DE3335471A1 - Steuerung fuer das zu- und abschalten eines abgasturboladers - Google Patents

Description

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
FRIEDRICHSHAFEN GMBH

Friedrichshafen

Steuerung für das Zu- und Abschalten eines Abgasturboladers

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für die Zu- und Abschaltung mindestens eines Abgasturboladers einer Kolbenbrennkraftmaschinen die ein Arbeitsmittel zum Betätigen der Absperreinrichtungen der Abgas- und Ladeluftleitung des Abgasturboladers steuert und der als Steuergröße der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine über eine Steuerung zugeführt wird.

Das Abschalten von Abgasturbolädern wird bei Kolbenbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teildrehzahlbereich der Kolbenbrennkraftmasehine 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 Vollastbetrieb 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 Abgasturboladers tritt zunächst ein Abfall des Ladeluftdruckes, verursacht durch den Abfall des Abgasdruckes aufgrund der Öffnung der Abgas-Absperreinrichtung des zuzuschaltenden Laders ein. Danach steigt der Ladeluftdruck mit zunehmender Leistung an, bis beim Zuschalten des nächsten Laders erneut ein Einbruch erfolgt.

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Um nach einer Schaltung die sofortige Zurückschaltung in den Zustand vor dieser Schaltung, die sich aufgrund des vorbeschriebenen Verlaufs des Ladeluftdruckes zwangsweise ergeben würde, zu vermeiden, ist eine Steuerung bekannt geworden (Patentanmeldung P 32 12 498), bei der auf zwei Steuerflächen eines Steuerschalter-Schiebers zwei Steuerdrücke derartig einwirken, 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 gedrückt wird.

Nachteilig hat sich dabei das Auftreten von starken Ladeluftdruckschwankungen im Anschluß an eine Schaltung herausgestellt, die, ebenfalls zum Vermeiden von Zurückschaltungen in den Zustand vor der Schaltung, die Anordnung einer großen Schalthysterese erforderlich macht. Diese große Schalthysterese erfordert eine Ausweitung der Ladergruppen-Betriebsbereiche, die bei längerem Betrieb in der Nähe des Schaltpunktes mit weniger Ladern die Gefahr einer überhitzung dieser Lader bzw. mit mehr Ladern das Auftreten von Ladeluftmangel und schlechtem Verbrennungsablauf mit sich bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Auswirkungen der Ladeluftdruckschwankungen am Ende eines Schaltvorganges auf das Schaltverhalten der Steuerung zu verhindern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nach jeder Zu- oder Abschaltung des Abgasturboladers die Steuerleitung abgesperrt und nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeit wieder freigegeben wird.

Durch diese Maßnahme kann die Steuerung den Einflüssen der Ladeluftdruckschwankungen in einfacher Weise wirkungsvoll entzogen werden, ohne daß anderweitige Nachteile hierdurch in Kauf genommen werden müssen. Die Größe der Hysterese kann auf das zur Vermeidung von Pendelungen beim Schalten notwendige Maß beschränkt werden.

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Ein eindeutiges Signal für die Absperrung kann dadurch erhalten werden, daß die Absperrung der Steuerleitung in Abhängigkeit des Druckanstiegs oder des Druckabfalls in der Arbeitsmittelleitung zwischen der Steuerung und den Absperreinrichtungen des Abgasturboladers vorgenommen wird. Da ein solcher Druckanstieg oder -abfall immer eine Zu- bzw. eine Abschaltung bewirkt, stellt er ein genaues Signal für den Beginn der Absperrung dar.

Es ist jedoch auch möglich, daß die Absperrung der Steuerleitung von der durch die Schaltung hervorgerufenen Änderung des Ladeluftdruckes bewirkt wird. Da bei jedem Schaltvorgang ein steiler Anstieg des Ladeluftdruckes (beim Abschalten) bzw. ein steiler Abfall des Ladeluftdruckes (beim Zuschalten eines Laders) eintritt, ist die Steuerleitung jeweils beim Auftreten der DruckSchwankungen am Ende der Schaltung abgesperrt.

Eine einfache und funktionssichere Ausbildung des Absperrventils für die Steuerleitung weist einen in einem Gehäuse angeordneten Kolben auf, der in seiner durch Federkraft bestimmten Ruhelage die Steuerleitung für den Durchgang der Ladeluft offenhält, in seinen beiden Endlagen jedoch die Steuerleitung absperrt, dessen erste Stirnseite vom Druck des Arbeitsmittels oder vom Ladeluftdruck direkt und dessen zweite Stirnseite von diesem Druck über eine Drossel beaufschlagt wird, wobei der zweiten Stirnseite des Kolbens ein Ausgleichsraum zugeordnet ist.

Durch diese Ausbildung des Absperrventiles wird der Kolben bei einer Änderung des auf seine erste Stirnseite einwirkenden Druckes verschoben und sperrt dadurch die Steuerleitung solange ab, bis sich der auf die zweite Stirnseite wirkende Druck durch die Drossel verzögert an das veränderte Druckniveau angepaßt hat.

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Durch Ändern des Drosseldurchmessers und des Volumens des Ausgleichsraumes kann die Dauer der Sperrzeit der Steuerleitung, durch Änderung der Federsteigigkeit und des Steuerkolbendurchmessers kann die Ansprech-Steilheit der Druckänderung in weiten Grenzen eingestellt und den Erfordernissen angepaßt werden.

Wenn das Absperrventil vom Ladeluftdruck beeinflußt wird, ist es auch den normalen Ladeluftdruckveränderungen, z. B. bei einem BeschleunigungsVorgang der Brennkraftmaschine oder bei einer starken Leistungsminderung, ausgesetzt. Eine daraus resultierende Absperrung der Steuerleitung muß vermieden oder umgangen werden, da sonst die Schaltung nicht beim Erreichen des vorgesehenen Ladeluftdruckes ausgelöst wird. Dies kann man bei einer Steuerung nach Anspruch 2 dadurch erreichen, daß der Kolben des Absperrventiles in seiner Mittelstellung eine weitere, von einer Drossel steuerbare Verbindung zwischen seinen beiden stirnseitigen Druckräumen offenhält. Diese Verbindung schließt kleine Druckschwankungen kurz, wird jedoch bei großen Drucksprüngen, die den Kolben des Absperrventiles aus seiner Mittellage verschieben, unterbrochen und damit unwirksam gemacht.

Bei einer Steuerung nach Anspruch 3 wird die Schaltung bei geschlossenem Absperrventil durch ein das Absperrventil umgehendes Bypassventil ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit insgesamt drei Abgasturbölädern, von denen zwei in Abhängigkeit von der Höhe des Ladeluftdruckes zu- bzw. abgeschaltet werden, im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf des Ladeluftdruckes über der Leistung der Brennkraftmaschine aufgetragen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Steuerung für die Schaltung eines Abgasturboladers mit Ladeluftdruck als Steuerdruck und Druckluft als Betätigungsdruck;

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Fig. 3 eine erfindungsgemäße Steuerung mit Ladeluftdruck als Steuer- und Betätigungsdruck;

Fig. h eine erfindungsgemäße Steuerung mit Absperrung der Steuerleitung durch die schaltungsbedingten Schwankungen des Ladeluftdruckes.

In Fig. 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 Kurventeilstück 11 an. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 16, der sich bei einer Leistung 19 ergibt, wird der zweite Abgasturbolader durch Öffnen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinriehtungen 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 Ladeluf tdruckes 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.

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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 AbsehaltVorgang ergeben sich Schwingungen 25 des Ladeluftdruckes. 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 zugeordnet.

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 Ausschläge 28 der Schwingung 24 beim Abschalten des dritten Abgasturboladers bei sinkender Leistung erreichen, den Ladeluftdruck 17, bei dem bei steigender Leistung ein Zu-

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schalten eingeleitet wird. Um die Wiederzuschaltung zu vermeiden, müßte die Hysterese 27 so vergrößert werden, daß die größten positiven Ausschläge 28 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 einer Schaltung vorübergehend die zu der Steuerung führende Steuerleitung mit Hilfe eines Absperrventils abgesperrt, so daß sich die Schwingungen nicht auf die Steuerung auswirken können. Dadurch ergeben sich die in unterbrochener Linie dargestellten Abweichungen 30 bis 33 des Verlaufes des Steuerdruckes gegenüber dem Ladeluftdruck.

In den folgenden Figuren ist jeweils beispielsweise die Steuerung für das Zu- und Abschalten des zweiten Abgasturboladers, und zwar in der abgeschalteten Stellung, dargestellt.

Die Steuerung in Fig. 2 weist zwei Steuerschieber 40 und 41, ein Absperrventil 42 und ein Relaisventil 43 auf. Der Ladeluftdruck wirkt über eine Steuerleitung 44 auf den Steuerschieber 40 und steht über eine Leitung 45 am Steuerschieber 40 und über eine Leitung 46 am Steuerschieber 41 an. Die beiden Steuerschieber 40 und 41 sind über eine Leitung 47, der Steuerschieber 41 und das Relaisventil 43 über eine Betätigungsleitung 48 miteinander verbunden. In einer Leitung 49 steht Druckluft am Relaisventil 43 an und wird zum Betätigen der Abgas- und Ladeluftklappen des Abgasturboladers in eine Betätigungsleitung 50 oder 51 gesteuert. Die Betätigungsleitung 51 ist mit dem Absperrventil 42 über eine Leitung 52 verbunden; Auf der anderen Seite des Absperrventils 42 ist ein Ausgleichsraum 53 angeordnet.

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Wirkungsweise:

Beim Ansteigen des Ladeluftdruckes entlang dem Kurventeilstück Ii in Fig. 1 werden bei Erreichen des Ladeluftdruckes 16 die Kolben des Steuerschiebers 40 entgegen der Federkraft soweit verschoben, daß Leitung 45 mit Leitung 47 verbunden wird. Dadurch werden auch die Kolben des Steuerschiebers 4i, der bei sonst gleichen Abmessungen eine schwächere Feder als der Steuerschieber 40 aufweist, in ihre andere Endlage verschoben, so daß Leitung 46 mit Betätigungsleitung 48 verbunden wird. Durch den Druck in Betätigungsleitung 48 wird auch der Kolben des Relaisventils 43 in seine andere Endlage verschoben und die Leitung 49 mit der Betätigungsleitung 5i verbunden. Dadurch werden die Abgas- und Ladeluftabsperreinrichtungen des Abgasturboladers in nicht dargestellter Weise geöffnet und der Abgasturbolader ist damit zugeschaltet.

Zur Eliminierung der dabei auftretenden Schwingungen 22 (Fig. l) wird die Steuerleitung 44 mit Hilfe des Absperrventils 42 wie folgt abgesperrt: Durch den Druckanstieg in der Betätigungsleitung 51 und in der mit ihr verbundenen Leitung 52 wird der Kolben des Absperrventils 42 aus seiner Mittellage verschoben und damit die Steuerleitung 44 unterbrochen. Diese Verlagerung des Kolbens wird durch den über eine Drossel 54 stattfindenden Druckausgleich wieder rückgängig gemacht. Die Dauer der Unterbrechung kann durch die Abmessungen der Drossel und des Ausgleichsraumes 53 vorbestimmt bzw. beeinflußt werden.

Obwohl nach der Schaltung der Ladeluftdruck stark abfällt, schaltet die Steuerung nach Freigabe der Steuerleitung 44 durch das Absperrventil 42 nicht wieder in den Zustand vor der Schaltung zurück, weil jetzt der Ladeluftdruck in beiden Steuerschiebern 40 und 41 auf eine größere Kolbenfläche einwirkt.

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Bei abnehmendem Ladeluftdruck entlang dem Kurventeilstück 12 (Fig. 1) werden bei Erreichen des Ladeluftdruckes 14 die Kolben des Steuerschiebers 41 durch Federkraft wieder in die gezeichnete Stellung verschoben. (Die Kolben des Steuerschiebers 40 erreichen diese Stellung schon etwas früher, weil die Feder dieses Steuerschiebers stärker ist, dadurch wird jedoch die Abschaltung noch nicht bewirkt.) Nun wird die Betätigungsleitung 48 entlastet und der Kolben des Relaisventils 43 durch Federkraft ebenfalls in die gezeichnete Stellung bewegt. Dadurch wird Betätigungsleitung 50 mit Druckluft aus der Leitung 49 beaufschlagt und die Abgas- und Ladeluftabsperreinrichtungen des Abgasturboladers geschlossen. Betätigungsleitung 51 und Leitung 52 werden entlastet und dadurch der Kolben des Absperrventils 42 in ähnlicher Weise wie vorher, nur in der anderen Richtung, vorübergehend aus dem Gleichgewicht gebracht und die Steuerleitung 44 so lange gesperrt, bis die Schwingungen 25 abgeklungen sind.

In Fig. 3 und 4 weisen Teile, die die gleiche Funktion erfüllen wie in Fig. 2, auch die gleiche Bezeichnung auf. In beiden Fällen werden die Abgas- und Ladeluftabsperreinrichtungen des zu schaltenden Abgasturboladers mit Ladeluft, gesteuert vom Steuerschieber 41 über die Betätigungsleitung 48, betätigt. Im übrigen laufen die Schaltungen wie in Fig. 2 beschrieben ab.

Da das Absperrventil 42 in Fig. 3 und 4 vom Ladeluftdruck gesteuert wird, und dieser Ladeluftdruck sich kurzfristig stark ändern kann, spricht auch hierbei das Absperrventil 42 an und sperrt die Steuerleitung 44. Wird dabei gerade ein Schaltpunkt überfahren, so könnte die Schaltung nicht stattfinden.

In Fig. 3 wird dieses dadurch vermieden, daß eine weitere Verbindungsleitung 60, die zwischen den beiden Stirnräumen des Absperrventils 42 angeordnet und von einer Drossel 61 steuerbar ist, vom Kolben in seiner Mittelstellung offengehalten

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wird. Hierdurch werden diese Ladeluftdruckschwankungen kurzgeschlossen und können eine Absperrung nicht hervorrufen. Bei großen Druckänderungen, wie sie der Betätigungsdruck in der Betätigungsleitung 48 und in der damit verbundenen Leitung 52 aufweist, spricht jedoch das Absperrventil 42 an und sperrt die Steuerleitung 44. Dadurch ist auch die Verbindungsleitung 60 gesperrt und unwirksam.

In Fig. 4 wird die Schaltung durch ein Bypassventil 65 eingeleitet, wenn das Absperrventil 42 die Steuerleitung 44 bei großer Beschleunigung oder Verzögerung absperrt und der Ladeluftdruck l6 für die Zuschaltung bzw. 14 für die Abschaltung erreicht wird. Damit das Absperrventil 42 bei langsamer Beschleunigung seine Regelfunktion erfüllen kann, wird der Schaltpunkt für das Zuschalten mit Bypassventil 65 bei etwas höherem Ladeluftdruck, der Schaltpunkt für das Abschalten bei etwas niedrigerem Ladeluftdruck festgelegt. Da diese Punkte nur kurzfristig durchfahren werden, ist dies mit Rücksicht auf Abgastemperatur, Rauch im Abgas und Spitzendrücke im Zylinder zulässig.

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Claims (1)

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   Friedrichshafen

   Patentansprüche

   Steuerung für die Zu- und Abschaltung mindestens eines Abgasturboladers einer Kolbenbrennkraftmasehine, die ein Arbeitsmittel zum Betätigen der Absperreinrichtungen der Abgas- und Ladeluftleitung des Abgasturboladers steuert und der als Steuergröße der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine über eine Steuerleitung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Zu- oder Abschaltung des Abgasturboladers die Steuerleitung {kk) abgesperrt und nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeit wieder freigegeben wird.

   2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrung der Steuerleitung {hk) in Abhängigkeit des Druckanstiegs oder des Druckabfalls in der Arbeitsmittelleitung (5i» 48) zwischen der Steuerung und den Absperreinrichtungen des Abgasturboladers vorgenommen wird.

   3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrung der Steuerleitung (kh) von der durch die Schaltung hervorgerufenen Änderung des Ladeluftdruckes bewirkt wird.

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   4. Absperrventil für eine Steuerung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen in einem Gehäuse angeordneten Kolben, der in seiner durch Federkraft bestimmten Ruhelage die Steuerleitung (44) für den Durchgang der Ladeluft offenhält, in seinen beiden Endlagen jedoch die Steuerleitung (44) absperrt, dessen erste Stirnseite vom Druck des Arbeitsmittels bzw. vom Ladeluftdruck direkt und dessen zweite Stirnseite von diesem Druck über eine Drossel (54) beaufschlagt wird, wobei der zweiten Stirnseite des KoI-bens ein Ausgleichsraum. (53) zugeordnet ist.

   5. Absperrventil nach Anspruch 4 für eine Steuerung nach Anspruch 2, wobei als Arbeitsmittel für die Betätigung der Absperreinrichtungen der Ladeluftdruck der Reihenbrennkraftmaschine verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben des Absperrventils (42) in seiner Mittelstellung eine weitere, von einer Drossel (6i) steuerbare Verbindungsleitung (60) zwischen seinen beiden stirnseitigen Druckräumen offenhält.

   6. Absperrventil nach Anspruch 4 für eine Steuerung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein das Absperrventil (42) umgehendes Bypassventil (65).

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