DE3624248C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei einer aus der JP-Anm. 60 56 127 bekannten, gattungsgemäßen Vorrichtung ist es zur Erzeugung eines Steuerunterdruckes zur Beaufschlagung des den Turbinenleitapparat betätigenden Stellantriebes erforderlich, die Last und den Ladedruck bzw. den Luftdurchsatz auf elektronischem Wege zu erfassen und einer elektronischen Steuereinheit zuzuführen, welche dann wiederum erst ein Stellwertsignal für ein Magnetventil zur Modulierung eines von einer Vakuumpumpe erzeugten Unterdruckes bereitstellt.

Ferner ist in dem Werkstatthandbuch der Anmelderin "Model Year 1985 Passenger Cars USA Version", Kapitel "Models 107, 123, 126, 201 Seite 103" eine Vorrichtung zur Steuerung eines Automatikgetriebes bekannt, bei welcher ein pneumatisch wirkender Druckumsetzer in Abhängigkeit der Last und des Ladedruckes der Brennkraftmaschine einen Steuerunterdruck erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenen Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und mit der das bei positiven Lastwechseln, insbesondere aus dem Leerlauf heraus auftretende "Turboloch" vermeidbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt eine Möglichkeit, wie mit einfachen Mitteln ein Turbolader mit verstellbarem Turbinenleitapparat angesteuert werden kann, damit beim Beschleunigen sofort ein optimales Drehmomentangebot seitens der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Dies gilt insbesondere für vom Leerlauf ausgehende Laständerungen, bei denen selbst die Zeitverzögerung bis zum Erreichen der der jeweiligen Laständerung entsprechenden Schließstellung des Leitapparates minimal gehalten ist, da sich letzterer im Leerlauf bereits in Schließstellung befindet.

Daß der Turbinenleitapparat bei einem positiven Lastwechsel, d. h. bei einer Erhöhung der Last zunächst in Richtung Schließstellung geführt wird, hat zur Folge, daß sich einmal die Anströmgeschwindigkeit der Abgase auf die Turbinenschaufeln erhöht und zum anderen wird die Anströmrichtung der Abgase auf die Turbinenschaufeln optimiert. - Schließstellung bezeichnet die Stellung des Turbinenleitapparates in der dieser einen minimalen Querschnitt für die Abgase zur Beaufschlagung der Turbinenschaufeln freigibt; analog dazu wird in Öffnungsstellung ein maximaler Querschnitt freigegeben -. Somit sind turbinenseitig die besten Voraussetzungen gegeben, den Turbolader schnellstmöglich zu beschleunigen. Den Turbinenleitapparat in der daran anschließenden Phase, in welcher der Ladedruck ansteigt, wieder in Richtung Öffnungsstellung zu bewegen hat den Vorteil, daß infolge des jetzt natürlich ansteigenden Abgasmassenstromes der Staudruck vor der Turbine aufgrund eines zu geringen Strömungsquerschnittes zu keinem Zeitpunkt zu groß werden kann, wodurch auch der Kraftstoffverbrauch minimal bleibt.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung und

Fig. 2 in einem Diagramm p _VTG = f (p _USV , p _L ) den quali­ tativen Zusammenhang zwischen dem verstellhe­ belabhängig modulierten Unterdrucksignal p _USV und dem Steuerunterdruck p _VTG zur Ansteuerung des Turbinenleitapparates bzw. des diesen be­ tätigenden Stellantriebes unter dem Einfluß des Ladedruckes p _L .

Die Fig. 1 zeigt eine mittels eines Turboladers 2 aufgela­ dene Dieselbrennkraftmaschine 1 mit einer Ladeluft- 3 und einer Abgasleitung 4. Der Turbinenteil 5 des Turboladers 2 ist mit einem verstellbaren Leitapparat versehen, der durch einen pneumatisch beaufschlagten Stellantrieb 6 betätigbar ist. Der Leitapparat kann dabei zwischen der Schließstellung, in der die Turbinenschaufeln vom Abgas nur über einen Min­ destquerschnitt beaufschlagt werden, und der Öffnungsstel­ lung, in welcher der Anströmquerschnitt maximal ist, jede Stellung einnehmen.

Der Stellantrieb 6 wird über eine Unterdruckleitung 7 von einem Steuerunterdruck p _VTG beaufschlagt, den ein pneumatisch wirkender Druckumsetzer 8 in Abhängigkeit von der Stellung des an der Einspritzpumpe 9 der Brennkraftmaschine 1 angeordneten Verstellhebels 10 und von dem Druck p _L in der Ladeluftleitung 3 erzeugt.

Der Druckumsetzer 8 selbst besteht aus einem Gehäuse 11 in dem zwei über ein Koppelelement 12 starr miteinander ver­ bundene Membranen 13 und 14 drei Steuerräume 15 bis 17 bil­ den, die durch das Gehäuse 11 begrenzt werden. Dabei be­ sitzt die Membran 13 eine größere Oberfläche als die Membran 14. Am Gehäuse 11 sind vier Pneumatikanschlüsse 18 bis 21 vorgesehen, von denen die Anschlüsse 18 und 19 in den Steuer­ raum 15, der Anschluß 20 in den Steuerraum 16 und der An­ schluß 21 in den Steuerraum 17 führen. Die Membran 13 weist eine Öffnung 22 auf, die durch eine mittels einer Feder 23 an dem Koppelelement 12 abgestützten Ventilplatte 24 ver­ schließbar ist. Ferner kann durch die Ventilplatte 24 auch der Anschluß 18 verschlossen werden. Die Membran 13 ist über eine Regelfeder 25 am Gehäuseoberteil abgestützt. An der Un­ terseite der Membran 13 liegt eine Einstellfeder 26 an, de­ ren Vorspannung durch einen verstellbaren Anschlag 27 von außen beeinflußbar ist.

Über die Unterdruckleitung 28, die an dem Anschluß 18 an­ geordnet ist, steht der Druckumsetzer 8 direkt mit einer Vakuumpumpe 29 in Verbindung. Von der Leitung 28 zweigt eine Unterdruckleitung 30 zu einem an der Einspritzpumpe 9 angeordneten Unterdrucksteuerventil 31 ab, welches über ein Gestänge 32 mit dem Verstellhebel 10 der Einspritzpumpe 9 in Verbindung steht. Durch das Unterdrucksteuerventil 31 wird der von der Vakuumpumpe 29 erzeugte Unterdruck je nach Verstellhebellage moduliert (z. B. durch eine entsprechen­ de Belüftung) und über die Unterdruckleitung 33, die am An­ schluß 20 angebracht ist, dem Steuerraum 16 des Druckum­ setzers 8 zugeführt. Die Unterdruckmodulierung erfolgt da­ bei derart, daß mit größer werdender Verstellhebelauslenkung, d. h. mit steigender Kraftstoffeinspritzmenge auch der dem Druckumsetzer 8 über den Anschluß 20 zugeführte Unterdruck p _USV größer wird. Das Unterdrucksteuerventil ist jedoch so ausgelegt, daß der Unterdruck im Steuerraum 16 zu jedem Zeitpunkt, selbst bei Vollast, kleiner bleibt als der im Steuerraum 15.

In der Leitung 33 ist ferner ein elektronisch ansteuerba­ res Magnetventil 34 angeordnet, welches bedarfsweise den Anschluß 20 entweder mit dem Unterdrucksteuerventil 31 direkt verbindet (Pfeil 35 im Ventil 34), oder den ersten Teil der Leitung 33 abtrennt, d. h. verschließt und über eine Freigabe der Leitung 36, die ebenfalls von der Lei­ tung 28 abzweigt, eine Verbindung zur Vakuumpumpe 29 her­ stellt (Pfeil 37 im Ventil 34). Um den Einfluß des Lade­ druckes p _L mit zu berücksichtigen, zweigt von der Lade­ luftleitung 3 eine weitere Pneumatikleitung 38 ab, über welche der Steuerraum 17 des Druckumsetzers 8 mit dem La­ dedruck p _L beaufschlagt ist. Der Stellantrieb 6 ist so ausgelegt, daß er mit steigendem Unterdruck in der Lei­ tung 7 den Turbinenleitapparat in Richtung Schließstel­ lung bewegt und umkehrt.

Durch den Aufbau des Druckumsetzers 8 ergibt sich in einem stationären Betriebspunkt ein Kräftegleichgewicht zwischen erstens der resultierenden Membrankraft aus dem im Unter­ drucksteuerventil 31 modulierten Unterdruck, die wegen der größeren Oberfläche der Membran 13 in Richtung des Pfeiles 39 wirkt, zweitens der entgegen der Pfeilrichtung 39 wirkenden Kraft auf die Membran 14 aus dem Ladedruck p _L , drittens der Kraft auf die obere Membran 13 aus dem am Stellantrieb 6 anstehenden Unterdruck, die entgegen der Pfeilrichtung 39 wirkt und viertens der in Richtung des Pfeiles 39 wirkenden Resultierenden aus der Regelfeder- und der Einstellfederkraft.

Wird der am Anschluß 20 anliegende Unterdruck größer, d. h. wird die Einspritzmenge erhöht, so bewegt sich das Membran­ system infolge der unterschiedlich großen Membranoberflächen in Pfeilrichtung 39, wodurch die Ventilplatte 24 vom An­ schluß 18 angehoben, und der Unterdruck sowohl im Steuer­ raum 15 als auch der am Stellantrieb 6 anliegende Unter­ druck größer wird. Die Ventilplatte 24 bleibt solange von dem Anschluß 18 abgehoben, bis der herrschende Unterdruck im Steuerraum 15 so groß ist, daß wiederum ein Kräftegleich­ gewicht gegeben ist. Erhöht sich nun z. B. der Ladedruck p _L , so wird das Membransystem entgegen der Pfeilrichtung 39 nach oben gedrückt, wodurch die Ventilplatte 24 von der Öffnung 22 in der Membran 13 abgehoben wird, infolgedessen durch einen weiter abnehmenden Unterdruck im Steuerraum 16 eine Re­ duzierung des Unterdruckes im Steuerraum 15 erfolgt, und zwar solange, bis erneut ein Kräftegleichgewicht gegeben ist. In dieser Phase bleibt der Vakuumanschluß 18 durch die Ventilplatte 24 verschlossen. Die Reduzierung des Un­ terdrucks im Steuerraum 15 bewirkt damit über den Stell­ antrieb 6 eine Bewegung des Turbinenleitapparates in Rich­ tung Öffnungsstellung. Entsprechendes gilt für eine Redu­ zierung der Motorlast. Auch hier bewegt sich, jetzt in­ folge des sinkenden Unterdruckes im Steuerraum 16, das Membranpaket entgegen der Richtung des Pfeiles 39, so daß der Steuerraum 15 ebenfalls bis zum Kräftegleichgewicht über die Öffnung 22 belüftet wird.

Wird das Magnetventil 34 so geschaltet, daß der Anschluß 20 am Druckumsetzer 8 direkt mit der Vakuumpumpe 29 ver­ bunden ist (Pfeil 37), bewegt sich das Membranpaket in Richtung des Pfeiles 39, wodurch sich im Steuerraum 15 sofort der Unterdruck erhöht, und zwar solange, bis wie­ derum Gleichgewicht herrscht, was jetzt jedoch erst dann der Fall ist, wenn am Steuerraum 15 der maximale Unterdruck anliegt. Für den Turbinenleitapparat des Turboladers 2 be­ deutet dies, daß er in Schließstellung geht. Das Magnet­ ventil 34 nimmt die zuvor beschriebene Schaltstellung im Leerlauf ein (siehe Fig. 2 und zugehörige Beschreibung).

In Fig. 2 ist in einem Diagramm 40 p _VTG = f (p _USY , p _L ) die Wirkungsweise des Druckumsetzers 8 qualitativ dargestellt. Das Diagramm 40 zeigt auf der Abszisse 41 den in Abhängig­ keit der Verstellhebelauslenkung durch das Unterdrucksteuer­ ventil 31 modulierte Unterdruck p _USV der mit größer werden­ der Verstellhebelauslenkung ansteigt, wobei p _USVLL für den Unterdruck bei Leerlauf und p _USVVL für den bei Vollast steht.

Auf der Ordinate 42 ist der Steuerunterdruck p _VTG zur An­ steuerung des den Turbinenleitapparat betätigenden Stellan­ triebes 6 aufgetragen. Hier bezeichnet p _VTG auf den Unter­ druck, der den Leitapparat ganz in Öffnungsstellung und p _VTG zu den, der ihn ganz in Schließstellung bringt.

Bei einer positiven Laständerung Δ p _USV von p _{USV 1} auf p _{USV 2} bei einem momentanen Ladedruck p _{L 1} wird im Druckumsetzer 8 zunächst gemäß der Kennlinie 43 eine Steuerunterdruckerhöhung um Δ p _VTG bewirkt, wodurch sich der Turbinenleitapparat je nach Steigung der Kennlinie 43, d. h. je nach Einstellung des Druckumsetzers 8, mehr oder weniger in Richtung Schließstellung (p _VTGzu ) bewegt, womit für diese Lastän­ derung Δ p _USV die optimalen Voraussetzungen für eine schnelle Beschleunigung des Turboladers 2 gegeben sind. Mit zunehmender Zeitdauer erhöht sich jedoch infolge des jetzt ansteigenden Abgasmassenstromes auch der Ladedruck p _L . Dem wird Rechnung getragen, indem jetzt der Druckumsetzer 8 den Steuerunter­ druck p _VTG dem jeweiligen Ladedruck p _L anpaßt und zwar re­ duziert er ihn mit steigendem Ladedruck p _L , wodurch der Turbinenleitapparat wieder in Richtung Öffnungsstellung bewegt wird. Die einzelnen Linien 44 sind Kennlinien mit konstantem Ladedruck p _L , wobei sich letzterer in Richtung des Pfeiles 45 erhöht.

Der Turbinenleitapparat wird nun solange in Richtung Öff­ nungsstellung bewegt, bis sich bei der Last p _{USV 2} ein kon­ stant bleibender Ladedruck p _{L 2} (Kennlinie 46) eingestellt hat. In diesem Betriebspunkt steht der Leitapparat dann in der dem Unterdruck p _VTGE entsprechenden Stellung.

Analog dazu wird bei einem negativen Lastwechsel der Leit­ apparat zunächst entlang einer Kennlinie mit konstantem Ladedruck in Richtung Öffnungsstellung und anschließend, wenn sich der Ladedruck infolge der Lastreduzierung ver­ ringert wiederum in Richtung Schließstellung geführt, und zwar solange, bis auch hier ein stationärer Betriebspunkt erreicht ist.

Damit bei einer Laständerung aus dem Leerlauf heraus, ins­ besondere bei relativ großen Laständerungen, bei denen der Leitapparat ohnehin schon recht nahe an die Schließstellung oder sogar ganz in Schließstellung geführt werden muß, keine zu großen Zeitverzögerungen auftreten, ist es zweckmäßig, den Turbinenleitapparat im Leerlauf in Schließstellung zu halten (Punkt 47). Dies geschieht dadurch, daß das Magnet­ ventil 34 im Leerlauf in die den Anschluß 20 am Druckumsetzer 8 direkt mit der Vakuumpumpe 29 verbindende Schaltstellung (siehe Fig. 1 Pfeil 37) gebracht wird.

Um den Steuerunterdruck überlagern zu können, ist es denk­ bar, in der Leitung 7 zwischen dem Druckumsetzer 8 und dem Stellantrieb 6 ein Entlüftungsventil vorzusehen, welches in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter der Brennkraft­ maschine wie z. B. Temperatur, Drehzahl usw., geöffnet werden kann, wodurch am Stellantrieb 6 Atmosphärendruck anliegt und damit der Turbinenleitapparat in Öffnungsstellung gebracht wird.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur betriebsparameterabhängigen Steuerung des Turbinenleitapparates eines an einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasturboladers über einen pneumatisch beaufschlagten Stellantrieb derart, daß der Turbinenleitapparat bei steigender Brennkraftmaschinenlast in Richtung Schließstellung und mit steigendem Ladedruck in Richtung Öffnungsstellung überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Stellantriebes (6) über einen pneumatisch wirkenden Druckumsetzer (8) mit drei durch Membranen (13 und 14) voneinander getrennten Steuerräumen (15, 16 und 17) erfolgt, von denen an einem ersten Steuerraum (15) eine zum Stellantrieb (6) führende Leitung (7) und eine von einer Vakuumpumpe (29) abgeführte und durch ein Ventil (24) zwischen dem ersten und dem zweiten Steuerraum (15, 16) gesteuerte Leitung (28) angeschlossen ist, daß am zweiten Steuerraum (16) eine Leitung (33) angeschlossen ist, über die ein in Abhängigkeit von der Lage des an der Einspritzpumpe (9) der Brennkraftmaschine angeordneten Verstellhebels (10) modulierter Unterdruck zugeführt wird, wobei in dieser Leitung (33) ein Ventil (34) angeordnet ist, durch welches diese Leitung (33) im Leerlauf der Brennkraftmaschine verschließbar und gleichzeitig eine Verbindung zwischen der Vakuumpumpe (29) und dem zweiten Steuerraum (16) herstellbar ist und daß im dritten Steuerraum (17) der Ladedruck anliegt, welcher über eine von der Ladeluftleitung (3) abgezweigte Pneumatikleitung (38) zugeführt wird.