DE3335471C2 - Steuerung für das Zu- und Abschalten eines Abgasturboladers - Google Patents

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 die Steuerleitung (44) zwischen der Ladeluftleitung und den Steuerschiebern (40, 41) immer dann abgesperrt, wenn diese Schwingungen auftreten und damit ihre negativen Auswirkungen auf die Steuerung unterbunden.

Description

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrung der Steuerleitung (44) von der durch die Schaltung hervorgerufenen Änderung des Ladeluftdruckes bewirkt wird.

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 Steuer-

Ladeluftdruckschwankungen im Anschluß an eine Schaltung herausgestellt, die, ebenfalls zum Vermeiden von Zurückschaltungen in den Zustand vor der Schalleitung (44) für den Durchgang der Ladeluft offen- 30 tung, die Anordnung einer großen Schalthysterese erhält, in seinen oeiden Endlagen jedoch die Steuerlei- forderlich macht Diese große Schalthysterese erfordert (44) ·· -- ■

eine Ausweitung der Ladergruppen-Betriebsbereiche, die bei längerem Betrieb in der Nähe des Schaltpunktes mit weniger Ladern die Gefahr einer Überhitzung die-

tung (44) absperrt, dr-ssen tv.ste Stirnseite vom Druck des Arbeitsmittel- bzw. vom Ladeluftdruck direkt und dessen zweite Stir _a-eite von diesem

Druck über eine Drossel (54) beaufschlagt wird, wo- 35 ser Lader bzw. mit mehr Ladern das Auftreten vo*n La-

bei der zweiten Stirnseite des Kolbens ein Aus- deluftmangel und schlechtem Verbrennungsablauf mit

gleichsraum (53) zugeordnet ist. sich bringt.

5. Absperrventil nach Anspruch 4 für eine Steue- Aufgabe der Erfindung ist es, die Auswirkungen der rung nach Anspruch 2, wobei als Arbeitsmittel für Ladeluftdruckschwankungen am Ende eines Schaltvordie Betätigung der Absperreinrichtungen der Lade- 40 ganges auf das Schaltverhalten der Steuerung zu verluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine verwendet hindern.

wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben des Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nach jeder

Absperrventils (42) in seiner Mittelstellung eine wei- Zu- oder Abschaltung des Abgasturboladers die Steuer-

tere, von einer Drossel (61) steuerbare Verbindungs- leitung abgesperrt und nach Ablauf einer vorbestimm-

leitung (60) zwischen seinen beiden stirnseitigen 45 baren Zeit wieder freigegeben wird.

Druckräumen offenhält. Durch diese Maßnahme kann die Steuerung den Ein-

6. Absperrventil nach Anspruch 4 für eine Steue- flüssen der Ladeluftdruckschwankungen in einfacher

rung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein das Absperrventil (42) umgehendes Bypassventil (65).

Weise wirkungsvoll entzogen werden, ohne daß anderweitige Nachteile hierdurch in Kauf genommen werden müssen. Die Größe der Hysterese kann auf das zur Ver-

meldung von Pendelungen beim Schalten notwendige

Maß beschränkt werden.

Ein eindeutiges Signal für die Absperrung kann da-

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für die Zu- und durch erhalten werden, daß die Absperrung der Steuer-Abschaltung mindestens eines Abgasturboladers einer 55 leitung in Abhängigkeit vom Druckanstieg oder vom Kolbenbrennkraftmaschine, die ein Arbeitsmittel zum Druckabfall in der Arbeitsmittelleitung zwischen der

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 Abgasturboladern wird bei Kolbenbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teildrehzahlbereich der Kolbenbrennkraftmaschine durchgeführt. Dabei arbeitet bei geringem Abgasenergieanfall nur ein Abgasturbolader, dem bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraftma-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 Schaitvorgang 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 Druck-

Schwankungen 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 Absperrventil 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

Durch Ändern des Drosseldurchmessers und des Volumens des Ausgleichsraumes kann die Dauer der Sperrzeit der Steuerleitung, durch Änderung der Federsteigigkeit und des Steuerkolbendurchmessers kana 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 Beschieunigungsvorgang 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 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 einer erfindungsgemäßen Steuerung für die Schaltung eines Abgasturboladers mri. Ladeluftdruck als Steuerdruck und Druckluft als Betätigungsdruck;

F i g. 3 eine erfindungsgemäße Steuerung mit Ladeluftdruck als Steuer- und Betätigungsdruck;

F i g. 4 eine erfindungsgemäße Steuerung mit Absperrung der Steuerleitung durch die schaltungsbedingten Schwankungen des Ladeluftdruckes.

In Fi 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 Leistu.T?sbereich 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 ίο 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 Ladeliu-idruck 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 Schfießen 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 Ladeiuftdruckes 14, der sich bei einer Leistung 18 ergibt, wird der zweite Abgasturbolader durch Schließen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreihrichtungen 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 Abgasturboiaders 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 Ladeluhdruck, 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 Zuschalten eingeleitet wird. Um die Wiederzuschaltung zu vermeiden, müßte die Hysterese 27 s" 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 Ladeiu^tdiuck 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 Maß-

nahmen 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 F i g. 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 Betätigungsieitung 4« miteinander verbunden. In einer Leitung 49 steht Druckluft am Relaisventil 43 an und wird zum Betätigen der Abgas- und Ladeluftklappen des Abgasturboladers in eine Betätigungsieitung 50 oder 51 gesteuert. Die Betätigungsleitung 51 ist mit dem Absperrventil 42 über eine Leitung 52 verbunden. Auf der anderen Seite des Absperrventüs 42 ist ein Ausgleichsraum 53 angeordnet.

Wirkungsweise:

Beim Ansteigen des Ladeluftdruckes entlang dem Kurventeilstück 11 in F i g. 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 41, der bei sonst gleichen Abmessungen eine schwächere Feder als der Steuerschieber 40 aufweist, in ihre andere Endlage verschoben, so daß Leitung 46 mit Betätigungsleitung

.— . *.. .»W..UW.. '.1,U. WU, t.·· «*.» ■ t-ij U\.lt ItI UVtttllgUllgJlCltung 48 wird auch der Kolben des Relaisventils 43 in seine andere Endlage verschoben und die Leitung 49 mit der Betätigungsleitung 51 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. 1) 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 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

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 verseheben.(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 F i g. 3 und 4 weisen Teile, die die gleiche Funktion erfüllen wie in F i g. 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 F i g. 2 beschrieben ab.

Da das Absperrventil 42 in F i g. 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 Stirnräut.?en des Absperrventils 42 angeordnet und von einer Drossel 61 steuerbar ist, vom Kolben in seiner Mittelstellung offengehalten 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 Vcrbindungsleitung60 gesperrt und unwirksam.

In Fig.4 wird die Schaltung durch ein Bypassventil 65 eingeleitet, wenn das Absperrventil 42 die Steuerlcitung 44 bei großer Beschleunigung oder Verzögerung absperrt und der Ladeluftdruck 16 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Steuerung für die Zu- und Abschaltung mindestens eines Abgasturboladers einer Kolbenbrennkraftmaschine, die ein Arbeitsmittel zum Betätigen der Absperreinrichtungen der Abgas- und Ladeluftleitung des Abgasturboladers steuert und der als Steuergröße der Ladeluftdruck der Kolbenbrennschine 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 Abgasiurbolader-Koinbination 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

kraftmaschine über eine Steuerleitung zugeführt io den Abfall des Abgasdruckes aufgrund der Öffnung der wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abgas-Absperreinrichtung des zuzuschaltenden Laders jeder Zu- oder Abschaltung des Abgasturboladers
die Steuerleitung (44) abgesperrt und nach Ablauf
einer vorbestimmbaren Zeit wieder freigegeben
wird.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrung der Steuerleitung (44) in Abhängigkeit des Druckanstiegs oder des Druckabfalls in der Arbeitsmittelleitung (51, 48) zwischen

der Steuenusg und den Absperreinrichtungen des 20 auf zwei Steuerflächen eines Steuerschalter-Schiebers Abgasturboladers vorgenommen wird. 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 sieb dabei das Auftreten von starken

ein. Danach steigt der Ladeluftdruck mit zunehmender Leistung an, bis beim Zuschalten des nächsten Laders erneut ein Einbruch erfolgt.

Um nach einer Schaltung die sofortige Zurückschaitung in den Zustand vor dieser Schaltung, die sich aufgrund des vorbeschriebenen Verlaufs des LadeJuftdrukkes zwangsweise ergeben würde, zu vermeiden, ist eine Steuerung bekannt geworden (Patent 32 12 498), bei der