DE3000781C2

DE3000781C2 - Einrichtung zur Steuerung des Betätigungsdruckes für den Stellantrieb eines Nebenstromventils in einer Umgehungsleitung der Turbine eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE3000781C2
Application number: DE3000781A
Authority: DE
Inventors: Koichiro Katsuta Ibaraki Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1980-01-10
Publication date: 1982-12-23
Also published as: GB2039610A; JPS5593923A; DE3000781A1; US4311008A; GB2039610B; JPS595772B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung des Betätigungsdruckes für den Stellantrieb eines in einer Umgehungsleitung der Turbine eines Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine angeordneten Nebenstromventils, wobei der Betätigungsdruck vom Ladedruck des Verdichters des Abgasturboladers ableitbar ist, wenn dieser einen Schwellenwert überschreitet.

Eine derartige Einrichtung zeigt die DE-AS 1451 904, bei der ein Überdruckventil in einer Umgehungsleitung einer Gasturbine in Gestalt einer Kugel vorgesehen ist, die in einer zylindrischen Bohrung mit geringer Toleranz gleitend mit ihrem größten Meridian abdichtet. Ein Querstift begrenzt die oberste Stellung der Kugel, während die unterste Stellung unterhalb von Querbohrungen in der zylindrischen Bohrung liegt. Die Kugel ist dabei durch eine einstellbare Feder belastet. In einer Mittelstellung steht die Kugel genau in Höhe der Mittelachse der Querbohrungen und dich'et diese ab. Eine solche Anordnung hat Nachteile, weil sich Vibrationen des Fahrzeugs auf die Kugel übertragen können und ihre Lage unstabil machen. Dazu kommt noch, daß Verunreinigungen, wie Staub etc., in der Innenbohrung zu einem Festsitzen der Kugel führen können. Um die Massenträgheit der Kugel niedrig zu halten, kann diese nur sehr klein ausgeführt werden. Die Feder muß zwangsläufig verhältnismäßig leicht sein, was ebenfalls ein stabiles Verhalten der Einrichtung in Frage stellt.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unbeeinflußt von Schwingungen des Fahrzeugs ein stabiles Verhalten zeigt, die unabhängig von der Größe des zur Verfugung stehenden Druckes ist und die sich durch hohe Betriebssicherheit und leichte Einstellbarkeit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Hauptanspruch angeführten Merkmale. Der Unteranspruch ίο kennzeichnet eine zweckmäßige Ausführung der Einrichtung nach dem Hauptanspruch.

Die erfindungsgemäße Einrichtung schafft durch die Anordnung des Umformers mit seinen durch Membranen getrennten Druckkammern stabile Verhältnisse, wobei starke Kräfte zur Verfugung stehen, die auch eine starke Druckfeder einzusetzen gestatten. Vibrationen können die Einrichtung infolgedessen nicht schädlich beeinflussen. Das geschlossene System ist außerdem gegenüber Verunreinigungen völlig gesichert. In den Zeichnungen sind ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Diagramme dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt einer Ausführungsform eines Bypaß-Abgasturboladers;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der charakteristisehen Kurven des Verdichterförderdrucks und des benötigten Betätigungsmechanismusdrucks über der Drehzahl der Brennkraftmaschine;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der charakteristischen Kurve des Betätigungsmechanismusdrucks über dem Verdichterforderdruck gemäß der Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 die Aufladeeigenschaften der Brennkraftmaschine unter den der Fig. 3 entsprechenden Bedingungen.

Gemäß Fig. 1 ist ein Turboladergehäuse 1 mit einer Turbine 2 und einem Verdichter 3 versehen, deren Rotoren mittels einer Welle 4 miteinander verbunden sind. Die Turbine 2 steht über einen Abgaseinlaßkanal 101 mit einer Brennkraftmaschine 100 in Verbindung, während der Verdichter 3 über einen Förderkanal 102 mit der Brennkraftmaschine 100 in Verbindung steht. Auf der Einlaßseite der Turbine 2 befindet sich ein Abgasbypaßventil 6 zum Abführen eines Teils der zur Turbine 2 strömenden Abgase in einen die Turbine 2 umgehenden Bypaßkanal 5. Der Schaft 7 des Bypaßventils 6 erstreckt sich durch das Gehäuse der Turbine 2 nach außen und ist am Kopf eines Balgs 9 befestigt, der in ßinum Bypaßventil-Betätigungsmechanismus 8 angebracht ist. Das offene Ende des Balgs 9 ist an der Innenseite des Betätigungsmechanismus 8 befestigt, dessen Innenseite über eine Verbindungsöffnung 10 mit der Innenseite der Turbine 2 in Verbindung steht. Die um den Balg 9 befindliche Arbeitsdruckkammer 11 steht über eine Öffnung 12 in Verbindung mit der Atmosphäre und über eine als Kanal wirkende Leitung 13 mit Auslaßleitungen 15 und 16 eines Umformers 14.

Der Umformer 14 enthält innen eine erste Membran 17 mit einer größeren wirksamen Druckaufnahmefläche und eine zweite Membran 18 mit einer kleineren Druckaufnahmefläche. Beide Membranen sind mittels einer Stange 19 derart miteinander verbunden, daß sie sich gemeinsam bewegen können. Der durch ein Gehäuse 103 begrenzte Innenrauni des Umformers 14 wird durch die erste und die zweite Membran 17 bzw. 18 in drei Druckkammern 20, 21 und 22 unterteilt. Die Auslaßleitung 15 und eine Einlaßleitung 23 münden in die erste Kammer 20, die zwischen der ersten Membran 17 und dem Gehäuse 103 des Umformers gebildet ist. Die Aus-

laßleitung 16 mündet in die zweite Kammer 21, die zwischen der ersten und der zweiten Membran 17 bzw. 18 gebildet ist. Die zwischen der zweiten Membran 18 und dem Gehäuse 103 gebildete dritte Kammer 22 ist über eine Entlüftungsöffnung 24 zur Atmospbäre hin entlüftet. Auf der zur Auslaßleitung 15 weisenden Seite der ersten Membran 17 ist ein Ventilkörper 25 befestigt, der durch die erste und die zweite Membran 17 bzw. 18 und die Stange 19 stets derart vorgespannt ist, daß er durch die Wirkung einer Feder 26 die Auslaßleitung 15 absperrt. Die Feder 26 ist in der dritten Kammer 22 zwischen der zweiten Membran 18 und dem Gehäuse 103 angeordnet.

Die Einlaßleitung 23 des Umformers 14 steht über eine des Verdichters 3. Die charakteristische Linie Λ gibt den Verdichterforderdruck PC für den Fall an, daß das Abgasbypaßventil 6 kräftig in seinem ganz geschlossenen Zustand gehalten wird. Die charakteristische Linie B gibt den Verdichterförderdruck PC an, der dann benötigt wild, wenn das Abgasbypaßventil 6 betätigt wird. Das dargestellte Beispiel entspricht den Charakteristiken, bei denen das Abgasbypaßventil 6 beginnt, beim Förderdruck PC von 80 kPa geöffnet zu werden und beim Förderdruck PC von ca. 87kPa ganz geöffnet ist.

Die charakteristische Linie C gibt den Druck PS an, der zur Leitung 13 des Betätigungsmechanismus 8 geliefert werden soll, so daß der VerdichterfÖrderdruck PC von 80 bis 87 kPa wie oben beschrieben gesteuert werden

Leitung 27 mit dt-r Förderseite des Verdichters 3 derart in 15 kann. In diesem Beispiel beginnt das Abgasbypaßventil 6 Verbindung, daß der Förderdruck des Verdichters 3 über mit dem Öffnen beim Druck PC von 13,33 kPa und ist bei die Einlaßleitung 23 in die erste Kammer 20 des Umformers 14 eingeführt werden kann.

Der Betrieb der auf diese Weise aufgebauten Ausführungsform wird anhand von Fig. 1 bis * beschrieben.

Wenn gemäß F ig. 1 die Abgase der Brennkraftmaschine 100 so zur Turbine 2 geliefert werden, daß diese angetrieben wird, wird der Verdichter 3 über die Welle 4 angetrieben. Der durch diesen Antrieb des Verdichters erzeugte Förderdruck wird über die Leitung 27 und die Einlaßleitung 23 zur ersten Kammer 20 des Umformers

14 übertragen. Während sich dieser Förderdruck auf einem niedrigen Niveau befindet, wird die Auslaßleitung

15 durch den Ventilkörper 25 so abgesperrt, daß der Förderdruck des Verdichters 3 nicht zur Arbeitsdruckkammer 11 des Betätigungsmechanismus 8 für das Abgasbypaßventil 6 übertragen wird.

Wenn als nächstes die Drehzahl der Brennkraftmaschine so erhöht wird, daß sich auch die Drehzahl der Turbine 2 dementsprechend erhöht, werden die erste und die zweite Membran 17 bzw. 18 gegen die Vorspannkraft der Feder 24 zum Öffnen der Auslaßleitung 15 aufwärts bewegt, so daß der geänderte Förderdruck über die Leitung 13 zur A.beitsdruckkammer 11 übertragen wird. —■"-' Dadurch wird das Abgasbypaßventil 6 durch die Abgas- 40 ^L~ druckdifferenz zwischen der Arbeitsdruckkammer II A₁

und dem Innenraum des Balgs 9 geöffnet. Die Abgase Ύ,~-< werden teilweise in den Bypaßkanal 5 abgeführt, so daß die Kraft zum Antreiben der Turbine 2 geschwächt wird, um den Förderdruck des Verdichters 3 abzusenken. Dann wird der Druck in der ersten Kammer 20 des Umformers 14 so abgesenkt, daß der Ventilkörper durch die Vorspannkraft der Feder 26 auf der Auslaßleitung 15 aufliegt. Der in der Arbeitsdruckkammer 11 verbleiben-8t/kPa ganz geöffnet. Die strichpunktierte Linie S gibt den Betriebsbeginn des Betätigungsmechanismus 8 an. Wenn die wirksamen Druckaufnahmeflächen der Membranen 17 und 18 des Umformers 18 mit A_L und A_s und wenn die Last an der Feder 26 mit W bezeichnet sind, wird das Gleichgewicht des Umformers 14 durch die Gleichung (1) ausgedrückt:

PC
101,32

wobei angenommen ist, daß die auf den Ventilkörper 25 ausgeübte Kraft durch eine ausreichende Verringerung der Sitzfläche des Ventilkörpers 25 weggelassen werden kann.

Wenn die Gleichung (1) umgeformt und neugeordnet wird, kann die Gleichung (2) erhalten werden:

PS=

PC-

101,32

Aus der Gleichung (2) ist ersichtlich, daß sich der Druck PS so verändert, wie sich der Ausdruck

— ■■-'■ -_Λ-- PC zusätzlich zur Änderung von PC mit ändert, während der Ausdruck ---—- eine Kon-

₁₅

stante ist. Somit kann der Druck PS durch geeignete Wahl der Druckaufnahmeflächen der Membranen bei beliebiger Änderung des Drucks PC festgelegt werden.

Gemäß dem obigen Beispiel werden die Daten der ersten und zweiten Membran 17 bzw. 18 gewonnen. Wenn entsprechend den Betriebsbedingungen des Betäti-

de Druck wird über die öffnung 12 allmählich entspannt, 50 gungsmechanismus 8 der Druck PS= 13,33 kPa und der

bis die Druckdifferenz am Balg 9 durch die Entspannung auf den Wert Null abgesenkt ist, so daß der Balg 9 seine ausgefahrene Stellung wieder einnehmen kann und hierdurch das Abgasbypaßventil 6 schließt.

Wenn das Abgasbypaßventil 6 geschlossen ist, wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 hoch und der Förderdruck des Verdichters 3 erneut verstärkt, so daß die obigen Vorgänge wiederholt werden, um den Förderdruck auf einem gegebenen Niveau aufrechtzuerhalten. Inzwischen wird die Änderung des Förderdrucks durch die Wirkung des Umformers 14 derart mit einem gegebenen Verstärkungsverhältnis verstärkt, daß der Betätigungsmechanismus 8 durch eine geringfügige Änderung in Betrieb gesetzt werden kann.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 und dem Druck PS (kPa) des Betätigungsmechanismus 8 und zwischen der Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 und dem Förderdruck PC Druck PC= 8OkPa in die Gleichung (2) eingesetzt werden, kann die Gleichung (3) erhalten werden:

13,33 = — -^-- -80-

101,32

^AL~A_S ^al~^as

Wenn der Druck PS = 80 kPa
PC = 87 kPa eingesetzt werden,
chung (4) erhalten werden:

80 = -

^al-A_s

und der Druck kann die Glei-

Wenn die Gleichungen (3) und (4) substituiert und neu geordnet werden, kann die Gleichung (5) erhalten werden:

^Ai=-^"^As (5).

Wenn z. B. die Fläche A_s = 9 cm² gewählt wird, können

die Fläche A₁ = 10 cm² und die Lust W— 7,7 kg berechnet werden.

Wenn in diesem Fall der Förderdruck PC von 80 kPa in die erste Kammer 20 des Umformers 14 eingeführt wird, wird die Auslaßöffnung geöffnet zum Einführen von Förderdruck in die zweite Kammer 21, wonach die Alislaßleitung 15 geschlossen wird. Folglich wird der Druck PS in der Arbeitsdruckkammer 11 etwa 13,33 kPa, wodurch das Auslaßbypaßventil 6 geringfügig geöffnet wird. Wenn der Förderdruck 87kPa beträgt, wird die Auslaßleitung 15 für eine Zeitdauer geöffnet, die länger als die Zeit, in der ein Druck PC von 8OkPa herrscht, ist. Folglich wird das Bypaßvcntil 6 ganz geöffnet, wenn der Druck PS 8OkPa beträgt.

Fig. 3 zeigt die Beziehung des Drucks PS zum Druck PC. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Druck PS des Betätigungsmechanismus bei einem Verdichterförderdruck von 73,33 kPa oder darunter kaum erhöht wird und daß der Betätigungsmechanismus 8 seine volle Öffnungsbetätigung bei einer geringen Änderung des Verdichterförderdrucks von z. B. etwa 7 kPa ausführen kann.

Fig. 4 zeigt die Aufladeeigenschaften zu dieser Zeit.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Förderdruck PC in geringem Ausmaß bis zum Maximum von 87kPa selbst dann erhöht wird, wenn die Brennkraftmaschine nach Überschreiten einer gegebenen Drehzahl ihre Höchstdrehzahl erreicht, so daß der Verdichterförderdruck den Betrag von 8OkPa überschreitet.

Da die Druckänderung zum Inbetriebsetzen des Abgasbypaßventils 6 auf z. B. 70 kPa angehoben werden kann, kann die Federkonstante des Betätigungsmechanismus 8 so hoch festgelegt werden, daß ein Metallbalg oder dergleichen mit höchster Hitzefestigkeit verwendet werden kann, wodurch Resonanz verhindert wird. Da ferner die Schwankungen des gesteuerten Verdichterförderdrucks /Tauf ein Niveau von höchstens 7 kPa herabgesetzt werden kann, kann unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ein im wesentlichen gleichförmiger hoher Aufladedruck für den Fall geliefert werden, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit einen gegebenen Wert übersteigt, so daß die Antriebsfahigkeit der Brennkraftmaschine zusammen mit der Kraftstoffsparsamkeit für die niedrigen und mittleren Drehzahlbereiche der Brennkraftmaschine merklich verbessert werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Steuerung des Betätigungsdruckes für den Stellantrieb eines in einer Umgehungsleitung der Turbine eines Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine angeordneten Nebenstromventils, wobei der Betätigungsdruck vom Ladedruck des Verdichters des Abgasturboladers ableitbar ist, wenn dieser einen Schwellenwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umformer (14) mit einem Gehäuse (103) vorgesehen ist, welches durch zwei mittels einer Stange (19) in ihrer Bewegunggekoppelte Membranen (17,18) in drei hintereinanderliegende Druckkammern (20, 21,22) unterteilt ist, wobei die druckaufnehmende Fläche (A_s) der zweiten Membran (18) kleiner ist als die (A₁) der ersten Membran (17); daß die erste Druckkammer (£0) an den Ladedruck (PC) angeschlossen ist und eine den Betätigungsdruck (PS) führende Ausgangsieitung (15) vorgesehen ist, die durch einen mit der ersten Membran (17) gekoppelten Ventilkörper (25) verschließbar ist; daß die zweite Druckkammer (21) an den Betätigungsdruck (PS) angeschlossen ist; und daß die dritte Druckkammer (22) zur Atmosphäre entlüftet ist und eine den Ventilkörper (25) über die Stange (19) in Schließrichtung vorspannende Druckfeder (26) enthält.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der druckaufnehmenden Flächen (A₁, A_s) der Membranen (17, 18) und die Federkraft der Feder (26) so bestimmt sind, daß der Betätigungsdruck (PS) bei einer geringen Änderung, von z.B. etwa 7kPa, des Ladedrucks (PQ über den Schwellenwert die volle Öffnung des Nebenstromventils (6) bewirkt.