anstieg bildet. Das Bypass- System verwendet eine verbesserte Steuervorrichtung, die auf dem Motor, dem Turbolader und das Bypass-System abge stimmt bzw. eingestellt ist, um ein zuverlässiges, effek tives und wirtschaftliches Bypass-System vorzusehen.

Im allgemeinen weist ein Verbrennungsmotor, wenn er gemäß dieser Erfindung hergestellt ist, eine Einlaßsammellei tung auf, um Verbrennungsluft an den Motor zu liefern, eine Auslaßsammelleitung, um Verbrennungsprodukte vom Mo tor zu sammeln bzw. aufzunehmen, und einen Turbolader mit einem Turbinenteil und einem Kompressorteil, die mecha nisch mit einer gemeinsamen drehbaren Antriebswelle ver bunden sind. Der Turbinenteil des Turboladers ist in Strömungsmittelverbindung mit der Auslaßsammelleitung und wird durch die Verbrennungsprodukte vom Motor angetrie ben. Eine drehbare Welle koppelt den Turbinenteil an den Kompressorteil, der ihn antreibt, um die Einlaß- oder Verbrennungsluft zu komprimieren bzw. zu verdichten. Der Kompressorteil des Turboladers ist in Strömungsmittel verbindung mit einem Nachkühler, der die komprimierte bzw. verdichtete dichte Luft abkühlt, bevor sie in die Einlaßsammelleitung eintritt. Eine Bypass-Leitung ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Kompressorteil und dem Turbinenteil des Turboladers angeordnet. Alternativ kann die Bypass- bzw. Überbrückungsleitung in Strömungsmittel verbindung mit dem Kompressorteil des Turboladers ange ordnet sein, und in Strömungsmittelverbindung mit einer Auslaßleitung, die stromabwärts vom Turbinenteil des Tur boladers angeordnet ist, wobei sie vollständig den Turbi nenteil des Turboladers überbrückt. In der Bypass-Leitung ist ein Bypass- bzw. Überbrückungsventil angeordnet, um den Fluß von Verbrennungsströmungsmittel zu steuern, der durch die Bypass-Leitung fließt. Ein Controller bzw. eine Steuervorrichtung ist zusammenarbeitend mit dem Bypass- Ventil assoziiert und enthält Karten oder Tabellen von festen Datenpunkten, die empirisch aus Tests bestimmt wurden, die auf den Motor, den Turbolader und das Bypass- System eingestellt bzw. angepaßt wurden. Die Steuervor richtung verwendet diese Karten bzw. Nachschautabellen, um auf Veränderungen des Einlaßsammeleitungsdruckes, des Atmosphärendruckes und der Motordrehzahl anzusprechen, um das Bypass-Ventil zu modulieren, um den Turbolader von ei ner Wellen- bzw. Anstiegsbildung (surging) abzuhalten.

Ein Verfahren zur Verhinderung einer Wellen bzw. An stiegsbildung in einem Turbolader, welcher in dieser Er findung verwendet wird, weist folgende Schritte auf: Vor sehen eines Bypass- bzw. Überbrückungsventils, um selektiv Verbrennungsluft an den Turbinenteil des Turboladers oder die Atmosphäre vorbeizuleiten, wobei der Turbinenteil des Turboladers überbrückt bzw. mit einem Bypass versehen wird; Versehen der Steuervorrichtung mit Karten, basie rend auf empirischen Daten in Form von Tabellen, die für den Motor, den Turbolader und das Bypass-System spezifisch sind, und Verwenden dieser Karten, um auf Veränderungen des Einlaßsammelleitungsdruckes, des Atmosphärendruckes und der Motordrehzahl anzusprechen, um das Bypass-Ventil zu modulieren, um zu verhindern, daß der Turbolader Wel len bildet.

Die Erfindung, wie in den Ansprüchen dargestellt, wird durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensicht lich, wo gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile in den Zeichnungen beziehen, und in denen die Figuren fol gendes darstellen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader und einem Bypass- bzw. Über brückungssystem gemäß dieser Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader und einem alternativen Bypass system gemäß dieser Erfindung;

Fig. 3 eine typische Motorkurve, die die U/min gegenüber dem Drehmoment zeigt;

Fig. 4 einen Graph bzw. eine Kurve der Kompressorleitung, die den Kompressormassenfluß gegenüber dem Ver dichtungsverhältnis und dem Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Bypasssystems zeigt;

Fig. 5 einen Graph der Kompressorleitung, der den Kom pressormassenfluß gegenüber dem Verdichtungs verhältnis und dem Betrieb des Bypass-Systems zeigt, welches in Fig. 2 gezeigt wird.

Mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail und insbesondere auf die Fig. 1 ist dort ein Verbrennungsmotor 1 gezeigt, der ein Diesel- oder Zündmotor und entweder ein Zwei- oder Vier-Takt-Motor sein kann. Der Motor 1 besitzt einen Turbolader oder Superlader bzw. Kompressor 3, der zusam menarbeitend damit angeordnet ist, um Verbrennungsluft an den Motor 1 mit vergrößertem Druck und vergrößerter Dich te zu liefern. Der Turbolader 3 weist einen Turbinenteil 5 mit einem Einlaßanschluß 7 und einem Auslaßanschluß 9 auf, einen Kompressorteil 11 mit einem Einlaßanschluß 13 und einem Auslaßanschluß 15, und eine drehbare Welle 17, die mechanisch den Turbinenteil 5 und den Kompressorteil 11 verbindet. Die Turbinen- und Kompressorteile 5 und 11 können entweder einen Axial- oder Zentrifugalfluß aufwei sen, wobei letzterer für niedrigere Kompressionsverhält nisse bevorzugt wird. Der Motor 1 besitzt einen Nachküh ler 19, um die Temperatur der Verbrennungsluft zu verrin gern, wenn der Kompressorteil 11 des Turboladers 3 der Luft, die er verdichtet, Wärme- und Druckenergie zuführt. Der Nachkühler 19 ist in Strömungsmittelverbindung mit einer Einlaßsammelleitung 21 verbunden, die Verbrennungs luft an mehrere (nicht gezeigte) Zylinder liefert, die im Motor 1 angeordnet sind. Die Verbrennungsprodukte oder Auslaß- bzw. Abgase, die in den mehreren Zylindern des Motors 1 während des Verbrennungsprozesses erzeugt wer den, werden an eine Auslaßsammelleitung 23 ausgestoßen.

Eine Einlaßleitung 25 ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Auslaßteil 15 des Kompressorteils 11 des Turbo laders 3, mit dem Nachkühler 19 und mit der Einlaßsam melleitung 21, um Verbrennungsluft an den Motor 1 zu lie fern.

Eine optionale Auslaßleitung 27 ist in Strömungsmit telverbindung mit der Auslaßsammeleitung 23 und mit dem Einlaßanschluß 7 des Turbinenteils 5, um Auslaß- bzw. Ab gase an den Turbinenteil 5 des Turboladers 3 zu liefern. Die Abgase wirken als das Antriebs- oder Bewegungsströ mungsmittel der Turbine und der mechanisch verbundenen Kompressorteile 5 bzw. 11 des Turboladers 3, da die Ab gase ausreichend Wärme- und Druckenergie enthalten, um den Turbinenteil 5 des Turboladers 3 anzutreiben.

Eine Bypass- bzw. Überbrückungsleitung 29 ist in Strö mungsmittelverbindung mit der Einlaßleitung 25 und der Auslaßleitung 27 stromaufwärts des Nachkühlers 19 an geordnet. In der Bypass-Leitung 29 sind ein Bypass-Ventil 31 oder andere Flußsteuermittel angeordnet, um den Fluß von Bypass-Einlaß- oder Verbrennungsluft an die Ausstoß leitung 27 und den Turbinenteil 5 des Turboladers 3 zu steuern oder zu regulieren. In gewissen Fällen kann die Systemleistung verbessert werden, und zwar durch Verbin den der Bypass-Leitung 29 mit der Auslaßsammelleitung 23 anstelle mit der Auslaßleitung 25, wie gezeigt, um eine vollständige Vermischung und somit Homogenität der Ver brennungsluft und des Abgases zu begünstigen. Wie hier verwendet, kann der Ausdruck "Verbrennungsluft" Luft oder eine Mischung von Luft und einem anderen Gas sein, wie beispielsweise Propan oder natürliches Gas. Die Bypass- Leitung 29 ist stromaufwärts des Nachkühlers 19 angeord net, da die Verbrennungsluft, die den Kompressorteil 11 des Turboladers 3 verläßt, Wärme bzw. Hitze und Druck enthält, die durch den Turbinenteil 5 des Turboladers 3 wiedergewonnen werden kann. Eine Motorsteuervorrichtung 33, wie beispielsweise ein elektronisches Motorsteuermo dul, enthält eine Serie von Karten bzw. Nachschautabel len, die auf der Motordrehzahl basieren, und sie ist zu sammenarbeitend mit einem Atmosphärendrucksensor 35, ei nem Einlaßsammelleitungs-Drucksensor 37 und einem Motor drehzahlsensor 39 assoziiert, um auf Veränderungen der Atmosphärendrucksignale, Einlaßsammelleitungs- Drucksignale, die durch einen Einlaßsammelleitungs- Drucksensor ausgesandt werden, und auf Motordrehzahlsig nale anzusprechen, um das Bypass-Ventil zu modulieren und zu verhindern, daß der Kompressorteil 11 des Turboladers 3 Wellen bzw. Anstiege bildet. Die Karten sind in Form von Tabellen, die typischerweise aus empirischen Daten in Form von festen Datenpunkten zusammengestellt werden, die aus Leistungstests genommen und in Tabellen angeordnet wurden, und zwar abgestimmt auf eine feste Hardware bzw. Komponenten oder eine spezielle Konfiguration des Motors 1, des Turboladers 3 und des Bypass-Systems, welches das Bypass-Ventil 31 und die Bypass-Leitung 29 aufweist. Da ei ne Vielzahl von festen Datenpunkten als die Basis für die Karten verwendet wird, wird eine Interpolation der Gebie te zwischen den Datenpunkten durch die Steuervorrichtung 33 vorgenommen, um einen kontinuierlichen und sanften Be trieb und eine Modulation des Bypass-Ventils 31 vorzuse hen. Die Karten können in einem Speicher gespeichert sein, der in der im elektronischen Motorsteuermodul oder der Steuervorrichtung 33 eingespeichert ist.

Fig. 2 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, der dem in Fig. 1 gezeigten Motor ähnlich ist und der auch ein Diesel- oder Funkenzündmotor sein kann, und zwar entweder ein Zwei- oder Vier-Takt-Motor. Der Motor 1 besitzt einen Turbola der oder Superlader bzw. Kompressor 3, der damit zusam menarbeitend assoziiert ist, um Verbrennungsluft an den Motor 1 mit erhöhtem Druck und erhöhter Dichte zu lie fern. Der Turbolader 3 weist einen Turbinenteil 5 mit ei nem Einlaßanschluß 7 und einem Auslaßanschluß 9 auf, ei nem Kompressorteil 11 mit einem Einlaßanschluß 13 und ei nem Auslaßanschluß 15, und eine drehbare Welle 17, die mechanisch den Turbinenteil 5 und den Kompressorteil 11 verbindet. Die Turbinen- und Kompressorteile 5 und 11 können entweder axialen oder zentrifugalen Fluß vorsehen, wobei letzterer für niedrigere Verdichtungsverhältnisse bevorzugt wird. Der Motor 1 besitzt auch einen Nachkühler 19 in Strömungsmittelverbindung mit einer Einlaßsammel leitung 21, die Verbrennungsluft an mehrere (nicht ge zeigte) Zylinder im Motor 1 liefert. Die Produkte der Verbrennungs- oder Abgase werden aus den mehreren (nicht gezeigten) Zylindern im Motor 1 an eine Auslaßsammellei tung 23 ausgestoßen.

Eine Einlaßleitung 25 ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Auslaßanschluß 15 des Kompressorteils 11 des Tur boladers 3, mit dem Nachkühler 19 und mit der Einlaß sammelleitung 21 angeordnet, um Verbrennungsluft an den Motor 1 zu liefern.

Eine Auslaßleitung 27 ist in Strömungsmittelverbindung mit der Auslaßsammelleitung 23 und dem Einlaßanschluß 7 des Turbinenteils 5 des Turboladers 3. Die Abgase wirken als das Antriebs- oder Bewegungsströmungsmittel für den Turbinenteil 11 des Turboladers, da sie ausreichende Wär me- und Druckenergie besitzen, um den Turbinenteil 5 des Turboladers 3 zu betreiben.

Eine Bypass-Leitung 49 ist in Strömungsmittelverbindung mit der Einlaßleitung 25 und dem Auslaßanschluß 9 des Turbinenteils 5 stromabwärts des Turbinenteils 5 des Tur boladers 3 angeordnet. Ein Bypass-Ventil 51 oder andere Flußsteuermittel sind in der Bypass-Leitung 49 angeordnet, um den Fluß von Bypass- bzw. Überbrückungseinlaßluft an den Turbinenauslaßanschluß 9 oder zur Atmosphäre zu steu ern, wodurch der Turbinenteil 5 des Turboladers 3 über brückt wird.

Eine Motorsteuervorrichtung 33, wie beispielsweise ein elektronisches Motorsteuermodul, enthält eine Serie von Karten oder Signalerkennungspunkten, basierend auf der Motordrehzahl, dem Atmosphärendruck und dem Einlaßsammel leitungsdruck, und ist in zusammenarbeitender Weise mit einem Atmosphärendrucksensor 35, einem Einlaßsammellei tungsdruck-Drucksensor 37 und mit einem Motordrehzahl sensor 39 assoziiert, um auf Veränderungen des Atmosphä rendrucksignals, der Einlaßsammeleitungssignale und der Motordrehzahlsignale anzusprechen, um das Bypass-Ventil 51 zu modulieren, und um den Kompressoreteil 11 des Turbo laders 3 davon abzuhalten, Wellen zu bilden. Die Karten sind Tabellen von empirischen Daten, die aus Leistungs tests aufgenommen und in Tabellen angeordnet wurden, und zwar auf eine festgelegte Hardware- bzw. Komponentenkon figuration des Motors 1, des Turboladers 3 und des Bypass- Ventils 51 abgestimmt. Eine Vielzahl von festen Daten punkten wird als die Basis der Karten verwendet, und die Interpolation des Gebiete zwischen den Datenpunkten wird durch die Steuervorrichtung 33 vorgenommen, um einen kon tinuierlichen und sanften Betrieb und eine Modulation des Bypassventils 51 vorzusehen. Die Karten können im Speicher gespeichert werden, der in dem elektronischen Motor steuermodul oder der Steuervorrichtung 33 eingebaut ist.

Fig. 3 zeigt eine typische Motorbetriebs- bzw. Motor drehmomentkurve (lug curve), wobei die Abszisse der Kurve die Umdrehungen pro Minute (U/min) sind, und wobei die Ordinate des Drehmoments in Pfundmeter ist. Der Motor 1 wird mit einem (nicht gezeigten) elektrischen oder Druck luftstator gestartet und beginnt bei niedriger Leerlauf drehzahl zu laufen. Die Motorbetriebs- bzw. Motordrehmo mentkurve zeigt einen typischen Motorbetrieb, und zwar beginnend beim Punkt A der niedrigen Leerlaufdrehzahl, vom Punkt A nimmt das Drehmoment und die Drehzahl des Mo tors auf die maximale oder Nennleistung beim Punkt B zu, die Motordrehzahl wird dann verringert oder zurückge führt, und zwar auf den Punkt D, dem Spitzendrehmoment des Motors.

Fig. 4 zeigt einen Graph der Leistung eines typischen Kompressorteils 11 eines Turboladers 3, wobei die Abs zisse des Graphen ein Kompressorströmungsmittel-Massen fluß in kg/sek ist und wobei die Ordinate ein Kompressor- Druckverhältnis ist, und zwar gesamt zu statisch, und im mer größer als 1 : 1 ist. Strömungsmittel, welches durch den Kompressorteil 11 hindurchfließt, auf welches als Kompressorströmungsmittel in den Figuren Bezug genommen wird, kann Luft oder eine Mischung von Luft und einem an deren Gas, wie beispielsweise Propan oder einem natür lichen Gas aufweisen bzw. sein.

Eine Anstiegs- bzw. Wellenlinie, die manchmal Stabili tätsgrenze, Pumpgrenze oder Absterbelinie genannt wird, ist eine gekrümmte Linie, die mit dem Druckverhältnis und dem Kompressorluftmassenfluß ansteigt, und wird "Anstiegslinie" bzw. "Wellenlinie" (surge line) bezeich net. Das Gebiet rechts der Wellenlinie ist ein Gebiet, welches einen Bereich eines Druckverhältnisses und Mas senflusses abdeckt, in dem der Kompressorbetrieb stabil ist. Wenn die Druckverhältnis- und Massenflußkoordinaten auf der linken Seite der Wellenlinie liegen, wird der Be trieb des Kompressors instabil, und zwar gekennzeichnet durch schnelle Druckfluktuationen, und eine Wellenbildung des Strömungsmittels innerhalb des Kompressors.

Konturlinien auf der rechten Seite der Wellenlinie stel len einen isentropischen Wirkungsgrad des Kompressors dar, und zwar als IE gezeigt.

Die Kompressordrehzahl in Umdrehungen pro Minute, U/min, wird durch eine Gruppe von gekrümmten Linien dargestellt, die bei der Wellenlinie beginnen und sich nach unten und nach rechts krümmen, und die als CS angezeigt sind.

Charakteristische Motorbeatmungs- bzw. Motoransauglinien sind eine Serie von annähernd geraden Linien, die sich nach oben und von links nach rechts erstrecken, wobei sie die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute, U/min, und den Massefluß des Strömungsmittels bei verschiedenen Druckverhältnissen anzeigen.

Eine stark gekrümmte Linie CO4 zeigt den Kompressorbe trieb oder den Betrieb des Kompressorteils 11 des Turbo laders 3, wenn der Motor 1 in dem in Fig. 3 gezeigten ty pischen Betriebszustand betrieben wird. Sie zeigt auch den Betrieb des Kompressorteils 11 mit und ohne dem Bypass-Ventil 31 und der Motorsteuervorrichtung 33 in Be trieb. Wenn sie in Betrieb ist, moduliert die Motor steuervorrichtung 33 das Bypass-Ventil 31, um einen Teil der Verbrennungsluft vorbeizuleiten bzw. zu überbrücken, und zwar von der Einlaßleitung 25 zur Auslaßleitung 27, so daß der vorbeigeleitete Teil der Verbrennungsluft mit den Abgasen in den Einlaß des Turbinenteils 5 des Turbo laders 3 fließt, und zwar wie in Fig. 1 gezeigt. Die stark gekrümmte Linie CO4 beginnt beim Punkt A4, bei nie driger Leerlaufdrehzahl, wenn das Drehmoment und die Drehzahl des Motors auf Maximal- oder Nennleistung an steigt, steigen der Massenfluß und das Druckverhältnis auch auf den Punkt B4. Wenn die Motordrehzahl verringert oder auf ihr Spitzendrehmoment zurückgeführt wird, nehmen der Kompressormassenfluß und das Druckverhältnis ab, wo bei sie zum Punkt D4 gehen.

Der Punkt D4 ist über der linken Seite der Wellenlinie, was instabile Zustände innerhalb des Kompressorteils 11 des Turboladers 3 zur Folge hat, indem der Fluß pulsieren wird, so daß es einen Rückfluß durch den Einlaß 13 gibt, der von schwerem Nachlaufen und einer Wellen- bzw. An stiegsbildung begleitet wird.

Wenn jedoch die Steuervorrichtung 33 das Bypass-Ventil 31 ansprechend auf Signale vom Atmosphärendrucksensor 35, vom Einlaßsammelleitungsdrucksensor 37 und vom Motordreh zahlsensor 39 arbeitet oder moduliert, wird das Bypass- Ventil 31 beginnen, sich am Punkt C4 zu öffnen, der bei ungefähr 1550 U/min des Motors liegt, und wird sich wei ter öffnen, wenn die Drehzahl weiter abnimmt, was zur Folge hat, daß der Kompressormassenfluß und das Kompres sions- bzw. Verdichtungsverhältnis vom Punkt C4 zum Punkt E geht, wobei sie somit auf der stabilen oder rechten Seite der Wellenlinie bleibt und weiter in einem stabilen Zustand arbeitet, auch wenn die Drehzahl des Motors ver ringert wird.

Die verdichtete Einlaßluft, die an den Turbinenteil 5 des Turboladers 3 vorbeigeleitet wird, hat Wärme- und Drucke nergie, die durch den Turbinenteil 5 des Turboladers wie dergewonnen wird, was eine leichte Vergrößerung des Mas senflusses und des Druckes im Kompressorteil 11 des Tur boladers 3 bewirkt, und obwohl er geringfügig ist, ist dieser Anstieg ausreichend, um den Kompressorteil 11 des Turboladers 3 von einer Wellenbildung abzuhalten. Wenn die Motordrehzahl dann vergrößert wird, senden die Senso ren Signale des gestiegenen Einlaßsammelleitungsdruckes und der gestiegenen Motordrehzahl an die Steuervorrich tung 33, die auf diese Veränderungen anspricht, indem sie beginnt, das Bypass-Ventil 31 zu schließen, und mehr Ver brennungsluft an den Motor 1 zu senden. Eine Vergrößerung des Kompressormassenluftflusses ist weg von der Wellenli nie in den stabilen Betriebsbereich des Kompressors 11.

Fig. 5 zeigt einen Graph bzw. eine Kurve der Leistung ei nes typischen Kompressorteils 11 eines Turboladers 3, wo bei die Abszisse der Kurve der Kompressorluftmassenfluß in kg/sek ist, und wobei die Ordinate das Kompressor druckverhältnis ist, und zwar gesamt zu statisch und im mer größer als 1 : 1 ist.

Eine Wellen bzw. Anstiegslinie, die manchmal Stabilitäts grenze, Pumpgrenze oder Absterbelinie genannt wird, ist eine gekrümmte Linie, die mit dem Druckverhältnis und dem Kompressorluftmassenfluß zunimmt, und die "Wellenlinie" (surge line) genannt wird. In einem Gebiet rechts von der Wellenlinie ist ein Gebiet, welches den Bereich des Druckverhältnisses und Massenflusses abdeckt, in dem der Kompressorbetrieb stabil ist. Wenn die Druckverhältnis- und Massenflußkoordinaten auf der linken Seite der Wel lenlinie liegen, ist der Betrieb des Kompressors insta bil, und zwar gekennzeichnet durch schnelle Druckfluktua tionen und eine Wellenbildung des Strömungsmittels in nerhalb des Kompressors.

Konturlinien auf der rechten Seite der Wellenlinie stel len die isentropische Effizienz bzw. den Wirkungsgrad des Kompressors als IE gezeigt, dar.

Die Kompressordrehzahl in Umdrehungen pro Minute, U/min, wird durch eine Gruppe von gekrümmten Linien dargestellt, die bei der Wellenlinie beginnen und sich nach unten und nach rechts krümmen, und die als CS angezeigt sind. Cha rakteristische Motorbeatmungslinien sind eine Serie von geraden Linien, die sich von links nach rechts nach oben erstrecken, die die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Mi nute, U/min, und den Massenfluß des Strömungsmittels bei unterschiedlichem Einlaßdruck oder Druckverhältnissen zeigen.

Eine stark gekrümmte Linie CO5 zeigt den Kompressorbe trieb oder den Betrieb des Kompressorteils 11 des Turbo laders 3 an, wenn der Motor 1 in dem typischen in Fig. 3 gezeigten Betriebszustand betrieben wird. Sie zeigt auch den Betrieb des Kompressorteils 11 des Turboladers mit und ohne dem Bypass-Ventil 51 und der in Fig. 2 gezeigten Steuervorrichtung 33 im Betrieb. Wenn das Bypass-Ventil 51 durch die Steuervorrichtung 33 geöffnet wird, wird ein Teil der Verbrennungsluft von der Einlaßleitung 25 zum Auslaßanschluß 9 vorbeigeleitet, so daß der vorbeigelei tete Teil der Einlaß- oder Verbrennungsluft die Turbine 5 überbrückt bzw. an ihr vorbeiläuft, und tritt aus dem Sy stem mit den Abgasen, die den Turbinenteil 5 des Turbola ders 3 angetrieben haben und durch ihn hindurchgelaufen sind. Die stark gekrümmte Linie CO5 zeigt den Kompressor massenfluß und das Druckverhältnis, wenn der Motor in ei nem typischen Betriebszustand betrieben wird, der in Fig. 3 gezeigt ist. Die stark gekrümmte Linie CO5 beginnt an einem Punkt AS, wo der Motor 1 auf niedriger Leerlauf drehzahl ist, das Drehmoment und die Drehzahl des Motors 1 wird dann auf die Maximal- oder Nennleistung vergrößert und der Kompressormassenluftfluß und das Druckverhältnis steigen auf den Punkt B5. Die Motordrehzahl wird dann verringert oder auf ihr Spitzendrehmoment zurückgezogen, und der Kompressormassenfluß und das Kompressionsverhält nis werden auf den Punkt D5 verringert.

Am Punkt D5 ist der Massenfluß und das Druckverhältnis des Kompressors 11 über der linken Seite der Wellenlinie, was instabile Zustände innerhalb des Kompressorteils 11 des Turboladers 3 zur Folge hat, in dem der Fluß pulsie ren wird, so daß es einen Rückfluß durch den Einlaßan schluß 13 gibt, der durch ein starkes Nachlaufen und eine Wellenbildung des Kompressorteils 11 des Turboladers 3 begleitet wird.

Wenn jedoch die Steuervorrichtung 33 das Bypass-Ventil 51 ansprechend auf Signale vom Atmosphärendrucksensor 35, vom Einlaßsammeleitungsdrucksensor 37 und vom Motordreh zahlsensor 39 betreibt oder moduliert, wird das Bypass- Ventil 51 beginnen, sich zu öffnen, wenn der Kompressor massenfluß und das Druckverhältnis den Punkt C5 errei chen, der bei ungefähr 1550 U/min des Motors liegt, und wird sich weiter öffnen, wenn die Drehzahl weiter ab nimmt, was einem Anstieg des Kompressormassenflusses und eine geringfügige Verringerung des Druckverhältnisses zur Folge hat. Somit gehen der Kompressormassenfluß und das Druckverhältnis vom Punkt C5 zum Punkt F, der auf der stabilen oder rechten Seite der Wellenlinie bleibt. Daher arbeitet der Kompressorteil 11 des Superladers bzw. Kom pressors 3 in einem stabilen Zustand, auch wenn die Dreh zahl des Motors verringert wird.

Die Öffnung des Bypass-Ventils 51 verringert den Einlaß sammelleitungsdruck und somit den Rückdruck auf den Kom pressorteil 11 des Turboladers 3 und steigert den Masse fluß des Kompressors 11, wobei die Folge dieser beiden Veränderungen ausreichend ist, um eine Wellenbildung zu verhindern. Wenn die Motordrehzahl dann gesteigert wird, senden die Sensoren ein Signal eines gesteigerten Einlaß sammeleitungsdruckes und einer gesteigerten Drehzahl an die Steuervorrichtung 33, die auf diese Veränderungen an spricht, indem sie beginnt, das Bypass-Ventil 51 zu schließen, und mehr Verbrennungsluft an den Motor 1 zu schicken. Eine Steigerung der Motordrehzahl ohne Verände rung des Atmosphärendruckes hat eine Steigerung des Kom pressormassenluftflusses zur Folge, die weg von der Wel lenlinie und in den stabilen Betriebsbereich des Kom pressors 11 ist.

Das Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in ei nem in Fig. 1 gezeigten Turbolader 3 und Motor 1 weist folgende Schritte auf: Vorsehen eines Bypass- bzw. Über brückungsventils 31, um den Fluß von Verbrennungsluft vom Kompressorteil 11 des Turboladers 3 an den Einlaßanschluß 7 des Turbinenteils 5 des Turboladers 3 zu steuern, und zwar um einen Teil der Verbrennungsluft zum Turbinenteil des Turboladers 3 vorbeizuleiten; Versehen einer Steu ervorrichtung 33 mit Karten bzw. Nachschautabellen, ba sierend auf empirischen Fixpunktdaten, die für den Motor 1, den Turbolader 3 und das Bypass-System spezifisch sind, und zwar in Form von Tabellen, und Verwenden der Steuer vorrichtung 33, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphären druckes anzusprechen, und um das Bypass-Ventil 31 zu be treiben bzw. zu betätigen, um zu verhindern, daß der Kom pressorteil 11 des Turboladers 3 Wellen bildet.

Das Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in ei nem in Fig. 2 gezeigten Turbolader 3 und Motor 1 weist folgende Schritte auf: Vorsehen eines Bypass-Ventils 51, um den Fluß von Verbrennungsluft vom Kompressorteil 11 des Turboladers 3 zum Auslaßanschluß 9 des Turbinenteils 5 des Turboladers 3 zu steuern, um einen Teil der Ver brennungsluft an die Atmosphäre vorbeizuleiten; Versehen einer Steuervorrichtung 33 mit Karten bzw. Nachschauta bellen, basierend auf empirischen Fixpunktdaten, die für den Motor 1, den Turbolader 3 und das Bypass-System spe zifisch sind, und zwar in Form von Tabellen, und Verwen den der Steuervorrichtung 33, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphärendruckes anzusprechen, und um das Bypass-Ventil 51 zu betätigen, um zu verhindern, daß der Kompressorteil 11 des Turboladers 3 Wellen bildet.

Während die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungs beispiele den besten Weg zur Ausführung dieser Erfindung beschreiben, der bis jetzt von den Erfindern in Betracht gezogen wurde, werden zahlreiche Modifikationen und An passungen dieser Erfindung dem Fachmann offensichtlich sein. Daher sollen die Ausführungsbeispiele als veran schaulichend und beispielhaft angesehen werden, und es ist klar, daß die Ansprüche solche Modifikationen und An passungen abdecken sollen, wenn sie als innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung angesehen werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Bypass-System für einen Dieselmotor mit einem Turbo lader, mit einer Bypass-Leitung, mit einem Ventil und ei ner Steuervorrichtung, die zusammenarbeiten, um einen Teil der Verbrennungsluft vorbeizuleiten, die durch den Turbolader komprimiert wird, und zwar vorbeigeleitet an einen Turbinenteil des Turboladers oder an die Atmosphä re, mit einer Steuervorrichtung, die Karten, basierend auf empirischen Fixpunktdaten enthält, die für den Motor, den Turbolader und das Bypass-System spezifisch sind, spricht auf Signale an, die Veränderungen des Atmosphä rendruckes, des Einlaßsammelleitungsdruckes und der Mo tordrehzahl anzeigen, um das Ventil zu steuern und zu verhindern, daß der Turbolader Wellen bildet.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit einer Einlaßsammelleitung zur Lieferung von Verbrennungsluft an den Motor, mit ei ner Auslaßsammelleitung, um die Verbrennungsprodukte vom Motor zu sammeln, und mit einem Turbolader mit einem Turbinenteil, der die Verbrennungsprodukte als ein Antriebsmedium verwendet, und mit einem Kom pressorteil, der die Verbrennungsluft auf erhöhtem Druck und auf erhöhter Temperatur liefert, wobei der Kompressorteil einen Einlaßanschluß und einen Aus laßanschluß besitzt, wobei der Kompressorauslaßan schluß in Strömungsmittelverbindung mit der Einlaß sammelleitung angeordnet ist, wobei der Turbinenteil einen Einlaßanschluß und einen Auslaßanschluß be sitzt, wobei der Turbineneinlaßanschluß in Strö mungsmittelverbindung mit der Auslaßsammelleitung angeordnet ist, wobei eine Bypass- bzw. Überbrüc kungsleitung in Strömungsmittelverbindung mit dem Kompressorauslaßanschluß und dem Turbineneinlaßan schluß oder dem Turbinenauslaßanschluß verbunden ist, wobei ein Bypass-Ventil in der Bypass-Leitung an geordnet ist, und eine Steuervorrichtung, um das Bypass-Ventil ansprechend auf Veränderungen der Mo tordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphärendruckes zu betätigen, um zu verhindern, daß der Kompressorteil Wellen bzw. Anstiege bildet.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Steuer vorrichtung Karten enthält, die auf der Motordreh zahl, dem Einlaßsammelleitungsdruck und dem Atmos phärendruck basieren, und auf Veränderungen darin anspricht, um das Bypass-Ventil zu betätigen, um zu verhindern, daß der Kompressorteil Wellen bzw. An stiege bildet.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Karten Tabellen von festen Datenpunkten sind, und war basierend auf empirischen Daten, die für den Motor, den Turbolader und die Bypass-Konfiguration spezifisch sind, die von der Steuervorrichtung ge steuert werden.

4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei der Mo tor ein Dieselmotor ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei der Dieselmotor ein Vier-Takt-Motor ist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Bypass-Leitung in Strömungsmittelverbindung mit dem Auslaßanschluß des Kompressorteils und dem Einlaßan schluß des Turbinenteils ist, wodurch Wärme- und Druckenergie in der Verbrennungsluft teilweise durch den Turbinenteil des Turboladers wiedergewonnen wird, um den Kompressor davon abzuhalten, Wellen zu bilden, wenn das Bypass-Ventil von der Steuervorrich tung geöffnet wird.

7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Bypass-Leitung in Strömungsmittelverbindung mit dem Auslaßanschluß des Kompressorteils und dem Auslaßan schluß des Turbinenteils angeordnet ist, wobei der Einlaßsammelleitungsdruck und der Rückdruck auf dem Kompressor verringert wird, wenn das Bypass-Ventil durch die Steuervorrichtung geöffnet wird, um zu verhindern, daß der Kompressorteil des Turboladers Wellen bildet.

8. Verfahren zur Verhinderung einer Anstiegs- bzw. Wel lenbildung in einem Turbolader, der in einem Ver brennungsmotor verwendet wird, wobei der Turbolader einen Kompressorteil besitzt, der in Strömungsmit telverbindung mit einer Einlaßsammelleitung angeord net ist, um Verbrennungsluft an den Motor zu lie fern, und mit einem Turbinenteil, der in Strömungs mittelverbindung mit einer Auslaßsammelleitung ange ordnet ist, die Abgase vom Motor zum Turbinenteil des Turboladers liefert, und mit einem Auslaßan schluß, durch den Gase vom Turbinenteil des Turbola ders in die Atmosphäre ausgestoßen werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Vorsehen einer Bypass-Leitung und eines Bypass-Ven tils, um den Fluß von Verbrennungsluft vom Kompres sorteil des Turboladers zum Turbinenteil des Turbo laders oder dem Auslaßanschluß des Turbinenteils des Turboladers zu steuern, um entsprechend einen Teil der Verbrennungsluft zum Turbinenteil des Turbola ders oder zur Atmosphäre vorbeizuleiten,
Vorsehen einer Steuervorrichtung, um das Bypass-Ven til zu betätigen, um den Fluß von vorbeigeleiteter Verbrennungsluft zu steuern, und zwar ansprechend auf Veränderungen des Einlaßsammelleitungsdruckes, des Atmosphärendruckes und der Motordrehzahl, um zu verhindern, daß der Kompressorteil des Turboladers Wellen bzw. Anstiege bildet.

9. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Verbrennungsmotor verwendeten Turbo lader, nach Anspruch 8, wobei das Verfahren den fol genden Schritt aufweist:
Versehen der Steuervorrichtung mit Karten, basierend auf empirischen Daten, die für den Motor und den Turbolader spezifisch sind, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphärendruckes anszusprechen, um das Bypass- Ventil zu betätigen, um zu verhindern, daß der Kom pressorteil Wellen bildet.

10. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Verbrennungsmotor verwendeten Turbo lader, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 8, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
Versehen der Steuervorrichtung mit Karten, basierend auf empirischen Fixpunktdaten, die für den Motor und den Turbolader spezifisch sind, und zwar in Form von Tabellen, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphären druckes anzusprechen, um das Bypass-Ventil zu betäti gen, um zu verhindern, daß der Kompressorteil Wellen bildet.

11. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Dieselmotor verwendeten Turbolader, wobei der Turbolader einen Kompressorteil besitzt, der in Strömungsmittelverbindung mit einer Einlaß sammelleitung angeordnet ist, um Verbrennungsluft an den Motor und einen Turbinenteil zu liefern, der in Strömungsmittelverbindung mit einer Auslaß sammelleitung angeordnet ist, die Abgase vom Motor an den Turbinenteil des Turboladers liefert, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen einer Bypass-Leitung und eines Bypass-Ven tils, um den Fluß von Verbrennungsluft vom Kompres sorteil des Turboladers zum Turbinenteil des Super laders bzw. Kompressors zu steuern, um einen Teil der Verbrennungsluft an den Turbinenteil des Turbo laders vorbeizuleiten;
Vorsehen einer Steuervorrichtung, um das Bypass-Ven til zu betreiben, um den Fluß von Verbrennungsluft ansprechend auf Veränderungen des Einlaßsammellei tungsdruckes, des Atmosphärendruckes und der Motor drehzahl zu steuern, um zu verhindern, daß der Kom pressorteil des Turboladers Wellen bildet.

12. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Dieselmotor verwendeten Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesonde re nach Anspruch 11, welches folgenden Schritt auf weist:
Versehen der Steuervorrichtung mit Karten, basierend auf empirischen Daten, die für den Motor und den Turbolader spezifisch sind, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphärendruckes anzusprechen, um das Bypass- Ventil zu betätigen, um zu verhindern, daß der Kom pressorteil Wellen bildet.

13. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Dieselmotor verwendeten Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesonde re nach Anspruch 11, welches folgenden Schritt auf weist:
Versehen der Steuervorrichtung mit Karten, basierend auf empirischen Fixpunktdaten, die für den Motor und den Turbolader spezifisch sind, und zwar in Form von Tabellen, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphä rendruckes anzusprechen, um das Bypass-Ventil zu be tätigen, um zu verhindern, daß der Kompressorteil Wellen bildet.

14. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Dieselmotor verwendeten Turbolader, wobei der Turbolader einen Kompressorteil besitzt, der in Strömungsmittelverbindung mit einer Einlaß sammelleitung angeordnet ist, um Verbrennungsluft an den Motor zu liefern, und einen Turbinenteil, der in Strömungsmittelverbindung mit der Auslaßsammellei tung angeordnet ist, die Abgase vom Motor an den Turbinenteil des Turboladers liefert, und einen Aus laßanschluß, durch den Gase vom Turbinenteil des Turboladers an die Atmosphäre ausgestoßen wird, wo bei folgende Schritte vorgesehen sind:
Vorsehen einer Bypass-Leitung und eines Bypass-Ven tils, um den Fluß von Verbrennungsluft vom Kompres sorteil des Turboladers zum Auslaßanschluß des Tur binenteils des Turboladers zu steuern, um einen Teil der Verbrennungsluft an die Atmosphäre vorbeizulei ten bzw. zu überbrücken,
Vorsehen einer Steuervorrichtung, um das Bypass-Ven til zu betätigen, um den Fluß von Verbrennungsluft ansprechend auf Veränderungen des Einlaßsammellei tungsdruckes, des Atmosphärendruckes und der Motor drehzahl zu steuern, um zu verhindern, daß der Kom pressorteil des Turboladers Wellen bildet.

15. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Dieselmotor verwendeten Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesonde re nach Anspruch 14, welches folgenden Schritt auf weist:
Versehen der Steuervorrichtung mit Karten, basierend auf empirischen Daten, die für den Motor und den Turbolader spezifisch sind, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphärendruckes anzusprechen, um das Bypass- Ventil zu betreiben, um zu verhindern, daß der Kom pressorteil Wellen bildet.

16. Verfahren zur Verhinderung einer Wellenbildung in einem in einem Dieselmotor verwendeten Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesonde re nach Anspruch 14, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:
Versehen der Steuervorrichtung mit Karten, basierend auf empirischen Fixpunktdaten, die für den Motor und den Turbolader spezifisch sind, und zwar in Form von Tabellen, um auf Veränderungen der Motordrehzahl, des Einlaßsammelleitungsdruckes und des Atmosphären druckes anzusprechen, um das Bypass-Ventil zu betäti gen, um zu verhindern, daß der Kompressorteil Wellen bildet.