DE19851028C2 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Maßnah­ men die Betriebssicherheit von aufgeladenen Brennkraftmaschinen zu erhöhen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Turbolader werden in zunehmenden Maße nicht nur in der befeuer­ ten Antriebsbetriebsweise, sondern auch im Motorbremsbetrieb eingesetzt, bei dem sehr hohe Leistungswerte erzeugt werden kön­ nen. Um bei einem Ausfall eines Turboladers einen plötzlichen Leistungsabfall insbesondere im Motorbremsbetrieb zu vermeiden und eine Gefahrensituation zu verhindern, werden gemäß der Neue­ rung die Abgasturbolader nicht gleichzeitig, sondern nur einzeln betrieben, wodurch die Sicherheit gegen einen Ausfall der Aufla­ dung erheblich gesteigert ist. Die aufgeladene Brennkraftmaschi­ ne ist mit den zwei parallel geschalteten Abgasturboladern red­ undant ausgelegt.

Ein Abgasturbolader übernimmt vorteilhaft die Funktion eines Hauptladers, der zweite Abgasturbolader die Funktion eines Re­ serveladers, der nur in Notfällen oder in regelmäßigen Abständen zur Sicherheitsüberprüfung oder gemäß einem anderweitigen, vor­ gebbaren Modus eingesetzt wird.

Als Kriterium für das Umschalten zwischen den Turboladern wird eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine charakteristische Kenngröße gemessen und mit einem Sollwert verglichen. Bei einer unzulässigen Abweichung wird in einer Regel- und Steuereinheit ein Steuersignal zur Betätigung einer Umschalteinrichtung er­ zeugt, über die einer der Lader abgeschaltet und der andere La­ der zugeschaltet werden kann. Als Kenngröße kann eine Zustands­ größe der Brennkraftmaschine herangezogen werden, beispielswei­ se der Ladedruck, die Laderdrehzahl des aktuell aktivierten La­ ders, der in den Ansaugtrakt geförderte Luftmassenstrom oder der Turbinen-Eintrittsdruck; diese Zustandsgrößen können mit geringem Aufwand mittels Sensoren und Signalgebern ermittelt werden und in der Regel- und Steuereinheit mit einem vorgegebe­ nen bzw. errechneten Sollwert verglichen werden.

Als Kenngröße kann auch die Zeit berücksichtigt werden, indem nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne zwischen den Ladern hin und her geschaltet wird. Dies kann entweder zu dem Zweck erfolgen, den Reservelader auch im regulären Betrieb - ohne Notfall - zum Testen den Funktionsbetriebs für eine kurze Zeit­ spanne einzuschalten. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die beiden Lader alternierend zu betreiben, um eine gleichmäßige Belastung beider Lader zu erreichen und die Gesamtlebensdauer der Vorrichtung zu erhöhen; in dieser Ausbildung werden beide Lader gleichrangig behandelt und es sind bevorzugt beide Lader baugleich ausgebildet.

Es ist auch ein Mischbetrieb möglich, bei dem grundsätzlich nur in Notfällen bei Überschreiten eines Zustandsgrößen-Grenzwerts auf den zweiten Lader umgeschaltet wird, jedoch zur Funktions­ überprüfung auch regelmäßig im regulären Betrieb für eine in der Regel kurze Zeitspanne auf den Reservelader umgeschaltet wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung können sowohl im Motorbrems­ betrieb als auch in der befeuerten Antriebsbetriebsweise einge­ setzt werden. Zur Erzielung hoher Bremsleistungen ist bevorzugt zumindest eine Turbine, insbesondere die Turbine des Hauptla­ ders, mit variabler Turbinengeometrie zur variablen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts ausgestattet; zweckmäßig weisen beide Turbinen eine variable Turbinengeometrie auf.

Im Motorbremsbetrieb wird die variable Turbinengeometrie zur Erhöhung des Abgasgegendrucks in eine Staustellung mit redu­ ziertem Turbinenquerschnitt versetzt. Das aufgestaute Abgas strömt mit hohem Impuls zwischen den verbleibenden Strömungska­ nälen der Turbinengeometrie und trifft auf das Turbinenrad, das angetrieben wird und Leistung auf den Verdichter überträgt, wo­ durch die angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Lade­ druck gesteigert wird, so daß sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig der Zylinder der Brennkraftmaschine ein erhöhter Druck anliegt. Im Motorbremsbetrieb muß der Kolben im Verdich­ tungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Brems­ wirkung erreicht wird.

Fehlfunktionen des aktuell verwendeten Turboladers können bei­ spielsweise über einen Soll-Ist-Vergleich der betrachteten Zu­ standsgröße oder einer aus der betrachteten Zustandsgröße abge­ leiteten Größe detektiert werden. Übersteigt die zeitliche Än­ derung der Zustandsgröße, insbesondere der Ladedruck, einen Grenzwert und/oder unterschreitet das Niveau der Zustandsgröße eine untere Grenze, so liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Schaden am Turbolader vor. Durch die Betätigung der Umschalt­ einrichtung und den schnellen Wechsel auf den zweiten Turbola­ der kann ein Leistungseinbruch sowohl im befeuerten Betrieb als auch im Motorbremsbetrieb vermieden werden. Der zweite Turbola­ der bleibt bis zur Durchführung von Reparaturmaßnahmen am er­ sten Turbolader und Rücksetzen der Regel- und Steuereinheit auf den Ausgangszustand in Betrieb.

Eine in der Regel- und Steuereinheit festgestellte Fehlfunktion wird zweckmäßig dokumentiert und angezeigt.

In vorteilhafter Weiterbildung wird der maximal zulässige Lade­ druck auf einen Maximalwert begrenzt, um eine Bauteilüberla­ stung zu verhindern, die beispielsweise durch eine verklemmte Turbinengeometrie im Motorbremsbetrieb und daraus resultieren­ der stark ansteigender Turbinenleistung bei zunehmender Mo­ tordrehzahl entstehen kann. Zur Ladedruckbegrenzung ist ein Si­ cherheitsventil im Ansaugtrakt stromab der Verdichter vorgese­ hen, das zweckmäßig zusätzlich zur redundanten Auslegung mit zwei parallelen, alternativ zu betreibenden Abgasturboladern angeordnet ist. Gegebenenfalls wird die Ladedruckbegrenzung mittels des Sicherheitsventils aber auch in Brennkraftmaschinen mit nur einem Turbolader oder in Brennkraftmaschinen mit zwei Turboladern, welche in Abhängigkeit des Betriebszustandes auch gleichzeitig betrieben werden können, eingesetzt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern schematisch dargestellt ist.

Die Brennkraftmaschine 1, insbesondere die Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, weist einen Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 im Abgasstrang 6 und einen Verdichter 4 im Ansaug­ trakt 7 auf. Die Turbine 3 ist mit variabel einstellbarer Tur­ binengeometrie 5 ausgestattet, insbesondere als Leitgitter mit Drehschaufeln. Die Turbine 3 wird von den unter dem Abgasgegen­ druck p₃ stehenden Abgasen im Abgasstrang 6 zwischen dem Zylin­ derauslaß der Brennkraftmaschine und dem Turbineneinlaß der Turbine 3 angetrieben und treibt ihrerseits über eine Welle den Verdichter 4 an, der die mit Atmosphärendruck p₁ angesaugte Frischluft auf einen erhöhten Druck p₂ verdichtet. Die verdich­ tete Luft wird in einem Ladeluftkühler 8 stromab des Verdich­ ters 4 gekühlt und anschließend mit dem Ladedruck p2 s dem Saug­ rohr der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Der erhöhte Ladedruck führt zu einer Steigerung der Motorantriebsleistung.

Der Abgasturbolader 2 kann auch im Motorbremsbetrieb zur Erzeu­ gung von Motorbremsleistung genutzt werden. Die variable Turbi­ nengeometrie 5 der Turbine 3 wird hierfür in eine Staustellung überführt, in der der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt re­ duziert ist. Daraufhin baut sich ein erhöhter Abgasgegendruck auf, das Abgas strömt mit erhöhter Geschwindigkeit durch die verbleibenden offenen Kanäle der variablen Turbinengeometrie und trifft auf das den Verdichter 4 antreibende Turbinenrad, wodurch der Verdichter im Ansaugtrakt 7 einen Überdruck auf­ baut. Zugleich werden Bremsventile am Zylinderauslaß der Brenn­ kraftmaschine 1 geöffnet, so daß die im Zylinder verdichtete Luft in den Abgasstrang 6 abgeblasen werden kann.

Die Bremsleistung kann durch die Position der variablen Turbi­ nengeometrie 5 und der daraus resultierenden Einstellung des Turbineneintrittsquerschnitts beeinflußt werden.

Die variable Turbinengeometrie kann durch ein Leitgitter im Turbineneintrittsquerschnitt mit drehbaren Schaufeln realisiert sein. Die Querschnittsveränderung wird in diesem Fall durch Drehung der Schaufeln bewerkstelligt. Alternativ hierzu kann die Turbine mit einem axial verschieblichen Leitgitter im Tur­ bineneintrittsquerschnitt ausgestattet sein. In einer weiteren Ausführung kann die Turbine mit einer Klappe im Eintritt und stromauf des Eintritts abgehenden Beschleunigungskanälen, die unmittelbar hinter dem offenen Turbinenrücken enden, ausgestat­ tet sein. Auch in dieser Ausführung ist der das Turbinenrad be­ aufschlagende Abgasstrom variabel einstellbar.

Parallel zum Abgasturbolader 2 ist ein weiterer Abgasturbolader 9 angeordnet. Der zweite Lader 9 weist eine Turbine 10, die ebenso wie der erste Lader 2 mit variabler Turbinengeometrie 11 ausgestattet ist, in einem Abgas-Leitungsabschnitt 13 auf, der parallel zum Abgasstrang 6 mit der ersten Turbine 3 angeordnet ist. Stromab der Turbine 10 mündet der Abgas-Leitungsabschnitt 13 mit der zweiten Turbine 10 wieder in den Abgasstrang 6. Die variable Turbinengeometrie 11 ist zweckmäßig in einer einfachen Ausführung mit einem Axialschieber ausgestattet oder als Klap­ penturbine ausgeführt. Gegebenenfalls kommt aber auch eine Aus­ führung mit einem Leitgitter mit Drehschaufeln in Betracht.

Der von der zweiten Turbine 10 angetriebene zweite Verdichter 12 liegt in einer zum Ansaugtrakt 7 parallel verlaufenden An­ saugleitung 14. Der Ansaugtrakt 7 und die parallele Ansauglei­ tung 14 werden von einem gemeinsamen Lufteinlaß 15 stromauf der Verdichter 4 bzw. 12 mit Frischluft gespeist. Sowohl stromauf des ersten Verdichters 4 als auch stromauf des zweiten Verdich­ ters 12 sind in den jeweiligen Leitungsabschnitten Rückschlag­ ventile 19, 20 vorgesehen, die in Ansaugrichtung der Verbren­ nungsluft öffnen und in Gegenrichtung schließen. Stromab des zweiten Verdichters 12 mündet die Ansaugleitung 14 in den Lade­ luftkühler 8.

Im Bereich der Abzweigung des Abgas-Leitungsabschnitts 13 vom Abgasstrang 6 ist eine Umschalteinrichtung 16 vorgesehen, die zwischen einer den Abgasstrang durch die erste Turbine 3 frei­ schaltenden und einer den Abgas-Leitungsabschnitt durch die zweite Turbine 10 freischaltenden Stellung geschaltet werden kann. Je nach Schaltstellung der Umschalteinrichtung 16 wird der gesamte Abgasstrom entweder ausschließlich durch die erste Turbine 3 oder ausschließlich durch die zweite Turbine 10 ge­ leitet.

Die Umschalteinrichtung 16 wird mittels eines Steuersignals betätigt, das in einer Regel- und Steuereinheit 17 erzeugt und über eine Signalleitung 18 der Umschalteinrichtung 16 zugeführt wird. Über eine weitere Signalleitung 21 wird der Ladedruck p₂, der in einem Signalgeber bzw. Sensor 22 im Ansaugtrakt 7 aufge­ nommen wird, der Regel- und Steuereinheit 17 als Eingangssignal zugeführt. Über nicht eingezeichnete weitere Signalleitungen erhält die Regel- und Steuereinheit 17 Eingangssignale mit zu­ sätzlichen Informationen über den Betriebszustand der Brenn­ kraftmaschine 1, insbesondere über Last, Motordrehzahl, ange­ saugter Luftmassenstrom, Drehzahl der Abgasturbolader 2 bzw. 9, Turbinen-Eintrittsdruck etc. sowie darüber, ob die Brennkraft­ maschine sich im Motorbremsbetrieb oder im befeuerten Antriebs­ betrieb befindet. Die Regel- und Steuereinheit 17 erfaßt auch die Stellung der variablen Turbinengeometrie in den Turbinen 3 und 12 bzw. erzeugt Stellsignale zur zustandsabhängigen Ein­ stellung der variablen Turbinengeometrie.

Der Abgasturbolader 2 wird als Hauptlader, der Abgasturbolader 9 als Reservelader eingesetzt. Im regulären Betrieb - sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbe­ trieb - wird, sofern kein Fehlerfall vorliegt, ausschließlich der Hauptlader 2 eingesetzt; im regulären Betrieb steht die Um­ schalteinrichtung 16 in einer die Hauptturbine 3 mit Abgas ver­ sorgenden Stellung. In der Regel- und Steuereinheit 17 erfolgt in vorteilhaft regelmäßigen Abständen eine Überprüfung einer oder mehrerer System-Zustandsgrößen oder sonstiger System- Kenngrößen wie beispielsweise die Zeit. Weicht eine gemessene Zustandsgröße unzulässig hoch vom gegebenen oder berechneten Sollwert ab, so wird ein Schaden im Hauptlader 2 vermutet. Dar­ aufhin erzeugt die Regel- und Steuereinheit 17 ein Steuersi­ gnal, mittels dem die Umschalteinrichtung 16 umgeschaltet wird, so daß der gesamte Abgasstrom durch den Abgas-Leitungsabschnitt 13 mit der Reserveturbine 10 geleitet wird. Zugleich kann eine Fehlermeldung bzw. ein Fehlereintrag in der Regel- und Steuer­ einheit 17 erfolgen und der Fahrer zum Werkstattbesuch aufgefordert werden.

Das Steuersignal zur Umschaltung vom Hauptlader auf den Reser­ velader kann auch bei Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne er­ folgen. Hierdurch wird der Reservelader 9 von Zeit zu Zeit zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit für kurze Zeiträume in Be­ trieb genommen.

Es kann in einer anderen Ausführung auch zweckmäßig sein, beide Lader 2, 9 gleichrangig und gemäß einem vorgegebenen Modus ab­ wechselnd zu betreiben, um die Belastung jedes einzelnen Laders zu senken und die Gesamt-Lebensdauer der Vorrichtung zu erhö­ hen. In dieser Ausführung sind vorteilhaft beide Lader bau­ gleich ausgebildet.

Das Rückschlagventil 19 im Ansaugtrakt 7 befindet sich bei ak­ tiviertem Reservelader 9 aufgrund des Unterdruckes im unteren Leitungsabschnitt des Ansaugtraktes 7 in Schließstellung. In entsprechender Weise befindet sich das zweite Rückschlagventil 20 in der parallelen Ansaugleitung 14 bei aktiviertem Hauptla­ der 2 in Schließstellung.

Die Ansaugleitung 7 mit dem zweiten Verdichter 12 kann in einer modifizierten Ausführung auch so gelegt werden, daß lediglich der erste Verdichter 4 im Ansaugtrakt 7 überbrückt wird, wobei die Ansaugleitung unmittelbar stromauf des ersten Verdichters 4 abzweigt und stromab des Verdichters 4 wieder in den Ansaug­ trakt 7 mündet. Die Ansaugleitung mit dem zweiten Verdichter bildet hierbei einen Bypass zum ersten Verdichter.

In einer zweckmäßigen Ausführung ist im Ansaugtrakt 7 stromab des ersten Verdichters 4 ein Sicherheitsventil 23 angeordnet, das in Abhängigkeit des Ladedrucks p₂ zur Druckentlastung in eine Ladeluft ableitende Stellung versetzt werden kann. Wird in der Regel- und Steuereinheit 17 ein unzulässig hoher Ladedruck p₂ registriert, so wird das Sicherheitsventil 23 geöffnet, bis der Ladedruck unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes sinkt.

Weiterhin ist eine Abgas-Rückführungseinrichtung 24 vorgesehen, die ein Abgas-Rückführungsventil 25 im Abgasstrang 6 stromauf der ersten Turbine 3, einen Abgaskühler 26 sowie diverse Abgas- Zu- und Abfuhrleitungen 27, 28 und 29 umfaßt. Das Abgas- Rückführungsventil 25 wird über die Regel- und Steuereinheit 17 gesteuert. In Öffnungsstellung des Abgas-Rückführungsventils 25 wird ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang 6 abgeleitet, über die Zufuhrleitung 27 dem Abgaskühler 26 zugeführt und nach der Kühlung über die Abfuhrleitungen 28, 29 dem Ansaugtrakt 7 stromab des ersten Verdichters 4 bzw. der Ansaugleitung 14 stromab des zweiten Verdichters 12 zugeführt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschi­ ne, die zwei parallel angeordnete Abgasturbolader (2, 9) auf­ weist, wobei in einer Regel- und Steuereinheit (17) ein Steuer­ signal zur kenngrößenabhängigen Inbetriebnahme und Außerbe­ triebnahme der Abgasturbolader (2, 9) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeweils nur ein Abgasturbolader (2, 9) aktiv in Betrieb genommen wird,
• - daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne zwischen den Abgasturboladern (2, 9) umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zustandsgröße der Brennkraftmaschine (1) gemessen und mit einem Sollwert verglichen wird, wobei bei einer unzulässi­ gen Abweichung des Istwerts vom Sollwert mittels des Steuersi­ gnals zwischen den Abgasturboladern (2, 9) umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsgröße der Ladedruck (p₂) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zustandsgröße die Ladedrehzahl des aktuell aktiven Ab­ gasturboladers ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsgröße der Luftmassenstrom im Ansaugtrakt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel zwischen den Abgasturboladern (2, 9) erfolgt, wenn die zeitliche Änderung der Zustandsgröße einen Grenzwert übersteigt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von einem Abgasturbolader (2, 9) auf den anderen im Motorbremsbetrieb vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von einem Abgasturbolader (2, 9) auf den anderen im befeuerten Antriebsbetrieb vorgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Strömungsquerschnitt zumindest der Turbine (3, 10) eines Abgasturboladers (2, 9) variabel einstellbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Strömungsquerschnitt beider Turbinen (3, 10) variabel einstellbar ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der maximal zulässige Ladedruck (p₂) auf einen Maximalwert begrenzt wird.