DE3731320A1

DE3731320A1 - Steuersystem fuer einen turbolader, der eine turbinenleitschaufelanordnung mit veraenderbarem winkel aufweist

Info

Publication number: DE3731320A1
Application number: DE19873731320
Authority: DE
Inventors: Noboru Ishida
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1987-09-17
Publication date: 1988-04-21
Also published as: JPS6348929U

Description

Die Erfindung betrifft Turbolader für Brennkraftmaschinen, insbesondere von der Art, welche eine Leitschaufelanordnung mit verstellbarem Winkel zur Steuerung der Kopplung der Ab gase an die Turbinenradschaufeln aufweist. Insbesondere be zieht sich die Erfindung auf ein Steuersystem zur Steuerung eines Turboladers der oben beschriebenen Art.

Turbolader werden in großem Umfang bei Brennkraftmaschinen zur Erhöhung der Motorausgangsleistung verwendet. Da jedoch der Turbolader so gestaltet ist, daß er von den Auspuffgasen des Motors angetrieben wird, ist die Ansprechcharakteristik während des Niedriggeschwindigkeitsbetriebs des Motors gering. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde eine Turbi nenleitschaufelanordnung mit verstellbarem Winkel vorge schlagen, welche so betrieben wird, daß die Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradschaufeln während des Niedriggeschwindigkeits- bzw. Niedriglastbetriebs des Motors verringert wird, so daß dabei der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase, welche zu den Turbinen radschaufeln geliefert werden, erhöht werden. Andererseits wird die Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradschaufeln während des Hochgeschwindigkeits- bzw. Hochlastbetriebs des Motors erhöht, wobei die oben beschriebene Erhöhung des Drucks und der Geschwindigkeit der Auspuffgase verhindert wird.

Bekannte Turbolader mit der oben beschriebenen Anordnung sind in gewissem Umfang wirksam zur Erhöhung des Ausgangsdrehmo ments des Motors während eines konstanten Niedriggeschwindig keitsbetriebs des Motors. Dabei tritt jedoch noch die Schwie rigkeit einer niedrigen Ansprechcharakteristik auf, welche als Turbinennacheilung während des Niedriggeschwindigkeits- bzw. Niedriglastbetriebs des Motors bezeichnet wird. Da als Ergebnis der verringerten Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradschaufeln der Auspuffwiderstand auf den Motor erhöht wird, ergibt sich eine Verringerung der Durchspül wirkung, der Ladewirkung und damit der Motorausgangsleistung.

Gemäß der Erfindung wird ein neues und verbessertes Steuer system für einen Turbolader vorgesehen, der eine Turbinen leitschaufelanordnung mit verstellbarem Winkel aufweist. Das Steuersystem besitzt Mittel zur Erfassung des Drucks in einem Auspuffrohrteil stromaufwärts vom Turbolader und Mittel, welche auf den erfaßten Druck ansprechen zur Betätigung der Turbinenleitschaufelanordnung mit verstellbarem Winkel in der Weise, daß die Kopplung der Auspuffgase an die Turbinen radschaufeln des Turboladers in Abhängigkeit von dem Druck, welcher von den Detektormitteln erfaßt wird, geändert wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel enthält das Steuersystem ferner Mittel zur Erfassung der Drehzahl und der Belastung eines zugeordneten Motors. Die Betätigungseinrichtung kann dabei ferner auf die Motordrehzahl und die Motorbelastung an sprechen, welche durch die zweiten erwähnten Detektormittel erfaßt werden, so daß die Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradschaufeln geändert wird in Abhängigkeit von den Änderungen der Motordrehzahl und Motorbelastung, welche von den zweiten Detektormitteln erfaßt wird.

Durch den angegebenen Aufbau wird der oben beschriebene Nachteil wirkungsvoll vermieden, welcher die bekannte Ein richtung beeinträchtigt.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein neues und ver bessertes Steuersystem für einen Turbolader zu schaffen, wel cher eine im Winkel verstellbare Turbinenleitschaufelanord nung aufweist, wodurch die Ansprechcharakteristik eines zu geordneten Motors während des Niedriggeschwindigkeitsbetriebs verbessert wird, d. h. ein sogenanntes Turbinennacheilen während des Niedriggeschwindigkeitsbetriebs des Motors vermieden wird.

Weiterhin ist von Vorteil bei der Erfindung, daß durch das neue und verbesserte Steuersystem der zugeordnete Motor wirkungsvoller über den gesamten Bereich seiner Betriebsbe dingungen hin arbeiten kann.

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer schnittbildlicher Darstellung eine Brennkraftmaschine mit eingebautem Turbo ladersteuersystem als Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 1, jedoch für ein Turboladersteuersystem eines anderen Aus führungsbeispiels;

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Darstellung einer im Winkel verstellbaren Turbinenleitschaufelan ordnung einer Ausführungsform, welche bei den Steuersystemen der Fig. 1 und 2 verwendet werden kann und

Fig. 4 eine vergrößerte schematische Darstellung einer im Winkel verstellbaren Turbinenleitschaufelan ordnung einer anderen Ausführungsform zur Verwen dung in den Steuersystemen der Fig. 1 und 2.

Gemäß der Fig. 1 enthält ein Turboladersteuersystem bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Auspuffrohr 10 mit ei nem stromaufwärts liegenden Endteil 10 a zwischen einem Motor anpaßstück 12 und einem Turbolader 14. Ein Auspuffgasdruck rohr 16 ist vom stromaufwärts gerichteten Endteil 10 a des Auspuffrohrs abgezweigt. Eine Membraneinrichtung 18 ist in das Auspuffgasdruckrohr 16 eingebaut und in Wirkverbindung mit einer Turbinenleitschaufelanordnung 20 mit veränderbarem Winkel für die Betätigung einer Turbinenleitschaufel oder von Turbinenleitschaufeln in Abhängigkeit von der Änderung des Druckes im stromaufwärts gelegenen Endteil 10 a des Aus puffrohres.

Wie die Fig. 3 zeigt, kann die Turbinenleitschaufelanordnung 20 mit verstellbarem Winkel eine flügelförmige Turbinenleit schaufel 22 aufweisen, die einen Teil der inneren Umfangswand eines Turbinengehäuses 24 bildet, und um eine Schwenkachse 22 a verschwenkbar ist zur Steuerung des Stroms der Auspuff gase, die durch einen Einlaß in das Turbinengehäuse 24 kommen. Das heißt die Turbinenleitschaufel dient zur Steuerung der Kopplung der Auspuffgase an ein Turbinenrad 26, bzw. an dessen Schaufeln 26 a. Wie die Fig. 4 zeigt, kann die Tur binenleitschaufelanordnung 20 auch eine andere Ausführungs form besitzen. Diese Ausführungsform besitzt mehrere im Win kel verstellbare Turbinenleitschaufeln 28, die am Turbinen gehäuse 24 entlang und in der Nähe des äußeren Umfangs des Turbinenrades 26 angeordnet sind. Die Turbinenleitschaufeln 28 sind gemeinsam zwischen den in durchgezogenen Linien und den in strichlierten Linien dargestellten Stellungen schwenk bar. Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit der Auspuffgase, welche den Turbinenradschaufeln 26 a zugeleitet werden, er höht oder verringert werden. Auf diese Weise erzielt man eine Steuerung der Rotation des Turbinenrades 26.

Mit dem Turboladersteuersystem der Fig. 1 wird der Druck im stromaufwärts liegenden Endteil 10 a des Auspuffrohrs 10 zeitweise erhöht, wenn der Motor bei Niedriggeschwindigkeits betrieb beschleunigt wird. Die Membraneinrichtung 18 wird dann nach außen gedrückt, so daß die Turbinenleitschaufel 22 bzw. die Turbinenleitschaufeln 28, zu der Position bewegt werden, bei welcher die Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradschaufeln 26 a erhöht wird. Hieraus ergibt sich, daß der Druck in dem stromaufwärts gelegenen Endteil 10 a des Auspuffrohres verringert wird, so daß das Luft- Kraft stoffgemisch, welches dem Motor 12 zugeführt wird, erhöht wird.

In der Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt. Dieses besitzt einen Antriebsmotor 30 und eine Steuereinrichtung 32. Die Steuereinrichtung 32 er zeugt ein Steuersignal in Abhängigkeit von Signalen eines Motordrehzahlsensors 34 und eines Motorbelastungssensors 36. Der Antriebsmotor 30 ist in Betriebsverbindung mit der Membraneinrichtung 18 zur Änderung der Federeigenschaft der Membraneinrichtung 18 in Abhängigkeit von dem von der Steuereinrichtung 32 kommenden Signal. Auf diese Weise ist es möglich, die Turbinenleitschaufelanordnung 20 mit ver stellbarem Winkel noch gezielter und genauer zu steuern in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors 12.

Die Turbinenleitschaufelanordnung 20 mit verstellbarem Winkel kann noch auf andere Weise betätigt werden. Beispiels weise durch Verwendung eines Schrittmotors, der in Abhängig keit von Signalen gesteuert wird, die die Motordrehzahl, die Motorbelastung und den Auspuffgasdruck im Endteil 10 a des Auspuffrohres angeben. Bei dieser Ausführungsform wird der Auspuffgasdruck im Endteil 10 a des Auspuffrohres durch Verwendung eines Drucksensors, beispielsweise einem piezo elektrischen Sensor, Transistorsensor oder Dünnfilmsensor erfaßt.

Es wurden Versuche mit einem Fahrzeug durchgeführt, dessen Motor mit einem Turboladersteuersystem nach der Erfindung ausgestattet war (das Steuersystem ist geeignet zur Erhöhung der Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradschaufeln, wenn der Auspuffgasdruck im Rohrendteil 10 a höher als 10,5 kg/cm² ist). Bei Vollgasbeschleunigung des Fahrzeugs unter Verwendung des vierten Gangs wurde die Fahrzeugge schwindigkeit von 45 km/h auf 55 km/h erhöht. Bei diesen Versuchen hat sich herausgestellt, daß die Zeit, welche für die oben angegebene Beschleunigung benötigt wurde, von 3,0 sec auf 2,7 sec sich bei Anwendung der Erfindung ver ringern ließ.

Durch die Bezugsziffer 38 ist ein Abgasregelventil, durch die Bezugsziffer 40 ein Verdichterrad und durch die Be zugsziffer 42 eine Membraneinrichtung zur Betätigung des Abgasregelventils 38 bezeichnet.

Claims

1. Steuersystem für einen Turbolader, der eine Turbinenleit schaufelanordnung mit verstellbarem Winkel aufweist, gekennzeichnet durch

- Detektormittel (16) zur Erfassung des Druckes in einem stromaufwärts vom Turbolader (14) liegenden Rohrteil (10 a) eines Auspuffrohrs (10) und
- Betätigungsmittel (18), die auf den vom Detektormittel (16) erfaßten Druck ansprechen, zur Betätigung der Tur binenleitschaufelanordnung (20; 28) mit verstellbarem Win kel in der Weise, daß die Kopplung der Auspuffgase an Turbinenradschaufeln (26 a) des Turboladers (14) in Abhän gigkeit von der vom Detektormittel (16) erfaßten Druck änderung geändert ist.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Detektormittel (34; 36) zur Erfassung der Drehzahl und Belastung eines zugeordneten Motors vorgesehen sind, daß das Betätigungsmittel (18) ferner auf die von den zweiten Detektormitteln (34; 36) erfaßten Motordrehzahl und Motorbelastung in der Weise anspricht, daß die Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradblätter (26 a) in Abhängigkeit von der von den zweiten Detektormitteln (34; 36) erfaßten Änderung der Motordrehzahl und der Motorbelastung geändert ist.

3. Steuersystem nach Anspruch 1 für einen Turbolader einer Brennkraftmaschine mit einem Auspuffrohrteil zwischen einem Motorteil und dem Turbolader, gekennzeichnet durch

- ein den Auspuffgasdruck führendes Abzweigrohr am Aus puffrohrteil (10 a) als druckerfassendes Detektormittel (16)
- die Turbinenleitschaufelanordnung (20; 28) mit verstell barem Winkel zur Steuerung der Kopplung der Auspuffgase an den Turbinenrotorschaufeln (26 a) des Turboladers (14) und
- eine Membraneinrichtung in dem druckführenden Abzweigrohr (16) als Betätigungsmittel (18) für die Turbinenleit schaufelanordnung (20; 28) in der Weise, daß die Kopplung der Auspuffgase an die Turbinenradschaufeln (26 a) erhöht ist, wenn der Auspuffgasdruck in dem Auspuffrohrteil (10 a) steigt.

4. Steuersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Motordrehzahlsensor (34) zur Erfassung der Motordrehzahl und zur Erzeugung eines Signals der erfaßten Motordrehzahl, ein Motorbelastungssensor (36) zur Erfassung einer Motorbelastung und zur Erzeugung eines die erfaßte Motorbelastung wiedergebenden Signals, eine Steuereinrichtung (32), welche auf die vom Motordrehzahlsensor (34) und Motor belastungssensor (36) kommenden Signale zur Erzeugung eines Steuersignals anspricht, und ein Antriebsmotor (30), welcher auf das von der Steuereinrichtung (32) kommende Steuersignal zur Änderung der Arbeitscharakteristik der Membrananordnung (18) anspricht, vorgesehen sind.

5. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenleitschaufelanordnung (20) mit verstellbarem Winkel eine flügelähnliche Leitschaufel (22) aufweist, die einen Teil der inneren Umfangswand eines Turbinengehäuses (24) bildet und um eine Schwenkachse (22), betätigt durch die Membrananordnung (18) schwenkbar ist.

6. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenleitschaufelanordnung mit verstellbarem Winkel mehrere Leitschaufeln (28) aufweist, die mit einstellbaren Winkeln entlang einem Turbinengehäuse und in der Nähe des äußeren Umfangs eines Turbinenrades (26) angeordnet sind und gemeinsam durch die Membraneinrichtung (18) betätigt sind.