NO315818B1 - Elektronisk turboladerstyresystem - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et turboladerstyresystem til maksimering av en turboladers og en forbrenningsmotors virkningsgrad.

En turbolader omfatter en kompressor og en turbin. Turbinen driver kompressoren med eksosenergi frembrakt av forbrenningsmotoren. Motoreksosen driver et turbinhjul i turboladerens turbin og slippes ut gjennom et eksossystem. Turbinhjulet driver en aksel forbundet med et kompressorhjul i kompressoren som komprimerer inntaksluft med opprinnelig atmosfærisk trykk, og typisk fører den via en mellomkjøler og over en strupeventil og inn i en motors inntaksmanifold. Det har lenge vært et uløst problem å kontrollere turboladerens ytelse for å oppnå ønsket motordrift. For høy ytelse kan skape ujevn motorgange og forårsake varig skade på motorkomponentene. For lav ytelse medfører motorfusk, tap av kraft og ineffektiv drift. 1 tillegg påvirker endringer i atmosfærisk trykk, omgivelsestemperatur og motorhastighet turboladerens totale virkningsgrad, hvilket direkte påvirker motorens oppførsel, kraftytelse og drivstofføkonomi.

Forut for den herværende oppfinnelse benyttet noen turboladersystemer en omløpsventil forbundet med kompressoruttaket for å avlaste overtrykk. Typisk registrerte omløpsventilen i disse tidligere kjente systemer differensialtrykket mellom kompressoruttaket og inntaksmanifolden, det vil si trykkforskjellen over strupeventilen, og åpnet omløpsventilen for å slippe ut trykket ved en gitt terskel, og omløpsventilen forble åpen til trykket sank til under terskelnivået. Andre systemer benyttet en overløpsventil mellom utløpsmanifolduttaket og eksossystemet for å regulere turboladeren ved å avlede motoreksosenergi fra turbinen. Dette tidligere systems overløpsventil ble utløst av en ventiltype som registrerte kompressorutblåsningstrykket. Da disse systemer arbeidet uavhengig av hverandre, og begge ble enten åpnet eller stengt avhengig av kompressorutblåsningstrykket, hadde turboladeren et meget lite, effektivt virkeområde. Området var så lite at det var nødvendig å bruke ulike turboladerdeler, det vil si turbin- og kompressorhjul, for forskjellige arbeidshøyder og forskjellige motorutforminger.

Siden turboladerens kompressor- og turbinhjul er dimensjonert ikke bare etter høyde, men også for å oppnå en nominell hestekraft ved en ønsket hastighet for hver enkelt motor, ville kraft- og dreiemomentytelsen fra en motor synke dramatisk når motoren ble kjørt ved lavere hastighet enn den nominelle, eller i en annen høyde, da de trykkregistrerende ventiler bare ville være avhengige av kompressorutblåsningstrykket og ville utløses uavhengig av motorhastighet. For eksempel, en motor, klassifisert til 13,1 bar midlere bremseeffektivt trykk [BMEP (braking mean effective pressure)] ved 1 000 omdreininger per minutt ville ha vanskeligheter med å yte 13,1 bar midlere bremseeffektivt trykk ved 700 omdreininger per minutt på grunn av turboladerens reduserte ytelse forårsaket av den synkende hastighet, og på grunn av de mekaniske trykkregistrerende og utløsende ventiler som tidligere ble benyttet.

Typisk er store industrielle forbrenningsmotorer i drift over lange perioder og i stand til å generere tusenvis av hestekrefter. Disse motorer er utformet til a virke ved 10 % over nominell belastning i perioder, og blir benyttet til å generere elektrisk kraft, til å pumpe naturgass og olje, til kraftforsyning for store skip og offshore brønnboringsoperasjoner og så videre. Ved slik bruk er det ønskelig å produsere maksimal kraft og/eller opprettholde maksimalt dreiemoment ved lavere motorhastigheter. Siden de tidligere styresystemer for turbo!adere imidlertid bare var en funksjon av kompressorutblåsningstrykket, ville de mekaniske ventiler utløse trykk uavhengig av motorens hastighet og således uavhengig av motorens behov. Under slike omstendigheter, når motorhastigheten er redusert, men belastningen er opprettholdt, krever motoren tilnærmet konstant inntaksmanifoldtrykk for å opprettholde dreiemomentytelscn. Under disse forhold ville det være ønskelig å justere omløpsventilen for å endre den totale masseluftstrøm, og å justere overløpsventilen for a dirigere mer motoreksos til turboladeren for å opprette tilnærmet konstant inntaksmanifoldtrykk, slik at kompressoren virker mer effektivt ved disse hastighets- og belastningsforhold.

Den herværende oppfinnelse gir en enkel og effektiv fremgangsmåte og et enkelt og effektivt system for opprettholdelse av motorens dreiemomentytelse ved hastigheter lavere enn den nominelle og ved varierende omgivelsestemperatur og barometertrykk ved å stabilisere turboladerytelsen innenfor et forhåndsbestemt område for effektiv drift.

Et annet formål med den herværende oppfinnelse er å fremskaffe et elektronisk turboladerstyresystem som innbefatter en overløpsventil og en omløpsventil som eliminerer behovet for å tilpasse individuelle kompressor- og turbinhjul i en turbolader for hver enkelt motorutforming og hvert enkelt anvendelsesområde. Denne spesielle side ved oppfinnelsen gjør det mulig for en produsent å benytte ett sett turboladerdeler til bruk i forskjellige -motorer. Forut for den herværende oppfinnelse krevdes det for eksempel så mange som 13 forskjellige turboladerhjul for å få tilfredsstillende dekning for høyder innenfor et område av 0 - 2 100 meter over havet. Med den herværende oppfinnelse kan ett sett turboladerdeler benyttes for alle høyder innenfor dette ønskede område. Ytterligere økonomisk fordel oppnås ikke bare ved de lave kostnader for den elektroniske styring i forhold til de høye kostnader for kompressor og turbinhjul, men også ved eliminasjonen av varelager og behovet for spesialhjul til spesielle anvendelser. Det vil også være mye lettere å gjøre kundene fornøyde, da man har eliminert den lange bestillingstiden for erstatningskomponenter.

En annen side ved oppfinnelsen er å gi konstant dreiemoment ved ulike motorhastigheter, noe som gjør det mulig for en operatør å oppnå tilleggsbelastning ved lavere motorhastighet for bedret drivstofføkonomi.

En annen side ved oppfinnelsen er å gi maksimal kraft for en rekke motorhastigheter samtidig som turboladeren holdes innenfor sitt mest effektive virkeområde.

Enda en annen side ved oppfinnelsen er å fremskaffe et styresystem som holder turboladereffekten innenfor et ønsket område for trykkforhold mot masseluftstrømverdiene.

På tegningen viser figur 1 en skjematisk illustrasjon av et system ifølge oppfinnelsen, figur 2 viser en skjematisk illustrasjon av et styresystem ifølge oppfinnelsen, figur 3 viser en typisk grafisk fremstilling av forholdet mellom kompressorutblåsningstrykk delt på barometertrykk og en turboladerkompressors masseluftstrøm, figur 4 viser en typisk grafisk fremstilling av omløpsventilens stilling mot inntaksmanifoldtrykk, figur 5 viser en typisk grafisk fremstilling av overløps-ventilens stilling mot inntaksmanifoldtrykk, og figur 6 viser en typisk grafisk fremstilling av strupevinkelstilling mot midlere bremseeffektivt trykk.

Som vist på figur 1 og ifølge den herværende oppfinnelse, innbefatter en motor 10 en inntaksmanifold 12 og en utløpsmanifold 14 funksjonsmessig tilknyttet en turbolader 16. Turboladeren 16 innbefatter en kompressor 18 og en turbin 20. Kompressorens 18 inntak er forbundet med en luftrenser (ikke vist) med luftinntakskanal 28. Luftrenseren filtrerer inntaksluft fra atmosfærisk trykk/barometertrykk som tas inn i kompressoren 18 via luftinntakskanal 28 under delvis vakuum skapt av et kompressorhjul 30 i kompressoren 18. Kompressorhjulet 30 blir drevet av en aksel 32 som blir drevet av et turbinhjul 34 i turbinen 20. Turbinhjulet 34 blir drevet av motoreksos tilført turbinen 20 via en motoreksoskanal 36 som er forbundet med motorens 10 utløpsmanifold 14.

Uttaket fra kompressoren 18 er forbundet med en mellomkjøler 22 via en kompressorutblåsningskanal 24. Kompressorhjulet 30 komprimerer inntaksluft og presser den gjennom kompressorutblåsningskanalen 24 til mellomkjøleren 22 som fungerer som en varmeveksler som fjerner overskuddsvarme fra den turboladede inntaksluft slik det er alminnelig kjent. Turboladet inntaksluft blir så kanalisert til en strupeventil 38, inntaksmanifolden 12 og til motoren 10. Strupeventilen 38 skaper en trykkforskjell avhengig av dens posisjon, slik at lufttrykket inn i strupeventilen er som kompressorutblåsningstrykket, og lufttrykket ut av strupeventilen er som inntaksmanifoldtrykket.

En omløpsventil 40 i en omløpskanal 42 forbinder utblåsningskanalen 24 for kompressoren og motoreksoskanalen 36 for på en funksjonell måte å avlaste trykket i kompressorutblåsningskanalen 24 og øke luftstrømmen gjennom kompressoren 18 ved å regulere luftstrømmen gjennom omløpskanalen 42. En overløpsventil 44 i en utblås-ningskanal 45 forbinder motoreksoskanalen 36 og en eksosutblåsningskanal 46 for på funksjonsmessig måte å avlede motoreksosen i eksoskanalen 36, og således redusere masseluftstrømmen til turbinen 20, hvilket reduserer kompressorutblåsningstrykket fremkalt av kompressoren 18, ved at mengden motoreksos gjennom utløpskanalen 45 reguleres.

En turboladerstyringsmodul 48, figur 2, innbefatter en prosessor 50 og et minne 52. 1 den foretrukne utførelse er minnet 52 et elektrisk slettbart, programmerbart leseminne (EEPROM) i hvilket de innprogrammerte parametere kan endres og justeres på stedet. Turboladerstyringsmodulen 48 har flere signalinntak for motorkarakteristika, nemlig inntaksmanifoldtrykksignal 54, motorhastighetsignal 56 og omgivelsestemperatursignal 58. Signalene fremstilles av flere motorkarakteristikkmonitorer, nemlig inntaksmanifoldtrykkmonitor 60 som registrerer motorbelasrning, motorhastighetmonitor 62 som registrerer motorhastighet, og omgivelsestempera-turmonitor 64 som registrerer utvendig temperatur. Signalene 54, 56 og 58 er inngangsdata til modulen 48 i analog form og omformet til digital form av en analog-digital (A/D) omformer 51. Turboladerstyringsmodulens 48 prosessor 50 behandler karakteristikksignalene ved å velge forhåndsbestemte verdier fra minnet 52 for omløpsstyringssignalet 66 og overløpsstyirngssignalet 68 basert på verdiene i karakteristikksignalene og et forhåndsprogrammert barometertrykk. En digital-analog (D/A) omformer 53 omformer digitalsignalene dannet av prosessoren 50 til de analoge signaler 66 og 68 inne i modulen 48.

En omløpsstyringsaktuator 70 registrerer omløpsstyringsignal 66 og svarer med å rotere en aksel 72 som endrer omløpsventilens 40 vinkelstilling. På lignende måte registrerer en overløpsstyirngsaktuator 74 overløpsstyringssignal 68 og roterer en aksel 76 for å endre overløpsventilens 44 vinkelstilling. Omløpsstyringsaktuatoren 70 og overløpsstyringsaktuatoren 74 er elektromekaniske styringer som innbefatter en like-strømsmotor og et tannhjulsett (ikke vist) som er alminnelig kjent. Aktuatorene 70 og 74 innbefatter et potensiometer (ikke vist) hver for registrering av akslenes 72 og 74 stilling og for danning av omløpsstilling-tilbakemeldingssignal 78 henholdsvis et overløpsstilling-tilbakemeldingssignal 80. Turboladerstyringsmodulen 48 registrerer tilbakemeldingssignalene 78 og 80, omformer de analoge signaler til digitalsignaler i A/D-omformeren 51, sammenligner de digitale signaler med de forhåndsbestemte ønskede innstillinger av omløpsventilen 40 og overløpsventilen 44, danner reviderte styringssignaler, omformer de digitale signaler til analoge signaler i D/A-omformeren 53 og svarer med et korrekt omløpsstyringssignal 66 og overløpsstyringssignal 68 for å stille omløpsventilen 40 og overløpsventilen 44 i ønsket posisjon.

Turboladerstyirngsmodulens 48 minne 52 er forhåndsprogrammert med sett av forhåndsbestemte parametere som avspeiler de ønskede innstillinger for omløpsventilen 40 og overløpsventilen 44. Hvert parametersett er basert på motorkarakteristikksignalene 54, 46, 58 og et barometertrykk for driften av systemet bestemt for en gitt høyde. Den herværende utførelse benytter tre sett av parametere basert på høyden, ett for 0 - 900 m, ett for 900 - 1 500 m og ett for 1 500 - 2 000 m, men det er innenfor oppfinnelsens ramme å endre antall sett samt spennet for hvert sett. RS-232 port 82 tjener som inngangsport for tilkopling av en datamaskin til turboladerstyringsmodulen 48, hvilket er kjent for åpnings- og omprogrammering og for feilsøking i modulen.

Turboladerstyresystemet i den herværende oppfinnelse blir benyttet for store, industrielle forbrenningsmotorer som typisk blir installert på stasjonære, ikke mobile installasjonssteder. Under den innledende fabrikkoppføring blir derfor barometertrykket kalibrert på absolutt basis, og når så senere installasjonsstedets høyde over havet er fastslått, blir turboladerstyringsmodulen programmert via RS-232 port 82 fra en barometertrykkmonitor 100 til programprosessoren 50 for valg av det riktige sett av forhåndsprogrammerte parametere fra minnet 52, som svarer til barometertrykket i omgivelsene motoren arbeider i. På denne måte kan turbolader 16, figur 1, styres til å arbeide innenfor de foretrukne driftsrammer som vist på figur 3 som nyreformede kurver 102, 104, 106 og 108, også kjent som effektivitetsøyer. Figur 3 viser forholdet kompressorutblåsningstrykk delt på barometertrykk mot masseluftstrøm gjennom turboladerkompressoren. Optimal turboladerkompressorytelse oppnås når masseluftstrøm og trykkforhold ligger i midten av effektivitetsøyene 102, 104, 106 og 108. Ved testing med forskjellige motorhastigheter og belastninger, fant man ut at åpning av overløpsventilen 44, figur 1, senker den vertikale akses trykkforhold, vist med overløpslinjer 110, figur 3, mens åpning av omløpsventilen 40, figur 1, øker den horison-tale akses masseluftstrøm, men kan også endre den vertikale akses trykkforhold, vist med omløpskurve 112, figur 3. Ved å teste systemet med forskjellige motorhastigheter og belastninger, kan det bli fastslått en optimal vinkelposisjon for overløpsventilen 44, figur 1, og en optimal vinkelposisjon for omløpsventilen 40 for a styre kompressorutblåsningstrykk og masseluftstrøm innenfor effektivitetsøyene 102, 104, 106 og 108, figur 3. Prosessoren 50, figur 2, i turboladerstyringsmodulen 48 behandler den digitale form av inntaksmanifoldtrykksignalet 54, motorhastighetsignalet 56 og omgivelsestemperatursignalet 58, og da den er forhåndsprogrammert for barometertrykket i det operative systems omgivelser, søker den i en oppslagstabell i minnet 52, og danner omløpsstyringsrsignal 66 og overløpsventilstyringssignal 68, som tidligere beskrevet, som uavhengig styrer omløpsventilen 40 og overløpsventilen 44 til ønskede posisjoner for å holde driften innenfor effektivitetsøyene 102, 104, 106 og 108, figur 3.

Omløpsventilen 40, figur 1, utfører to funksjoner. For det første, siden motoreksostrykket i motoreksoskanalen 36 er høyere enn kompressorutblåsningstrykket i kanalen 24 under oppstarting av motoren, er omløpsventilen 40 stengt for å hindre at motoreksos passerer inn i kompressorutblåsningskanalen 24. For det andre, regulerer omløpsventilen 40 kompressorutblåsningstrykket og masseluftstrømmen straks motoren går med laveste tomgangshastighet, typisk 650 til 750 omdreininger per minutt. Straks minimum motoromdreiningshastighet er nådd, blir omløpsventilen 40 regulert gjennom en rekke effektive omløpsventilvinkler. Selv om testing ble utført innenfor et område fra 0° til 80° i figur 3, viser figur 4 at de effektive vinkler ligger mellom 0° og 40°. Figur 4 er en typisk grafisk fremstilling av omløpsventilvinkel i forhold til inntaksmanifoldtrykket ved forskjellige motorhastigheter. Som vist, holdes omløpsventilen 40, figur 1, stengt til et minimum-inntaksmanifoldtrykk er oppnådd. Straks minimum-inntaksmanifoldtrykket er nådd, i dette tilfelle 762 mm kvikksølv, stilles omløpsventilen 40 i en forhåndsbestemt vinkel avhengig av motorkarakteristikksignalene.

På lignende måte som omløpsventilen 40 ble overløpsventilen 44 også testet for et område fra 00 til 800 på figur 3; figur 5 viser imidlertid at de effektive vinkler er mellom 00 og 350. Figur 5 er en typisk grafisk fremstilling av overløpsventilvinkel mot inntaksmanifoldtrykk ved forskjellige motorhastigheter. Når overløpsventilen 44, figur 1, er stengt, bevirker den at nesten all motoreksos passerer inn i turbinen 20 og ut eksosutblåsningskanalen 46. overløpsventilen 44 er stengt for eksempel når oppstarting av motoren innledes, for å styre hele motoreksosen gjennom turbinen 20 til drift av turbinhjulet 34 som driver akselen 32 og kompressorhjulet 30 til inntaksmanifoldtrykket når et minimumsnivå som angitt ved et trykkforhold mellom 1.25 og 1.4, figur 3. Typisk effektive innstillinger av overløps ventil vinkelen er vist på figur 5 for motorhastigheter i området fra 750 til 1 100 omdreininger per minutt ved en høyde på eksempelvis 230 m over havet og en omgivelsestemperatur på 32,2 °C. Figur 5 viser hvordan oppfinnelsen oppnår det ønskede, konstante inntaksmanifoldtrykk når motorhastigheten synker, ved å forandre overlaupsventilvinkelen, hvilket resulterer i et nærmest konstant inntaksmanifoldtrykk som vist for eksempel med datapunkter 122, 124, 126, 128, 130 og 132. Ved opprettholdelse av stort sett konstant inntaksmanifoldtrykk, som angitt, oppnås stort sett konstant momentytelse. Funksjonsmessig virker overløpsventilen 44, figur 1, for å avlede økningene i motoreksosen til eksosutblåsningskanalen 46 og bort fra turbinen 20 med økende overløpsventilvinkel som vist i figur 5, hvilket derved begrenser hastigheten av turbinhjulet 34, akselen 32 og kompressorhjulet 30, figur 1, for kontroll av kompressorutblåsningstrykket, som vist med overløpslinjene 110, figur 3.

Vinklene for omløpsventilen 40 vist på figur 4, og overløpsventilen 44 vist på figur 5, er bare illustrerende og kan variere avhengig av systemets oppbygning. For eksempel vil en åpning 41, 43, figur 1, anbrakt i omløpskanalen 42 og/eller overløpskanalen 45 frembringe et større område med effektive vinkler for overløps-og/eller omløpsventilen og således redusere feil som resultat av mekaniske leddtilkoplingstoleranser. Ved å benytte åpninger av ulike størrelser blir det videre mulig å benytte samme overløps og/eller omløpsventil til forskjellige motorer og anvendelsesområder, og således også redusere varelageret og eliminere lang bestillingstid for erstatningsdeler.

Åpning av omløpsventilen 40, figur 1, øker masseluftstrømmen gjennom turboladerens 16 kompressor 18, som vist med omløpskurvene 112, figur 3, ved at det

frembringes en tilleggsgate for kompressorluftstrøm til dirigering av luftstrømmen inn i motoreksoskanalen 36, figur 1. Åpning av overløpsventilen 44 minsker inntaks-kompressorens utblåsningstrykk ved at motoreksos blir avledet bort fra turbinen 20 og blir ledet direkte til eksosutblåsningskanalen 46. Som vist på figur 3 og beskrevet tidligere, kan turboladeren 16 ved å justere vinkelposisjonen for omløpsventilen 40, figur 1, og overløpsventilen 44 samtidig, styres til å virke innenfor de nyreformede effektivitetsøyer 102, 104, 106 og 108, figur 3.

Effektivitetsøyene 102, 104, 106 og 108 er alminnelige karaktertrekk ved sentrifugalkompressorer - den type som benyttes i turboladere - ved hvilke drift innenfor midten av øyene gir maksimal kompressoreffekt. Det er også kjent at drift i nærheten av støtlinjen 84, figur 3, kan skape trykkbølger mellom turboladeren 16, figur 1, og motoren 10 som fører til ujevn drift som kan forårsake skade på motoren. Det er derfor lagt inn en liten sikkerhetsfaktor i de forhåndsbestemte parametere, slik at driften skal ligge litt til høyre for midten av øyene 102, 104, 106 og 108, figur 3.

I motorutforminger med to rekker (dvs. V-6, V-8, V-10, V-12, V-16) kan det benyttes to turboladere 16, figur 1, for å forsyne motoren 10 med turboladet luft gjennom mellomkjøleren 22. Ved en slik anordning kan det benyttes en større omløpsventil 40 og overløpsventil 44. 1 den herværende oppfinnelse er imidlertid to omløpsventiler 40 og to overløpsventiler 44 arrangert som på figur 1 og blir ført sammen ved mellom kjøleren 22. En enkel styringsmodul 48, figur 2, virker som tidligere beskrevet, og kontrollerer begge omløpsventiler 40 med en enkel omløpsstyringsaktuator 70 og begge overløpsventiler 44 med en enkel omløpsstyringsaktuator 74. Systemet med flere turboladere virker på samme måte som systemet med én turbolader med unntak av samme måte at det må tas hensyn til de mekaniske toleranser mellom de to kompressorhjul og de to turbinhjul. For å kompensere for slike tilleggstoleranser foretrekkes det å drive turboladerne lengre til høyre for midten av effektivitetsøyene 102, 104, 106 og 108, figur 3, for å unngå å presse mot støtlinjen 84, men likevel ligge innenfor en øy til enhver tid.

Forflytningen mot høyre i effektivitetsøyene 102, 104, 106 og 108, figur 3, oppnås ved å øke masseluftstrømmen gjennom kompressoren 18, figur 1, ved en liten økning i omløpsventilens 40 åpningsvinkel, som vist med omløpskurvene 112, figur 3. Den lille økning i masseluftstrøm gjennom de doble turboladere forskyver eventuelle toleranser som skyldes misforhold mellom kompressorhjulene og/eller turbinhjulene i de doble turboladere ved å holde en sikker avstand til støtlinjen 84, men likevel holde driften innenfor effektivitetsøyene. Under noen forhold fører økningen i luftstrømmen til et tap av kompressorutladningstrykk som vist med omløpskurvene 112, figur 3. Dette trykktap blir kompensert ved en reduksjon i åpningsvinkelen for overløpsventilen 44, figur 1. Med andre ord vil en reduksjon av eksosstrømmen gjennom overløpsventilen 44 øke kompressorutblåsningstrykket for å kompensere for det trykktap som er forbundet med en ytterligere åpning av omløpsventilen 40.

En viktig betingelse ved forbrenningsmotorer med forgasser er å opprettholde en trykkreserve over strupeventilen 38, figur 1. Trykkreserven kan fastslås ved å registrere trykket på begge sider av strupeventilen 38 og subtrahere de to registrerte trykk for å fastsette en AT som betegner trykkreserven. Trykkreserven AT gjør det mulig for motoren 10 å akseptere større belastninger ved konstant hastighet eller akselerere ved konstant belastning ved åpning av strupeventilen 38 uten fusking på grunn av manglende inntaksmanifoldtrykk. For å oppnå optimal motoreffekt er det imidlertid ønskelig å holde strupeventilen 38 i åpen stilling for å unngå blokkering av energi i form av luftstrøm inn i motoren. Størrelsen på trykkreserven AT over strupeventilen 38 kan reguleres ved å styre størrelsen på kompressorutblåsningstrykket fra kompressoren 18. Dette lar seg gjøre ved å justere overløpsventilen 44 for å regulere mengden motoreksos gjennom turbinen 20 som styrer kompressorens 18 ytelse. Ved å kontrollere hastigheten på masselutfstrømmen gjennom kompressoren 30 kan strupeventilen 38 åpnes til en større vinkel, for således å oppnå større motoreffekt ved å redusere eksosmottrykket forbundet med det økte kompressorutløpstrykk, men likevel beholde tilstrekkelig trykkreserve AT til å akselerere eller akseptere tilleggsmotorbelastning uten å fuske. Denne økning i strupevinkel reduserer også energitapet over strupeventilen og øker således motoreffekten.

Et annet vanlig problem med turboladede motorer som overvinnes med den herværende oppfinnelse, er at den typiske ikke-lineære strupevinkelprofilkurve 114, figur 6. som er mest fremtredende i kalde klimaer, nå er mer lineær, vist som kurve 116, hvilket gir bedret strupekontroll. Figur 6 viser den grafiske fremstilling av strupevinkelen mot midlere bremseeffektivt trykk ved en motorhastighet på eksempelvis 1000 omdreininger per minutt. Før den herværende oppfinnelse må strupevinkelen øke raskt når motoren påføres økende belastning, for eksempel 0 til 14,48 bar midlere bremseeffektivt trykk, som vist på figur 6, for å kompensere for turboladerforsinkelsen, som er en iboende egenskap ved turboladede motorer, men straks turboladeren frembringer tilstrekkelig kompressorutblåsningstrykk, må strupevinkelen reduseres raskt for derved å skape et vendepunkt 118, figur 6. De hurtige forandringer i strupevinkelen var påkrevd for å opprettholde konstant motoromdreiningshastighet ved det stigende kompressorutblåsningstrykk. Straks kompressorytelsen flater ut, må strupevinkelen reduseres for å kompensere for det økte kompressorutblåsningstrykk til belastningsøkningen overvinner økningen i turboladerytelsen på hvilket stadium strupevinkelen igjen må økes for å opprettholde motorens hastighet. Denne uregelmessige ikke-lineære strupevinkelkurve 114 har imidlertid vært ytterst vanskelig å utføre med nøyaktighet. Strupevinkelen er styrt ved hjelp av en regulator (ikke vist), og i praksis resulterer kompenseringen for turboladerytelsen med strupevinkelen i ujevne motorhastigheter og bølger som er ineffektive og ikke ønskelige.

Et formål med den herværende oppfinnelse var å fremskaffe stabil drift ved å skape en mer lineær kurve for strupevinkel mot belastning ved samtidig å styre om-løpsventilens 40, figur 1, og overløpsventilens 44 funksjon. Strupevinkelkurven 116, figur 6, er nå mer lineær ved justering av omløpsventilen 40, figur 1. Eksempelvise omløpsventil vinkler (OV) er vist ved testpunktene 120, figur 6 - for eksempel, for å oppnå strupevinkelkurve 116 og trekke en belastning (midlere bremseeffektivt trykk) på 8,62 bar, vil en omløpsventilvinkel på 40° (40° OV) gi en strupevinkel på omtrent 42°, og med en belastning på 12,07 bar vil en omløpsventilvinkel på 30° (30° OV) gi en strupevinkel på omtrent 46°. Imidlertid blir et biprodukt av justeringen av omløpsventilen 40 en tilsvarende forandring i trykkreserven AT over strupeventilen 38, figur 1. Justering av overløpsventilen 44, som tidligere fremholdt, gir adekvat trykkreserve AT som vist i figur 6. For hvert tesrpunkt 120 er størrelsen på trykkreserven AT vist i millimeter kvikksølv. Under forhold med mindre motorbelastning trengs det større verdier av trykkreserve AT for å muliggjøre aksept av tilleggsbelastning uten fusk. Åpning av overløpsventilen 44 resulterer i redusert trykkreserve AT. i øvre belastningsende av figur 6 foretrekkes en avtagende reserve AT, for i dette tilfelle har motoren den belastningskapasitet den er innstilt for, eller er like i nærheten av denne, og liten ekstrabelastning ville bli akseptert, og det behøves derfor mindre trykkreserve for å opprettholde tilstrekkelig kontroll med motoren, og en lavere reserve AT gir mer effektiv drift som før beskrevet. For eksempel, med en motor regulert til 13,1 bar midlere bremseeffektivt trykk, som tilfellet er i figur 6, kreves en trykkreserve AT på omtrent 304,8 - 355,6 mm kvikksølv ved 8,62 bar midlere bremseeffektivt trykk, mens 127 - 177,8 mm kvikksølv er tilstrekkelig ved 14,48 bar midlere bremseeffektivt trykk. Lignende resultater kan oppnås ved forskjellige motorhastigheter, omgivelsestemperaturer og barometertrykk.

Som vist i figur 5, når motorhastigheten er redusert ved konstant belastning (det vil si konstant inntaksmanifoldtrykk), blir overløpsventilvinkelen redusert, hvilket øker strupereserven AT og gir mer dreiemoment fra motoren med lavere hastighet enn med tidligere hastighetsufølsomme systemer som ville miste inntaksmanifoldtrykk ved lavere hastigheter, noe som ville resultere i redusert dreiemomentytelse. Figur 5 avdekker effektive overløpsvinkler for hver enkelt motorhastighet for oppnåelse av ønsket inntaksmanifoldtrykk og trykkreserve AT.

Det erkjennes at forskjellige ekvivalenter, alternativer og modifiseringer er mulige innenfor rammen av de vedheftede krav.

Claims (24)

1. Elektronisk turboladerstyresystem for en forbrenningsmotor, særlig for en stasjonær motor, som har i det minste én turbolader (16) som er forbundet med motoren (10) og en turbin (20) og en kompressor (18), karakterisert ved at systemet omfatter i det minste én motorkarakteirstikkmonitor (60, 62, 64); et motorkarakteristikksignal (54, 56, 58) dannet av monitoren (60, 62, 64); en elektronisk styring (48) for behandling av karakteristikksignalet; et styringssignal (66, 68) dannet av en elektronisk styringsenhet (48, 50) som svar på karakteristikksignalet (54, 56, 58); en omløpsventil (40) anordnet mellom kompressoren (18) og turbinen (20) for endring av luftstrømmen gjennom kompressoren (18) som svar på styringssignalet (66, 68); og en overløpsventil (44) anordnet mellom motoren (10) og turbinen (20) for å lede eksos (46) fra motoren bort fra turbinen (20) som svar på styringssignalet (66, 68), hvor turboladerens (16) drift fremstiles grafisk på et kart over kompressorutløpstrykk delt på barometertrykk mot turboladerluftstrøm der kartet omfatter effektivitetsøyer (102, 104, 106, 108), og den elektroniske styring (48) holder turboladerens drift innenfor effektivitetsøyene (102, 104, 106, 108) ved å styre omløpsventilen (40) og overløpsventilen (44).

2. Styresystem ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter en omløpsstyringsaktuator (70) til dannelse av svarsignal (78) som angir omløpsventilens (40) stilling, hvor den elektroniske styringen (48) mottar svarsignalet (78) og overvåker omløpsventilens (40) stilling.

3. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at det omfatter en flerhet av motorkarakteristikkmonitorer (60, 62, 64) for avføling av i det minste motorhastighet (62) og inntaksmanifoldtrykk (60), hvor hver motorkarakteirstikkmonitor (60, 62, 64) frembringer et motorkarakteristikksignal (54, 56, 58) som svar på avfølingen.

4. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at den elektroniske styring (48) omfatter et minne (52) programmert med forhåndsbestemte parametere, hvor den elektroniske styring (48) velger ut en forhåndsbestemt parameter fra minnet (52) og frembringer styringssignalet (68, 66) basert på motorkarakteristikksignalene (54, 56, 58).

5. Styresystem ifølge krav 4, karakterisert ved at minnet (52) omfatter sett av forhåndsbestemte parametere der hvert sett er basert på barometertrykk, og den elektroniske styring (48) er forhåndsprogrammert til å velge det riktige sett av forhåndsbestemte parametere til et gitt barometertrykk.

6. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at overløpsventilen (44) dirigerer i det minste en del av motoreksosen (36) inn i turbinen (20).

7. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at den elektroniske styring (48) styrer motoreksosstrømmen slik at en del av motoreksosen (36) blir ledet inn i turbinen (20), og en del av motoreksosen (46) blir ledet bort fra turbinen (20).

8. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at det videre omfatter en overløpsstyirngsaktuator (74) til frembringelse av et svarsignal (80) som angir overløpsventilens (44) stilling, hvor den elektroniske styring (48) mottar svarsignalet (80) og overvåker overløpsventilens (44) stilling.

9. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at motorkarakteris-tikkmonitoren eller én motorkarakteristikkmonitor (62) avføler motorens (10) hastighet.

10. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at motorkarakteris-tikkmonitoren eller én motorkarakteristikkmonitor (60) bestemmer motorbelastningen.

11 .Styresystem ifølge krav 10, karakterisert ved at hver monitor (60) for motorkarakteristikk avføler inntaksmanifoldtrykket for å bestemme motorbelastningen.

12. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at motorkarakteris-tikkmonitoren eller én motorkarakteristikkmonitor (64) avføler omgivelsestemperaturen.

13. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at det videre omfatter en barometertrykkføler (100), og den elektroniske styring (48) reagerer på en motorhastighetsføler (62), en motorinntaksmanifoldtrykkføler (60) og barometertrykkfø-leren (100) for å styre omløpsventilen (40) og overløpsventilen (44).

14. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at det videre om-fatteren motorinntaksstrupeventil (38) som er anordnet mellom kompressoren (18) og motoren (10), og som har en strupevinkel for varierbar styring av motorens inntaksluft, hvor strupevinkel mot motorbelastning kan fremstilles grafisk, og hvor den elektroniske styring (48) sørger for en i det vesentlige lineær graf for endringen i strupevinkelen etter hvert som motorbelastningen endres, ved a styre omløpsventilen (40) og overløpsventilen (44).

15. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at den elektroniske styring (48) innbefatter en prosessor (50) og et minne (52), hvor minnet (52) er programmert med forhåndsbestemte parametere, og hvor prosessoren (50) velger en forhåndsbestemt parameter fra minnet (52) for å styre omløpsventilen (40) og overløpsventilen (44) i kombinasjon.

16. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at turboladeren (16) har en foretrukket driftsramme basert på motorhastighet (56), barometertrykk og inntaksmanifoldtrykk (54).

17. Styresystem ifølge krav 16, karakterisert ved at den elektroniske styring (48) holder turboladerens (16) drift innenfor den foretrukne driftsramme ved å regulere omløpsventilen (40) og overløpsventilen (44).

18. Styresystem ifølge foregående krav, karakterisert ved at det videre omfatter en omløpskanal (42) som har omløpsventilen (40) og en åpning (43) i denne samt en overløpskanal (45) som har overløpsventilen (44) og en åpning (41) i denne.

19. Fremgangsmåte for å styre driften av en turbolader (16) på en forbrenningsmotor (10) ved bruk av styresystemet ifølge krav 1, særlig for en stasjonær motor, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn registrering av barometertrykk (82, 100); registrering av inntaksmanifoldtrykk (54, 60); registrering av motorhastighet (56, 52); bestemmelse av foretrukket turboladerytelse basert på inntaksmanifoldtrykket (54, 60), motorhastigheten (54, 60) og barometertrykket (82, 100); regulering av turboladerens (16) ytelse som svar på den foretrukne turboladerytelse, og regulering av motoreksos (36) til turboladeren (16) den foretrukne turboladerytelse, som svar på hvor turboladerens (16) drift fremstilles grafisk på et kart over kompressorutløpstrykk delt på barometertrykk, mot turboladerluftstrøm der kartet omfatter effektivitetsøyer (102, 104, 106, 108), og den elektroniske styring (48) holder turboladerens drift innenfor effektivitetsøyene (102, 104, 106, 108) ved å styre omløpsventilen (40) og overløpsventilen (44).

20. Fremgangsmåte ifølge krav 19, karakterisert ved at trinnet for regulering av turboladerens (16) ytelse videre er bestemt til å innbefatte avledning av turboladerytelse bort fra motoren (10) som svar på den foretrukne turboladerytelse.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert ved at trinnet for regulering av motoreksos (36) videre er bestemt til å innbefatte avledning av motoreksos (46) bort fra turboladerens (16) turbin (20) som svar på den foretrukne turboladerytelse.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 19-21, karakterisert ved at den videre omfatter trinnet for innhenting av omgivelsestemperatur (58, 64), idet trinnet for bestemmelse av foretrukket turbolader ytelse også er basert på omgivelsestemperaturen (58, 64).

23. Fremgangsmåte ifølge krav 19-22, karakterisert ved at den videre omfatter trinnet for å tilpasse en spesiell turbolader (16) til å virke innenfor en foretrukket driftsramme for en rekke motoranvendelser, hvor tilpasningen er basert på inntaksmanifoldtrykket (54, 60), motorhastigheten (56, 62) og barometertrykket (82, 100).

24. Fremgangsmåte ifølge krav 19-23, karakterisert ved at den videre omfatter trinnet for tilpasning av en spesiell overløpsventil (44) og omløpsventil (40) til en motor (10) og turbolader (16) basert på størrelsen av en åpning (41, 43) i en kanal (42, 45) forbundet med overløpsventilen (44) og omløpsventilen (40).