DE3212498A1

DE3212498A1 - Steuerung fuer die zu- und abschaltung von abgasturboladern

Info

Publication number: DE3212498A1
Application number: DE19823212498
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing. Haußmann (grad.), 7992 Tettnang; Ewald Dipl.-Ing. 7990 Friedrichshafen Kamleitner
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1982-04-03
Filing date: 1982-04-03
Publication date: 1983-10-13
Also published as: JPH0122455B2; IT8347647A0; JPS5977037A; IT1169055B; GB2117826B; FR2524549B1; GB2117826A; CH661098A5; US4557111A; DE3212498C2; FR2524549A1

Description

MTU MOTOREN- UND TURSJNi^-UNIiJN :
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

321 Friedrielishaf en

Steuerung für die

Zu- und Abschaltung von Abgasturboladern

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für die Zu- und Abschaltung mindestens eines Abgasturbolader einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Betätigungseinrichtung für eine Abgas- und Ladeluftleitungs-Absperrvorrichtung und mit einem Steuerschalter für die Betätigungseinrichtung mit einem in einem Gehäuse angeordneten Schieber, der durch die Kraft einer auf ihn einwirkenden Feder in die Stellung für das Abschalten des Abgasturboladers gedrückt wird und der eine erste Steuerstirnfläche aufweist, auf die der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine als erster Steuerdruck entgegen der Federkraft einwirkt.

Das Abschalten von Abgasturboladern wird bei Kolbenbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teildrehzahlbereich der Kolbenbrennkraftma- -*5 schine durchgeführt. Dabei arbeitet bei geringem Abgasenergieanfall nur ein Abgasturbolader, dem bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine nach und nach ein oder mehrere Abgasturbolader parallel dazugeschaltet werden, bis schließlich bei Volllastbetrieb alle vorhandenen Abgasturbolader zusammenarbeiten. Der damit erzielbare Ladeluftdruck weist für jede eingeschaltete Abgasturbolader-Kombination über der Leistung oder der Drehzahl aufgetragen einen sägezahn-ähnlichen Verlauf auf: Beim Einschalten des zusätzlichen Laders tritt zunächst ein Abfall des Ladeluftdruckes, verursacht durch den Abfall des Abgasdruckes auf-

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grund der Öffnung der Abgasabsperreinrichtung des zuzuschaltenden Laders ein. Danach steigt der Ladeluftdruck mit zunehmender Leistung an, bis bei Zuschalten des nächsten Laders erneut ein Einbruch erfolgt.

Zur Steuerung des Zu- und Abschaltens der Abgasturbolader ist schon früher unter anderem der Ladeluftdruck selbst als Maß für die im Abgasstrom enthaltene Energie vorgeschlagen worden. Aufgrund des vorbeschriebenen Verlaufes des Ladeluftdruckes würde jedoch bei dem in der Einleitung beschriebenen Steuerschalter nach jeder Zuschaltung eines Abgasturboladers durch den Druckeinbruch sofort anschließend wieder die Abschaltung erfolgen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieses Wiederabschalten und die dadurch eingeleiteten dauernden Zu- und Abschaltungen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schieber eine zweite Steuerstirnfläche aufweist, auf die ein zweiter Steuerdruck so einwirkt, daß der Schieber bei einem hohen Ladeluftdruck in die Stellung für das Zuschalten des Abgasturboladers und bei einem geringeren Ladeluftdruck in die Stellung für das Abschalten des Abgasturboladers gedruckt wird.

Durch diese. Maßnahmen wird mit geringem Aufwand das unerwünschte Abschalten des Abgasturboladers aufgrund des zwangsläufigen Druckeinbruches nach dem Zuschalten sicher vermieden.

Der zweite Steuerdruck kann bei abgeschaltetem Abgasturbolader gleichsinnig mit der Federkraft über die zweite Steuerstirnfläche auf den Schieber einwirken. Dadurch ist es möglich, daß durch Absperrung des zweiten Steuerdruckes die Zuschaltung des zugehörigen Abgasturboladers herbeigeführt wird, ohne daß die hierzu sonst erforderliche Ladeluftdruckhöhe vorhanden ist.

Der zweite Steuerdruck kann jedoch auch bei zugeschaltetem Abgas-

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turbolader gleichsinnig mit dem auf die erste Steuerstirnfläche wirkenden Ladeluftdruck über die zweite Steuerstirnfläche auf den Schieber einwirken. Dadurch ist es möglich, daß durch Absperrung des zweiten Steuerdruckes die Abschaltung des zugehörigen ΑΓ.-gasturboladers herbeigeführt wird, ohne daß der hierzu erforderliche Abfall des Ladeluftdruckes eingetreten ist.

Der zweite Steuerdruck kann weiterhin von dem Schieber des Steuerschalters oder von der Betätigungseinrichtung gesteuert werden. Er kann vorteilhaft aus dem Ladeluftdruck gebildet werden und er kann außerdem einen Zylinder für einen Regelstangen-Anschlag in ^₁ der Weise betätigen, daß die Regelstange der Kolbenbrennkraftmaschine bei abgeschaltetem Abgasturbolader nur einen Teil ihres Regelstangenweges zurücklegen kann.

Durch dieses Merkmal kann in einfacher Weise eine wirksame Startmengenbegrenzung bzw. Füllungsbegrenzung im unteren Drehzahlbereich erreicht werden.

Der Steuerschalter kann direkt Steuerkanten und Durchgänge für das Arbeitsmittel der Betätigungseinrichtung aufweisen, es ist aber auch möglich, daß der Schieber des Steuerschalters einen elektrisehen Schalter für ein das Arbeitsmittel der Betätigungseinrichtung steuerndes Magnetventil betätigt. Durch diese Maßnahmen können für die Steuerung der Zu- und Abschaltung neben dem Ladeluftdruck auch noch andere Kriterien, z.B. die Drehzahl der Kolbenbrennkraftmaschine, herangezogen werden. Dies kann unter bestimmten Betriebsbedingungen notwendig sein.

Für die Erfindung ist die Verwendung des Ladeluftdruckes als Steuergröße keine zwingende Voraussetzung. Jeder ähnlich verlaufende Druck, z.B. der Abgasdruck, kann als Steuerdruck Verwendung finden, ohne daß damit der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.

Mehrere Ausführmigsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

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Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf des Ladeluftdruckes einer Kolbenbrennkraftmaschine mit insgesamt drei Abgasturboladern, von denen z\tfei abschaltbar ausgebildet sind, über der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine aufgetragen;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Steuerung für die Zu- und Abschaltung eines Abgasturboladers mit Abgas- und Ladeluftklappen, Betätigungseinrichtung und Steuerschalter;

Fig. 3 schematische Darstellung des Steuerschalters mit gleichsinnig zur Federkraft wirkendem zweiten Steuerdruck;

Fig. h schematische Darstellung des Steuerschalters mit entgegen der Federkraft wirkendem zweiten Steuerdruck.

In Fig. 1 ist der Ladeluftdruck-Verlauf einer Kolbenbrennkraftmaschine mit drei Abgasturboladorn über der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine aufgetragen.

Im unteren Leistungsbereich, bis zum Erreichen einer Leistung 11, ist nur ein erster Abgasturbolader eingeschaltet. Der von ihm erzeugte Ladeluftdruck ist durch den Kurvenzug 12 dargestellt. Da diesem Abgasturbolader das gesamte Abgas der Kolbenbrennkraftmaschine zugeleitet wird, ist er bei Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine mit der Leistung 11 an seinem für den Betrieb mit allen *, drei Ladern bei Vollast ausgelegten Betriebspunkt angelangt. Dabei liefert er einen Ladeluftdruck 13.

Im mittleren Leistungsbereich, von der Leistung 11 bis zu einer Leistung 14, wird dem ersten ein zweiter Abgasturbolader parallel geschaltet. Der von beiden erzeugte Ladeluftdruck ist durch den Kurvenzug 15 dargestellt. Die beiden Lader liefern bei der Leistung 11 einen Ladeluftdruck 1.6 und bei der Leistung lh einen maximalen Ladeluftdruck 17.

Im oberen Leistungsbereich, von der Leistung 1Λ bis zur Vollast 18,

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sind alle drei Abgasturbolader parallel zueinander geschaltet. Der von ihnen erzeugte Ladeluftdruck ist durch den Kurvenzug 19 dargestellt.

Γ-^r Gewinn an Ladeluftdruck und damit auch an Ladeluftmenge durch die Abschaltung von Abgasturboladern im unteren Leistungsbereich geht aus dem Unterschied zwischen der Kurve 19 und den Kurven 12 bzw. 15 hervor. In diesem unteren Leistungsbereich können dadurch größere Füllungen und damit höhere Drehmomente erzielt werden.

In Fig. 2 wird eine Abgasklappe 20 und eine Ladeluftklappe 21 eines nicht dargestellten Abgasturboladers von einer Betätigungseinrichtung 22 entsprechend den Bedürfnissen der KoIbenbrennkraftraaschine geöffnet ader geschlossen und damit der zugehörige Abgasturbolader zur Ladeluftförderung zu- bzw. abgeschaltet. Die Betätigungseinrichtung 22 wird über Leitungen 23 und 24 von einem Steuerschalter 25 gesteuert, der in einem Gehäuse 26 einen Schieber 27 aufweist, der durch die Kraft einer auf ihn einwirkenden Feder 28 in die dargestellte Stellung für das Abschalten des Abgasturboladers gedruckt wird. Als Arbeitsmittel für die Betätigungseinrichtung 22 und als Steuerdruck für den Steuerschalter 25 wird dem Steuerschalter der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine über die Leitung 29 bzw. 30 zugeführt. Der Schieber 27 weist eine erste Steuerstirnfläche 31 auf, auf die der Ladeluftdruck als erster Steuerdruck entgegen der Kraft der Feder 28 einwirkt. Der Schieber 27 weist außerdem eine zweite Steuerstirnfläehe 32 auf, auf die ein zweiter Steuerdruck bei abgeschaltetem Abgasturbolader gleichsinnig mit der Kraft der Feder 28 auf den Schieber 27 einwirkt. Der zweite Steuerdruck wird über ein Ventil 33 von der Betätigungseinrichtung 22 bei Öffnung der Abgas- und Ladeluftklappe 20 bzw. 21 durch einen Anschlag 34 abgeschaltet und entlastet.

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Wie beschrieben, ist nach dem Start der Kolbenbrennkraftmaschine im Leerlauf und unteren Leistungsbereich nur ein erster Abgasturbolader im Betrieb. Die Zuschalteinrichtung für den zweiten, im mittleren Leistungsbereich parallel zum ersten arbeitenden Abgasturbolader weist die in Fig. 2 dargestellte Stellung auf. Mit steigender Leistung wächst entsprechend der Kurve 12 (Fig. l) auch der Ladeluftdruck, der über die Leitung 30 auf die erste Steuerstirnfläche 31 des Schiebers 27 als erster Steuerdruck einwirkt, bis bei Erreichen des Ladeluftdruckes 13 die Kraft der Feder 28 und der auf die Steuerstirnfläche 32 wirkende zweite Steu- -~- erdruck überwunden und der Steuerschieber 27 in seine andere Endlage gedrückt wird. Nun wird die Leitung 23 entlastet und die Betätigungseinrichtung 22 über die Leitung 2k mit Druck beaufschlagt, Dadurch wird die Abgasklappe 20 und die Ladeluftklappe 21 geöffnet und damit der zweite Abgasturbolader zugeschaltet. Gleichzeitig wird über das Ventil 33 der zweite Steuerdruck, der bisher auf die zweite Steuerstirnfläche 32 des Schiebers 27 einwirkte, abgestellt und entlastet. Durch diese Maßnahme ist der auf die erste Steuerstirnfläche 31 wirkende Ladedruck in der Lage, auch bei einem Druckabfall auf den Ladeluftdruck 16, den Steuerschieber 27 gegen die Kraft der Feder 28 in der Zuschaltstellung festzuhalten, so daß die sofortige Wiederabschaltung des zweiten Abgasturboladers aufgrund des Ladeluftdruckabfalls vermieden wird. Bei weiterer Zunähme der Leistung steigt der Ladeluftdruck entsprechend der Kurve 15 his zum Ladeluftdruck 17 an, bei dem über eine entsprechende Steuerung die Zuschaltung des dritten Abgasturboladers in gleicher Weise, wie beschrieben, durchgeführt wird.

Bei Verringerung der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine, z.B. von der Leistung 14 auf die Leistung 11, sinkt der Ladeluftdruck entsprechend der Kurve 15. Wenn die Leistung noch weiter absinkt,

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fällt der Ladeluftdruck unter den Ladeluftdruck 16 und damit wird, unter Berücksichtigung einer zweckmäßigen, das Pendeln durch Ab- und Zuschaltung vermeidenden Hysterese, das Abschalten des zwei-ΐ -η Abgasturboladers eingeleitet. Dies erfolgt dann, wenn die Kraft der Feder 28 den auf die erste Steuerstirnfläche 31 wirkenden Ladeluftdraek überwindet und den Schieber 27 in die gezeichnete Stellung für das Abschalten verschiebt. Dadurch wird die Leitung 2k entlastet und die Betätigungseinrichtung 22 durch den Druck in der Leitung 23 ebenfalls in die dargestellte Stellung gebracht. Dadurch werden Abgas- und Ladeluftklappen 20 bzw. 21 ge-■"* schlossen. Gleichzeitig wirkt der zweite Steuerdruck über das Ventil 33 wieder auf die zweite Steuerstirnfläche 32, so daß der Schieber 27 auch nach Anwachsen des Ladeluftdruckes bis unter den Ladeluftdrucli 13 seine Stellung nicht verändert.

Die Steuerung für das Zu- und Abschalten des dritten Abgasturboladers ist im Prinzip gleich ausgebildet, wie die vorstehend beschriebene Steuerung für den zweiten Abgasturbolader. Damit bei der Leistung 11 durch den Ladeluftdruck 13 jedoch nicht beide Steuerungen ansprechen«, erfolgt die Zu- und Abschaltung des dritten Abgasturboladers bei etwas höheren Ladeluftdrücken. Die erzielbaren Bruekverhältnisse an den Abgasturboladern kommen in der Praxis bei den entsprechenden Leistungen diesen Festlegungen entgegen. Die unterschiedlichen Ladeluftdrücke können bei den einzelnen Steuerungen, z.B. durch unterschiedliche Federn,berücksichtigt werden»

In Fig. 3 ist die Steuerung mit Steuerschalter 25₅ Betätigungseinrichtung 22 und Ventil 33 gleich aufgebaut wie in Fig. 2 und weist dementsprechend die gleiche Wirkungsweise wie dort auf. Abweichend von Fig. 2 wird der zweite Steuerdruck vom LadelMitdruck hinter dem Steuerschalter abgezweigt, so daß als zweiter Steuerdruck kein besonderer Druck natwenaig ist und der zweite Steuerdruck vom Steuer-

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schalter gesteuert wird. Weiterhin wird ein Regel Stangenanschlag 35 ebenfalls vom zweiten Steuerdruck beaufschlagt. Damit ist die Einstellung der vollen Füllung an der Kolbenbrennkraftmaschine unterbunden, so lange der Abgasturbolader noch nicht zugeschaltet ist. Bei Einwirken eines dritten Steuerdruckes auf das Ventil 33 kann die Zuschaltung des Abgasturboladers herbeigeführt werden, ohne daß die hierzu sonst erforderliche Ladeluftdruckhöhe vorhanden ist.

In Fig. k ist eine Steuerung mit ähnlichen Elementen wie in Fig.

3 dargestellt. Der zweite Steuerdruck wirkt jedoch bei zugeschaltetem Abgasturbolader entgegen der Kraft der Feder 28 über die zweite Steuerstirnfläche 32 auf den Steuerschalter 25 ein. Durch Einwirken eines dritten Steuerdruckes auf das Ventil 33 kann die Abschaltung des eingeschalteten Abgasturboladers ohne das hierzu sonst notwendige Absinken des Ladeluftdruckes unter den Ladeluftdruck l6 eingeleitet werden.

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Claims

friedrichsiiafen gmbii

Friedrichshafen

Patentansprüche

( 1.j Steuerung für die Zu- und Abschaltung mindestens eines Ab- ^~* gasturboladers einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Betätigungseinrichtung für eine Abgas- und Ladeluftleitungs-Absperrvorrichtung und mit einem Steuerschalter für die Betätigungseinrichtung mit einem in einem Gehäuse angeordneten Schieber, der durch die Kraft einer auf ihn einwirkenden Feder in die Stellung für das Abschalten des Abgasturboladers gedrückt wird und der eine erste Steuerstirnfläche aufweist, auf die der Ladeluftdruck der KoJbenbrennkraftmaschine als erster Steuerdruck entgegen der Federkraft einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (27) eine zweite Steuerstirnfläche (32) aufweist, auf die ein zweiter Steuerdruck so einwirkt, daß der Schieber bei einem hohen Ladeluftdruck in die Stellung für das Zuschalten des Abgasturboladers und bei einem geringeren Ladeluftdruck in die Stellung für das Abschalten des Abgasturboladers gedruckt wird.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck bei abgeschaltetem Abgasturbolader gleichsinnig mit der Federkraft über die zweite Steuerstirnfläche (32) auf den Schieber (27) einwirkt.

3. Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck abgesperrt werden kann und damit die Zuschal tung des zugehörigen Abgasturboladers herbeigeführt wird, ohne daß die hierzu sonst erforderliche. Ladeluftdruckhöhe vorhanden ist.

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k. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck bei zugeschaltetem Abgasturbolader gleichsinnig mit dem auf die erste Steuerstirnfläche (31) wirkenden Ladeluftdruck über die zweite Steuerstirnfläche (32) auf den Schieber einwirkt.

5. Steuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck von einem dritten Steuerdruck abgesperrt werden kann und damit die Abschaltung des zugehörigen Abgasturboladers herbeigeführt wird, ohne daß der hierzu sonst erforderliche Abfall des Ladeluftdruckes eingetreten ist.

6. Steuerung nach Anspruch 1 bis 55 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck von dem Schieber (27) des Steuerschalters (25) gesteuert wird.

7. Steuerung nach Anspruch 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck von der Betätigungseinrichtung (22) gesteuert wird.

8. Steuerung nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck aus dem Ladeluftdruck gebildet wird.

9. Steuerung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerdruck außerdem einen Zylinder für einen Regelstangen-Anschlag (35) in der Weise betätigt, daß die Regelstange der Kolbenbrennkraftmaschine bei abgeschaltetem Abgasturbolader nur einen Teil ihres Regelstangenweges zurücklegen kann.

10. Steuerung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschalter Steuerkanten und Durchgänge für das Arbeitsmittel der Betätigungseinrichtung aufweist.

11. Steuerung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber des Steuerschalters einen elektrischen Schalter für ein das Arbeitsmittel der Betätigungseinrichtung steuerndes Magnetventil betätigt.

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