DE3607612A1

DE3607612A1 - Abgasturbolader fuer diesel-brennkraftmaschinen und verfahren zu seiner regelung

Info

Publication number: DE3607612A1
Application number: DE19863607612
Authority: DE
Inventors: Katsumi Takatsuki Osaka Akiyama; Shinji Osaka Nomura; Yoshiyuki Katano Osaka Ogata; Yoshiharu Nara Okeda; Fumitoshi Wakayama Takahashi; Toshiyuki Toyonaka Osaka Tanaka; Isao Izumi Osaka Ueda
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1985-03-08
Filing date: 1986-03-07
Publication date: 1986-09-11
Also published as: JPS61205330A; GB2172340A; GB8604132D0; CH668806A5; GB2172340B; FR2578581A1

Description

Abgasturbolader für Diesel-Brennkraftmaschinen und Verfahren zu seiner Regelung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Regelung desselben.

;Λ / Derartige Abgasturbolader, die dazu bestimmt sind, einer Diesel-Brennkraftmaschine Hochdruck- Luft zuzuführen, bewirken eine Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine und eine Verbesserung des Verbrennungsuiirkungsgrades. Während des Teillastbetriebes der Diesel-Brennkraftmaschine jedoch weicht der tatsächliche Arbeitspunkt des Turboladers von einem vorbestimmten Arbeitspunkt ab, tuas zu einem verringerten Wirkungsgrad des Turboladers und einem reduzierten Verbrennungswirkungsgrad der Brennkraftmaschine führt.

Es wurden bereits verschiedene Versuche unternommen, um diese Schwierigkeiten zu umgehen, beispielsweise durch An-Ordnung einer Saugdrossel in der Luftleitung stromauf des ,•Kompressors, die entsprechend dem Ladedruck in der Ladeleitung stromab des Kompressors und anderer Betriebsparameter. wie die Drehzahl der Diesel-Brennkraftmaschine und dgl. _f gesteuert wird. Mit einer derartigen Anordnung kann jedoch keine feine Regelung des Turboladers erreicht werden, da die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck der zugeführten Luft allein durch die Saugdrossel reguliert werden. Somit wurde kein nennenswerter Erfolg in der Verbesserung des Wirkungsgrades des Turbaladers Dder des Verbrennungswirkungsgrades der Diesel-Brennkraftmaschine erreicht.

/J- Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der die vorher erwähnten Nachteile der bekannten Turbolader vermeidet .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der vorgeschlagenen Anordnung werden die Abgas-Leitschaufeln, die Luft-Leitschaufeln und die Diffusorschaufein entsprechend den spezifischen Anforderungen, die durch die Betriebsparameter bestimmt sind, gesteuert, so daß der Turbolader so geregelt werden kann, daß die Diesel-Brennkraftmaschine über den gesamten Betriebsbereich mit idealen Bedingungen arbeitet.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Regelung dieses Abgasturboladers werden in eine vorprogrammierte Steuereinheit die Stellungen der Abgas-Leitschaufeln, der Luft-Leitschaufeln und der Diffusorschaufein, die Drehzahl des Abgasturboladers , der Ladedruck und die Temperatur des Hompressor-Innenraumes, der Innendruck am Außenumfang der Spiralkammer, die Druckdifferenz in der Spiralkammer zwischen ihrem Außen- und Innenumfang , die Eingangstemperatur des Turbinengehäuse-Innenraumes, der Innendruck eines Ladeluftkühlers, die Drehzahl der Diesel-.Brennkraftmaschine und die dieser zugeführte Kraftstoffmenge eingegeben und die Abgas-Leitschaufeln, die Luft-Leitschaufeln und die Diffusorschaufein werden entsprechend Befehlen der Steuereinheit eingestellt.

Das vorgeschlagene Verfahren beruht darauf, daß die drei Arten von Schaufeln feinfühlige und verschiedene Steuerungen des Abgasturbolader ermöglichen, und es ist bestimmt zur Verwendung von verschiedenen Betriebsparametern, die mit einer erhöhten Freiheit in der Steuerung kompatibel sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt :

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers in Verbindung mit einer Diesel-Brennkraftmaschine und der zugehörigen Steuerung,

Fig. 2 eine Ansicht der Abgas-Leitschaufeln des Abgasturboladers,

Fig. 3 eine Ansicht der Luft-Leitschaufein des Abgasturbaladers,

Fig. k eine Ansicht der Diffusorschaufein des Turboladers,

Fig. 5 ein Schaubild für eine Betriebswei-

se der Diesel-Brennkraftmaschine und

Fig. 6 ein Fließdiagramrn, aus dem die Steuerung des Abgasturboladers in einem Beispiel dargestellt ist.

In Fig. 1 sind eine Diesel-Brennkraftmaschine 1 und ein mit dieser verbundener Abgasturbolader 2 dargestellt, die durch eine Steuereinheit 3 in optimaler Ueise gesteuert werden.

Die Diesel-Brennkraftmaschine 1 ist von üblicher Bauart und weist Zylinder 5 auf, in denen Kolben 6 verschiebbar angeordnet sind, deren Hubbewegung in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle k umgewandelt wird. Mit 7 ist eine Auslasslei- _v tung und mit B ist eine Einlaßleitung bezeichnet, an die ein Ladeluftkühler Ba angeschlossen ist.

Der Abgasturbolader 2, welcher den wesentlichen Teil der Erfindung darstellt, weist ein Turbinengehäuse 9 und ein Kompressorgehäuse 10 auf. Das Turbinengehäuse 9 hat einen EInlaß 11, der mit der Auslaßleitung 7 der Brennkraftmaschine 1 durch eine Auspuffleitung 13 verbunden ist, sowie einen Auslaß 12. Im Turbinengehause 9 ist ein Turbinenrad 11 drehbar angeordnet, dessen Ausgangswelle 14a sich in das Kompressorgehäuse 10 erstreckt. In dem Turbinengehäuse 9 sind stromauf des Turbinenlaufrades 14 auf einem Kreis radial sich erstreckende Abgas-Leitschaufeln 15 angeordnet, die jeweils um eine senkrecht zur Turbinenwelle 14a sich erstreckende Achse drehbar sind. Die Leitschaufeln 15 können durch eine

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erste Antriebsvorrichtung 16 gedreht werden. Die Winkelstellung der Leitschaufeln 15 wird durch einen ersten Drehuiinkelsensor A. festgestellt.

Das Kompressorgehäuse 1D hat einen Einlaß 18 und eine Spiralkammer 19 mit einem Auslaß 19a, der durch eine Ladeluftleitung 20 mit der Einlaßleitung 8 in Verbindung steht. In dem Kompressorgehäuse 1D ist ein Kompressor-Laufrad 21 angeordnet, das fest mit der Turbinenwelle 14a verbunden ist. In dem Kompressorgehäuse 1D sind stromauf des Kompressor-Laufrades in einem Ring angeordnete, radial sich erstreckende Luft-Leitschaufeln 22 vorgesehen, die jeweils um eine senkrecht zur Turbinenuelle 14a verlaufende Achse drehbar sind. Die Leitschaufeln 22 werden durch zweite Antriebsvorrichtungen 23 gedreht. Die Winkelstellung der Leitschaufeln 22 wird durch einen zweiten Drehwinkelsensor A ' festgestellt. LJeiterhin sind in dem Kompressor-Gehäuse 10 zwischen dem Kompressor-Laufrad 21 und der Spiralkammer 19 in einem Ring angeordnete Auslaßdiffusor-Schaufein 25 vorgesehen, die jeweils um eine parallel zur Turbinenwelle 14a verlaufende Achse drehbar sind.

.'Die Schaufeln 25 können von dritten Antriebsvorrichtungen gedreht werden. Die Winkelstellung der Diffusor-Schaufein 25 wird durch einen dritten Drehwinkel-Sensor A, festgestellt.

Die Steuereinheit 3 erhält Signale hinsichtlich der Winkelstellung der Schaufeln 15, 22 und 25 von den drei Drehwinkel-Sensoren A^bis A,. Außerdem erhält die Steuereinheit Signale von einem ersten Drehzahl-Sensor S., der die Drehzahl der Turbinenwelle 14a feststellt, einem zweiten Drehzahl-Sensor S„, der die Drehzahl der Kurbelwelle 4 feststellt, einem ersten Drucksensor P., der den Druck am Kompressor-Auslaß 19a feststellt, einem ersten Temperatur-Sensor T., der die Temperatur am Kompressor-Auslaß 19a feststellt, einem zweiten Drucksensor P„, der den Innendruck am Außenumfang der Spiralkammer 19 des Kompressors feststellt, einem Druckdifferenz-Sensor PD, der die Druckdifferenz in

der Spiralkammer 19 zwischen dem Außenumfang und dem Innenumfang derselben feststellt, einem zweiten Temperatursensor Tn, der die Abgastemperatur am Turbineneinlaß 11 feststellt, einem dritten Drucksensor P,, der den Druck im Ladeluftkühler 8a feststellt, und einen Strömungsmesser F, der die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Kraftstoffmenge mißt. Die Kontrolleinheit 3 ist für optimale Betriebsweise der Diesel-Brennkraftmaschine 1 über den gesamten Drehzahlbereich vorprogrammiert.

1D Der Abgasturbolader arbeitet auf folgende Weise:

Denn die Brennkraftmaschine 1 läuft, strömt Abgas durch die Auspuffleitung 13 und den Einlaß 11 in das Turbinengehäuse und treibt das Turbinenlaufrad 1*+ an, worauf das Abgas durch den Auslaß 12 abgeführt wird. Dementsprechend wird das mit der Turbinenwelle 14a verbundene Kompressorlaufrad 21 angetrieben, so daß Außenluft durch den Einlaß 1B in das Kompressorgehäuse 10 eingesaugt wird und komprimierte Luft durch die Spiralkammer 19, den Kompressorauslaß 19a und die Ladeluftleitung 2D der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird. Während die-

2D SB's Vorganges werden die Signale von den verschiedenen Sensoren A₁, A₂, A₃, S₁, S₂, P₁, P₂, P₃, PD, T₁, T₂ und F der Kon-•trolleinheit 3 zugeführt, die ihrerseits Signale C₁, C_? und C-, abgibt, um die drei Antriebsvorrichtungen 16, 23 und 26 zu betätigen und die Abgas-Leitschaufeln 15, die Luft-Leitschaufeln 22 und die DiffusDrschaufein 25 entsprechend dem vorgewählten Programm der Steuereinheit 3 zu drehen, so daß die Geschwindigkeit und der Druck dar Luft,die der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird, optimal gesteuert werden und gleichzeitig eine Überdrehzahl und ein Pumpen des Abgasturbolader 2 vermieden wird, wobei der Abgasturbolader 2 gleichzeitig auf den maximalen Wirkungsgrad gesteuert wird.

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Fig. 5 zeigt als Beispiel die Betriebsweise einer Schiffs-Dieselmaschine. Mach dem Start wird die Maschine für Hafenfahrt betrieben, mährend das Schiff sich im Hafen befindet. Lüenn das Schiff in die offene See einläuft, wird die Maschine für volle Fahrt oder Marschfahrt betrieben. Uenn das Schiff einen Kanal durchfährt, wird die Maschine auf Null-Fahrt verzögert. Nachdem das Schiff in den Bestimmungshafen eingelaufen ist, läuft die Maschine wieder auf Hafenfahrt, und schließlich uird die Maschine am Pier gestoppt.

1D Fig. 6 ist ein Fließ-Diagramm, welches eine typische Steuerungsart veranschaulicht, die von der Steuereinheit 3 bewirkt uird. Wenn die Maschine 1 gestartet ist, uird die Steuereinheit 3 entweder automatisch oder manuell in Bereitschaft geschaltet (Block a). In diesem Bereitsschaftszustand (beispielsueise während die Maschine 1 für Hafenfahrt läuft) sind die Abgas-Leitschaufeln 15, die Luft-Leitschaufeln 22 und die Diffusorschaufein 25 des Abgasturbuladers 2 in bestimmten Uinkelstellungen gesperrt, die in Bezug auf die maximale kontinuierliche Leistung (im folgenden als MCD bezeichnet) der Brennkraftmaschine 1 vorbestimmt sind (Block b). Bei vollautomatischer Steuerung stellt der zweite Dreh-'zahl-Sensor S„ die Drehzahl der Maschine 1 fest (Block c), und der festgestellte Wert wird mit einem manuell veränderlichen Referenzwert (zB 50% van MCD) verglichen, um zu beurteilen, ab der festgestellte Wert nicht geringer ist als der Referenzwert (Block d). Bei "JA" liegt die Maschinendrehzahl in einem Regelbereich, und die Steuereinheit 3 beginnt zu steuern (Block e). Bei "NEIN" wird die Steuereinheit 3 im Bereitschaftszustand gehalten, bis die Maschinen-

3D drehzahl den Referenzwert erreicht. Alternativ kann die Steuereinheit 3 manuell in Betrieb gesetzt werden (Block f), bevor die Maschinendrehzahl den Referenzwert erreicht.

Nach Beginn der Steuerung durch die Steuereinheit 3 uiird die der Maschine 1 zugeführte Kraftstaffmenge durch den Strömungsmesser F (Black g) festgestellt, und auf der Basis der festgestellten Kraftstoff menge werden die Winkelstellungen der Schaufeln 15, 22 und 25 durch die Antriebsvorrichtungen 16, 23 und 26 eingestellt (Black h). Darauf uerden die verschiedenen Betriebsparameter umfassend durch die Sensoren A,, A„, A₃, S₁, S₂, P₁, P₂, P₃, PD, T₁, T₂ und F gemessen (Black i), und die Luftgeschwindigkeitam Kompressoreinlaß 18 wird in der Steuereinheit 3 auf der Grundlage der verschiedenen festgestellten Werte unter Uerwendung einer bekannten Geschwindigkeits-

-Rechenmethode ermittelt (Block j). Nun wird geprüft, ob der errechnete Idert außerhalb oder innerhalb der zulässigen Grenzen einer Kompressor-Kennlinie liegt, die durch unabhängige Uersuche ermittelt wurde, welche vorher mit dem Turbolader 2 durchgeführt wurden (Block k). Wenn der errechnete Wert innerhalb der zulässigen Grenzen liegt, wird geschlossen, daß keine Überdrehzahl und kein Pumpen des Turboladers 2 vorliegt, und es wird der nächste Steuerschritt zugelassen. Wenn jedoch die Strömungsgeschwindigkeit nicht in den zulässigen Grenzen liegt, werden die Winkelstellungen der Schaufeln 15, 22 und 25 durch die Antriebsvorrichtungen 16, 23 und 26 korrigiert (Block 1), und die Schritte i bis 1 werden wiederholt, bis die Strömungsgeschwindigkeit in die zulässigen Grenzen der Kompressor-Kennlinie gelangt. Im nächsten Schritt wird' die der Maschine 1 zugeführte Kraftstoffmenge wieder von dem Kraftstoffmengenmesser F festgestellt (Block m), um zu sehen, ob diese Menge geringer ist als der Wert, der in dem Schritt g festgestellt wurde (Block n). Bei "JA" wird der festgestellte Wert im Schritt m provisorisch als Minimum-Kraftstoff menge gespeichert. Bei "IMEIN" werden die Schaufeln 15, 22 und 25 auf die Kraftstoffmenge korrigiert (Black a), und die Schritte i bis ο werden wiederhalt, bis das Ergebnis des Vergleichs zu "JA" wird. Im folgenden wird die

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Maschinendrehzahl mieder wan dem zweiten Drehzahl-Sensor B„ festgestellt (Block p) zwecks Vergleich mit dem vorgenannten Referenzwert (Block q). Uenn die Maschinendrehzahl nicht niedriger ist als der Referenzwert,ist anzunehmen, daß die Brennkraftmaschine 1 noch eine normale Drehzahl beibehält. Um den wirtschaftlichsten Kraftstoffverbrauch zu erreichen, werden die Schritte i bis q wiederholt, uiobei der gespeicherte Uert der Minimal-Kraftstoffmenge darauffolgend erneuert wird. Denn die Maschinendrehzahl unter den Referenzwert verringert wird, werden die Schaufeln 15, 22 und 25 in ihren vorgewählten üJinkelstellüngen gesperrt, wie dies beim Starten der Maschine der Fall war. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß selbst bei einer derartigen Reduzierung der Maschinendrehzahl das Steuerverfahren manuell auf den Schritt g zurückgebracht werden kann (Block s).

Im allgemeinen wird eine vollautomatische Steuerung ni,cht durchgeführt, wenn sich das Schiff in einem Hafen oder in. einem Kanal befindet;

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Leerseite -

Claims

Hitachi Zasen Corporation, Qsaka, Japan

Patentansprüche

} Abgasturbolader für eine Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse, dessen Innenraum mit der Abgasleitung der Brennkraftmaschine in Verbindung steht und ein Turbinenlaufrad enthält, und mit einem Kompressorgehäuse, das einen Innenraum mit einer Spiralkammer aufujeist, die mit der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine in Verbindung steht und ein Kompressorlaufrad enthält , das mit dem Turbinenlaufrad koaxial verbunden ist, gekennzeichnet durch

- veränderliche Abgas-Leitschaufeln (15) in dem Turbinengehäuse-Innenraum (9) stromauf des Turbinenlaufrades (1*+),

- veränderliche Luft-Leitschaufeln (22) in dem Kompressorgehäuse-Innenraum (1D) stromauf des Kompressorlaufrades

- veränderliche Auslaß-Diffusorschaufein (25) in dem KDm-

. pressorgehäuse-Innenraum (10) zwischen dem KompressDrlaufrad (21) und der Spiralkammer (19), und

- erste, zweite und dritte Antriebsmittel (16,23,2G) zur Steuerung der Abgas-Leitschaufeln (15), der Luftleitschaufeln (22) und der Diffusorschaufein (25) in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers und der Diesel-Brennkraftmaschine.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Abgas-Leitschaufeln (15) ringförmig angeordnet und jeweils um eine die Drehachse des Turbinenlaufrades (1Ό schneidende Achse drehbar sind.

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3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft-Leitschaufeln (22-28) ringförmig angeordnet und jeuieils um eine' die Drehachse des Kompressorlaufrades (21) schneidende Achse drehbar sind.
k. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusor-Schaufein (25) ringförmig angeordnet und um eine parallel zur Drehachse des Kompressorlaufrades (21) verlaufende Achse drehbar sind.
5. V/erfahren zur Regelung· des Abgasturboladers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas-Leitschaufeln, die Luft-Leitschaufeln und die Diffusorschaufein in Abhängigkeit von den Stellungen der Abgas-Leitschaufeln, der Luft-Leitschaufeln und der Diffusorschaufein, der Drehzahl des Abgasturboladers, dem Ladedruck und der Temperatur des Kompressor-Innenraumes, dem Innendruck am Außenumfang der Spiralkammer, der Druckdifferenz in der Spiralkammer zwischen ihre™ Außen- und Innenumfang, der Eingangstemperatur des Turbinengehäuse-Innenraumes, dem Innendruck eines Ladeluftkühlers, der Drehzahl der Diesel-Brennkraftmaschine und der dieser zugeführten Kraftstoffmenge eingestellt werden,

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