DE3234495C2

DE3234495C2 - Steuerung für das Zu- und Abschalten eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE3234495C2
Application number: DE3234495A
Authority: DE
Inventors: Jürgen 7990 Friedrichshafen Felgner; Ewald Dipl.-Ing. Kamleitner
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1982-09-17
Filing date: 1982-09-17
Publication date: 1986-05-22
Also published as: DE3234495A1

Abstract

Als Steuergröße für das Zu- und Abschalten eines Abgasturboladers wird bevorzugt der Ladeluftdruck der Brennkraftmaschine herangezogen. Leider weist dieser Ladeluftdruck jeweils nach einer Zu- oder Abschaltung Schwingungen mit großen Amplituden auf, die in der Steuerung Fehlschaltungen auslösen können. Als Abhilfe wird ein Hilfskolben (40) vorgeschlagen, der mit dem die Abschaltung durchführenden Arbeitskolben (37) eines Arbeitszylinders (36) verbunden ist. Dieser Hilfskolben (40) erzeugt bei Bewegung des Arbeitskolbens (37) in einem Hilfszylinder (39) einen Druck, mit dem der unter der Wirkung des Ladeluftdruckes stehende Steuerschieber (32) zusätzlich beaufschlagt und dadurch in seiner die Schaltung einleitenden Stellung so lange festgestellt wird, bis die Schwingungen des Ladeluftdruckes abgeklungen sind.

Description

Hilfszylinder erzeugten Druckes, zusätzlich zu den zwangsläufig vorhandenen Undichtigkeiten zwischen Steuerschieber bzw. Hilfskolben und Steuerventil bzw. Hilfszylinder, durch eine vorzugsweise einstellbare Drossel vorgenommen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit insgesamt drei Abgasturboladern, von denen zwei in Abhängigkeit von der Höhe des Ladeluftdruckes zu- bzw. abgeschaltet werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 den Verlauf des Ladeluftdruckes über der Leistung der Brennkraftmaschine aufgetragen;

F i g. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Steuerung für die Schaltung eines Abgasturboladers.

In F i g. 1 stellt ein Kurventeilstück 11 den Verlauf des Ladeluftdruckes im unteren Leistungsbereich dar, wenn der erste, dauernd im Betrieb befindliche Abgasturbolader allein vom gesamten Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Im mittleren Leistungsbereich wird durch Parallel-Betrieb des ersten Abgasturboladers mit einem zugeschalteten zweiten Abgasturbolader ein Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 12 erzielt.

Im oberen Leistungsbereich ergibt sich durch den Einsatz aller drei Abgasturbolader ein Ladeluftdruckverlauf entsprechend einem Kurventeilstück 13.

Bei zunehmender Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine steigt der Ladeluftdruck bei Betrieb mit dem ersten Abgasturbolader entsprechend dem Kurventeiistück 11 an. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 16, der sich bei einer Leistung 19 ergibt, wird der zweite Abgasturbolader durch öffnen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen zugeschaltet Dadurch fällt der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 12 ab. Durch den Zuschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 22 des Ladeluftdruckes.

Bei zunehmender Leistung steigt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 12 an. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 17, der sich bei einer Leistung 21 ergibt, wird der dritte Abgasturbolader durch Öffnen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen zugeschaltet. Dadurch fällt der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 13 ab. Durch den Zuschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 23 des Ladeluftdruckes.

Bei weiter zunehmender Leistung steigt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 13 an.

Ausgehend von der maximalen Leistung sinkt der Ladeluftdruck bei abnehmender Leistung entsprechend dem Kurventeilstück 13 ab. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 15, der sich bei einer Leistung 20 ergibt, wird der dritte Abgasturbolader durch Schließen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen abgeschaltet. Dadurch steigt der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 12 an. Durch den Abschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 24 des Ladeluftdruckes.

Bei weiter abnehmender Leistung sinkt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 12 ab. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 14, der sich bei einer Leistung 18 ergibt, wird der zweite Abgasturbolader durch Schließen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen abgeschaltet. Dadurch steigt der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 11 an. Durch den Abschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 25 des Ladeluftdrukkes. Bei weiter abnehmender Leistung sinkt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 11 ab.

Um Schaltpendelungen zu vermeiden, ist zwischen der Leistung 19 für das Zuschalten und der Leistung 18 für das Abschalten des zweiten Abgasturboladers eine Hysterese 26 und zwischen der Leistung 21 für das Zuschalten und der Leistung 20 für das Abschalten des dritten Abgasturboladers eine Hysterese 27 angeordnet Diese Hysterese-Werte reichen jedoch nicht aus, um Schaltpendelungen aufgrund der Schwingungen 22 bis 25 zu vermeiden. So überschreitet zum Beispiel der Ladeluftdruck, den die Schwingungsamplituden 28 der Schwingung 24 beim Abschalten des dritten Abgasturboladers bei sinkender Leistung erreichen, den Ladeluftdruck 17, bei dem bei steigender Leistung ein Zuschalten eingeleitet wird. Um die Wiederzuschaltung zu vermeiden, müßte die Hysterese 27 so vergrößert werden, daß die größten positiven Ausschläge der Schwingung 24 unter dem Ladeluftdruck 17 und die größten negativen Ausschläge 29 der Schwingung 23 über dem Ladeluftdruck 15 zu liegen kommen. Eine solche Vergrößerung der Hysterese ist aus den in der Einleitung genannten Gründen nicht zulässig. Um ein Zurückschalten der Steuerung in den Zustand vor einer Schaltung aufgrund der Schwingungen 22 bis 25 zu vermeiden, wird durch die vorgeschlagenen Maßnahmen der Erfindung während der Dauer der Schwingungen der Steuerschieber des Steuerventils festgehalten, so daß sich die Schwingungen nicht auf die Steuerung auswirken können.

In F i g. 2 ist für das Schalten des zweiten Abgasturboladers ein Steuerventil 30 dargestellt mit einem, vom Ladeluftdruck der Brennkraftmaschine über eine Leitung 31 beaufschlagbaren Steuerschieber 32, der von einer Feder 33 bei geringem Ladeluftdruck in die dargestellte, dem Zustand vor der Zuschaltung des Abgasturboladers zugeordnete Stellung gedrückt wird. Der Ladeluftdruck steht außerdem über eine Leitung 34 am Steuerschieber 32 an.

Über eine Leitung 35 ist das Steuerventil 30 mit einem Arbeitszylinder 36 verbunden. Ein Arbeitskolben 37 betätigt über eine Kolbenstange 38 nicht dargestellte Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen für den zu schaltenden Abgasturbolader. In der dargestellten, bei druckloser Leitung 35 durch eine Feder 44 bestimmten Lage des Arbeitskolbens 37 sind diese Absperreinrichtungen geschlossen. Der Abgasturbolader ist also abgeschaltet.

Erfindungsgemäß weist der Arbeitszylinder 36 einen Hilfszylinder 39 auf, in dem ein mit dem Arbeitskolben 37 verbundener Hilfskolben 40 je nach Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 37 einen Über- bzw. Unterdruck erzeugt, der von einem Zylinderraum 47 über eine Leitung 41 zu einem Federraum 42 des Steuerventiles 30 geleitet wird. Dieser Federraum 42 weist eine einstellbare Drossel 43 auf, über die er mit der Atmosphäre verbunden ist.
Vom Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine steigt der Ladeluftdruck bei zunehmender Leistung entsprechend dem Kurventeilstück 11 an (Fig. 1). Bei Erreichen des Ladeluftdruckes 16 wird die Kraft der Feder 33 des Steuerventils 30 überwunden und der Steuerschieber 32 nach rechts in die Stellung verschoben, bei der die Zuschaltung des zweiten Abgasturboladers eingeleitet wird.

Die im Federraum 42 befindliche Luft wird dabei über Undichtigkeiten und über die Drossel 43 verdrängt. Dadurch wird die Bewegung des Steuerschiebers 32 gedämpft.

Der in Leitung 34 anstehende Ladeluftdruck wird nun als Druckmittel in die Leitung 35 gesteuert und verschiebt den Arbeitskolben 37 gegen die Kraft seiner

5

Feder 44 nach links. Über die Kolbenstange 38 werden dadurch die nicht dargestellten Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen des zweiten Abgasturboladers ₍ geöffnet und damit ist dieser Abgasturbolader zugeschaltet. 5 !

Der Ladeluftdruck aus Leitung 34 wirkt über Leitung 35 und eine Leitung 45 außerdem noch als Steuerdruck auf eine zusätzliche Stirnfläche 46 des Steuerschiebers 32. Dadurch wird, obwohl durch die Zuschaltung des Abgasturboladers der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 12 absinkt eine Zurücksteuerung des Steuerschiebers 32 verhindert Den nach der Schaltung auftre- ,' tenden Schwingungen 22 und ihren Auswirkungen auf

die Steuerung kann jedoch mit dieser Maßnahme nicht ι

begegnet werden.

In dem Zylinderraum 47 des Hilfszyünders 39 bildet !

sich, weil der Hilfskolben 40 zusammen mit dem Arbeitskolben 37 nach links verschoben wird, ein Unterdruck aus, der über Leitung 41 auch im Federraum 42 des Steuerventils 30 wirksam wird und den Steuerschieber 32 in seiner rechten Endlage festhält Erst dadurch können sich nun die durch die Zuschaltung des zweiten Abgasturboladers hervorgerufenen Schwingungen 22 des Ladeluftdruckes auf die Steuerung nicht mehr auswirken.

Durch die Wahl der Abmessungen des Hilfszylinders

39 und durch die einstellbare Drossel 43 kann die Zeit für den Abbau des Unterdruckes so eingestellt werden, daß dieser Abbau erst nach Abklingen der Schwingungen 22 beendet ist Beim Abschalten des zweiten Abgasturboladers ver-

läuft der Ladeluftdruck bei sinkender Leistung entlang .'

dem Kurventeilstück 12. Bei Erreichen des Ladeluftdruckes 14 überwindet die Kraft der Feder 33 den auf den Steuerschieber 32 über Leitung 31 und Leitung 45 wirkenden Ladeluftdruck und schiebt den Steuerschieber von der dem Zustand vor der Schaltung zugeordneten Stellung in die in F i g. 2 dargestellte, die Abschaltung einleitende Stellung.

Der im Arbeitszylinder 36 wirkende Ladeluftdruck wird dadurch über das Steuerventil 30 entlastet und der Arbeitskolben 37 wird zusammen mit dem Hilfskolben

40 unter der Wirkung der Kraft der Feder 44 nach rechts verschoben und damit die Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtung des zweiten Abgasturboladers geschlossen. Damit ist dieser Abgasturbolader abgeschaltet

Im Zylinderraum 47 entsteht durch die Verschiebung des Hilfskolbens 40 ein Überdruck, der über Leitung 41 und Federraum 42 auf den Steuerschieber 32 wirkt und diesen bis zum Abklingen der durch das Abschalten entstehenden Schwingungen 25 des Ladeluftdruckes in seiner Stellung festhält Diese Festhaltezeit wird wiederum maßgeblich von der öffnung der regelbaren Drossel 43 beeinflußt

Für das Schalten des dritten Abgasturboladers ist eine zusätzliche ähnliche Steuerung erforderlich. Diese Steuerung leitet z. B. aufgrund einer anderen Feder des Steuerventils, die Zu- und Abschaltung des dritten Abgasturboladers bei einem Ladeluftdruck 17 bzw. 15 ein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 Leistung an, bis bei Zuschalten des nächsten Laders Patentansprüche: erneut ein Einbruch erfolgt Um nach einer Schaltung die sofortige Zurückschal-

1. Steuerung für die Zu- und Abschaltung minde- tung in den Zustand VGr dieser Schaltung, die sich aufstens eines Abgasturboladers einer Kolbenbrenn- 5 grund des vorbeschriebenen Verlaufs des Ladeluftdrukkraftmaschine mit einem Steuerventil, dessen vom kes zwangsweise ergeben würde, zu vermeiden, ist eine Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine be- Steuerung bekannt geworden (Patent 32 12 498), bei der aufschlagter Steuerschieber bei Erreichen eines vor- auf zwei Steuerflächen eines Steuerschalter-Schiebers bestimmten Ladeluftdruckes von einer, dem Zustand zwei Steuerdrücke derartig einwirken, daß der Schieber vor einer Schaltung zugeordneten Stellung in eine io bei einem hohen Ladeluftdruck in die Stellung für das andere, die Schaltung einleitende Stellung bewegt Zuschalten des Abgasturboladers und bei einem gerinwird, wodurch er ein Druckmittel für den Arbeits- geren Ladeluftdruck in die Stellung für das Abschalten kolben eines Arbeitszylinders steuert, mit dem Ab- des Abgasturboladers gedruckt wird. Nachteilig hat sich gas- und Ladeluftabsperreinrichtungen des zu schal- dabei das Auftreten von starken Ladeluftdruckschwintenden Abgasturboladers betätigt werden, da- 15 gungen im Anschluß an eine Schaltung herausgestellt, durch gekennzeichnet, daß der Arbeitszy- die, ebenfalls zum Vermeiden von Zurückschaltungen in linder (36) einen zusätzlichen Hilfszylinder (39) auf- den Zustand vor der Schaltung, die Anordnung einer weist, in dem ein mit dem ArbeitsKolben (37) verbun- großen Schalthysterese erforderlich macht Diese große dener Hilfskolben (40) je nach Bewegungsrichtung Schalthysterese bedeutet eine Ausweitung der Laderdes Arbeitskolbens (37) einen Über- bzw. Unter- 20 gruppen-Betriebsbereiche, die bei längerem Betrieb in druck erzeugt, der zu dem Steuerventil geleitet und der Nähe des Schaltpunktes mit weniger Ladern die dort zusätzlich zum Ladeluftdruck so auf den Steu- Gefahr einer Überhitzung dieser Lader bzw. mit mehr erschieber (32) einwirkt, daß er den Steuerschieber Ladern das Auftreten von Ladeluftmangel und schlech-(32) jeweils in der die Schaltung einleitenden Stel- tem Verbrennungsablauf mit sich bringt

lung vorübergehend festhält 25 Aufgabe der Erfindung ist es, trotz Einhaltung einer

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nur geringen Hysterese, Schaltpendelungen, die von den zeichnet, daß der Abbau des im Hilfszylinder (39) Ladeluftdruckschwingungen nach den Schaltungen hererzeugten Druckes, zusätzlich zu den zwangsläufig rühren, zu unterdrücken.

vorhandenen Undichtigkeiten zwischen Steuer- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Arbeitsschieber (32) bzw. Hilfskolben (40) und Steuerventil 30 zylinder einen zusätzlichen Hilfszylinder aufweist, in (30) bzw. Hilfszylinder (39), durch eine vorzugsweise dem ein mit dem Arbeitskolben verbundener Hilfskoleinstellbare Drossel (43) vorgenommen wird. ben je nach Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens einen Über- bzw. Unterdruck erzeugt, der zu dem Steuer-

ventil geleitet und dort zusätzlich zum Ladeluftdruck so

35 auf den Steuerschieber einwirkt, daß er den Steuerschieber jeweils in der die Schaltung einleitenden Stel-

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für die Zu- und lung vorübergehend festhält.

Abschaltung mindestens eines Abgasturboladers einer Durch diese Maßnahmen wird ein Bewegen des Steu-Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Steuerventil, des- erschiebers und damit ein Zurückschalten in den Zusen vom Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine 40 stand vor der Schaltung mit einfachen Mitteln gerade beaufschlagter Steuerschieber bei Erreichen eines vor- dann sicher verhindert, wenn durch die Schaltung verurbestimmten Ladeluftdruckes von einer, dem Zustand sachte starke Ladeluftdruckschwingungen auf den Steuvor einer Schaltung zugeordneten Stellung in eine ande- erschieber einwirken. Weil der Druck aus dem Hilfszyre, die Schaltung einleitende Stellung bewegt wird, wo- linder sich durch vorhandene Undichtigkeiten rasch abdurch er ein Druckmittel für den Arbeitskolben eines 45 baut, wird auch die Blockierung des Steuerschiebers Arbeitszylinders steuert mit dem Abgas- und Ladeluft- nach Abklingen der Ladeluftdruckschwingungen wieabsperreinrichtungen des zu schaltenden Abgasturbola- der aufgehoben, so daß beim Erreichen des hierfür vorders betätigt werden. bestimmten Ladeluftdruckes die nächste Schaltung ein-

Das Abschalten von Abgasturboladern wird bei KoI- geleitet werden kann.

benbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluft- 50 Da der steuernde Ladeluftdruck normalerweise von druck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollast- der einen Seite, eine Feder von der anderen Seite auf betrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, also im den Steuerschieber einwirkt, bietet sich der Federraum Teillast- und Teildrehzahlbereich der Kolbenbrenn- als Wirkraum für den im Hilfszylinder erzeugten Druck kraftmaschine durchgeführt. Dabei arbeitet bei gerin- an. Bei entsprechender Anordnung des Hilfszylinders gern Abgasenergieanfall nur ein Abgasturbolader, dem 55 am Arbeitszylinder sind keine weiteren Umsteuereinbei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraftma- richtungen notwendig, so daß der Steuerschieber vollschine nach und nach ein oder mehrere Abgasturbola- kommen selbsttätig jeweils immer zum richtigen Zeitder parallel dazugeschaltet werden, bis schließlich bei punkt in der richtigen Stellung festgehalten wird.
Vollastbetrieb alle vorhandenen Abgasturbolader zu- Weil bei der Bewegung des Steuerschiebers das VoIusammenarbeiten. Der damit erzielbare Ladeluftdruck 60 men des Wirkraumes über die Undichtigkeiten verweist für jede eingeschaltete Abgasturbolader-Kombi- drängt bzw. aufgefüllt werden muß, ergibt sich für die nation über der Leistung oder der Drehzahl aufgetra- Bewegung des Steuerschiebers eine Dämpfung. Diese gen einen sägezahn-ähnlichen Verlauf auf: Beim Ein- Dämpfung verhindert unerwünschte Bewegungen des schalten des zusätzlichen Abgasturboladers tritt zu- Steuerschiebers bei zusätzlich auftretenden Schwannächst ein Abfall des Ladeluftdruckes, verursacht durch 65 kungen des Ladeluftdruckes.

den Abfall des Abgasdruckes aufgrund der öffnung der Eine Beeinflussung der Festhaltezeit für den Steuer-Abgas-Absperreinrichtung des zuzuschaltenden Laders schieber kann neben der Wahl der Hilfszylinderabmesein. Danach steigt der Ladeluftdruck mit zunehmender sungen dadurch erzielt werden, daß der Abbau des im