WO2018224654A1 - Aufladesystem für einen verbrennungsmotor und verfahren zum bereitstellen eines überdrehzahlschutzes - Google Patents

Aufladesystem für einen verbrennungsmotor und verfahren zum bereitstellen eines überdrehzahlschutzes Download PDF

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combustion engine
turbocharger
exhaust
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Ennio Codan
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Abb Turbo Systems Ag
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to the field of supercharged internal combustion engines.
  • the invention relates to a supercharging system for an internal combustion engine configured to provide overspeed protection and to an internal combustion engine having such a supercharging system.
  • the invention relates to a method for providing an overspeed protection for an exhaust gas turbocharger of a charging system.
  • exhaust gas turbochargers are used by default for the performance of an internal combustion engine, with a turbine in the exhaust system of the internal combustion engine and with one of the internal combustion engine upstream compressor.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine are thereby relaxed in the turbine.
  • the work thus obtained is transmitted by means of a shaft to the compressor, which compresses the internal combustion engine supplied air.
  • the combustion process and the efficiency of the internal combustion engine can be optimized.
  • diesel engines especially in operation with heavy oil, combustible combustion residues or even liquid fuel can accumulate in the exhaust gas receiver. This is done in particular when the engine is operated for a long time in idle or in the low load range.
  • a random ignition source eg, an abnormal combustion in a cylinder or simply a hotter combustion at an engine load increase
  • the combustible mass in the exhaust gas receiver may burn, resulting in a so-called receiver fire.
  • the combustion develops extremely fast, as the turbine energy increases and the compressor supplies additional warm air with increasing pressure. If the combustible mass is sufficient, the turbocharger reaches the bursting speed in 2 to 4 seconds.
  • Such cases can have catastrophic consequences for the machine as well as life-threatening for present people.
  • a supercharging system for an internal combustion engine comprises a charging stage comprising an exhaust gas turbocharger with a compressor, a charge air supply for supplying air to an air collector of the internal combustion engine and an exhaust gas turbine in an exhaust path at the exhaust manifold of the internal combustion engine. Furthermore, the charging system includes a safety device for monitoring an exhaust gas turbocharger speed.
  • the safety device comprises a speed sensor for measuring the turbocharger loader speed, a control unit for determining an acceleration of the exhaust gas turbocharger based on a Measuring signal of the speed sensor, and a closing mechanism for interrupting an air supply to the exhaust collector upon detection of a critical acceleration of the exhaust gas turbocharger.
  • a charging system is advantageously provided with which an effective overspeed protection is provided, which prevents reaching the bursting speed of the turbo charger at the outbreak of a Receiverbrands.
  • an internal combustion engine including a supercharging system according to any of the embodiments described herein, such that an internal combustion engine having improved overspeed protection for an exhaust gas turbocharger can be advantageously provided.
  • a method of providing overspeed protection for an exhaust gas turbocharger of a supercharger system comprises measuring an exhaust gas turbocharger speed by means of a speed sensor, determining an acceleration of the Abgasturbo loader by means of a control unit, and interrupting an air supply to an exhaust manifold of the internal combustion engine by means of a closing mechanism upon detection of a critical acceleration of the exhaust gas turbocharger.
  • a method is advantageously provided, with which an effective overspeed protection is provided so that reaching the bursting speed of the turbo charger can be prevented at the outbreak of a Receiverbrands.
  • FIG. 1 is a schematic view of a charging system according to embodiments described herein;
  • FIG. 2 is a schematic view of a charging system according to other embodiments described herein;
  • FIG. 3 a is a schematic view of an exemplary embodiment of a closing mechanism for interrupting an air supply in an opened state
  • Figure 3b is a schematic view of the locking mechanism of Figure 3a in a closed state
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for
  • FIG. 1 shows a schematic view of a supercharging system 100 for an internal combustion engine 122 according to embodiments described herein.
  • the engine 122 typically includes a plurality of cylinders.
  • the internal combustion engine may have six cylinders Z1-Z6, as shown by way of example in FIGS. 1 and 2.
  • the charging system 100 includes a charging stage, which has an exhaust gas turbocharger 101 with a compressor 110.
  • the compressor 110 is typically configured to draw and compress air from an inlet.
  • the charging system 100 includes, as exemplified in Figure 1, a charge air supply 111 for supplying air to an inlet of the internal combustion engine 122.
  • the inlet of the internal combustion engine 122 is designed for example as an air collector 121, which collects the compressed air and distributed to the cylinders of the internal combustion engine.
  • an exhaust gas turbine 130 is arranged in an exhaust gas path 112 at the outlet of the internal combustion engine 122.
  • the outlet of the internal combustion engine 122 may be formed as an exhaust gas collector 123, which collects the exhaust gas from the cylinders of the internal combustion engine and leads to the exhaust gas turbine.
  • the exhaust gas turbine expands the exhaust thereby producing the power for the compressor drive.
  • the charging system 100 further comprises a safety device 150 for monitoring an exhaust gas turbocharger speed.
  • the safety device comprises a rotational speed sensor 151 for measuring the exhaust gas turbocharger rotational speed, a control unit 152 for determining an acceleration of the exhaust gas turbocharger, in particular an acceleration of a rotor of the exhaust gas turbocharger (hereinafter also referred to as exhaust gas turbocharger rotor), based on a measurement signal Sl of the rotational speed sensor 151, and a closing mechanism 153 for Interrupting an air supply to the exhaust manifold 123 upon detection of a critical acceleration of the exhaust gas turbocharger, in particular at a critical acceleration of the exhaust gas turbocharger rotor.
  • the internal combustion engine is the source of energy. The fuel is burned in the cylinders of the internal combustion engine and the energy is split approximately evenly between produced power and exhaust gas energy for the turbine.
  • the receiver fire becomes the dominant source of energy.
  • the turbocharger then works like a gas turbine with a combustion chamber in the exhaust manifold. This has the consequence that it becomes irrelevant in a receiver fire what makes the engine. In other words, an interruption of the fuel supply to the engine would not be able to prevent the turbocharger quickly accelerated due to the receiver fire and reaches the bursting speed in a short time, typically 2-4 seconds after the outbreak of the receiver fire. This means that the turbocharger accelerates very fast in a receiver fire, the acceleration being greater by factors than during normal operation.
  • the embodiments of the Aufladesystems described herein is advantageously when detecting a critical acceleration of the exhaust gas turbocharger, especially upon detection of a critical acceleration of the exhaust turbo charger rotor, the air supply to the exhaust manifold of the engine interrupted, so that the receiver fire in a short time, i. in less than 2 seconds, suffocated.
  • the fire in the exhaust manifold be deleted in a short time, so that reaching the bursting speed of the turbo charger is prevented in a receiver fire.
  • the air supply to the exhaust manifold of the internal combustion engine by a closing mechanism 153 in particular a valve can be interrupted, which is arranged in the charge air supply 111, as shown by way of example in Figures 1 and 2.
  • the closing mechanism 153 may be arranged in the charge air supply 111 between compressor 110 and air collector 121.
  • the closing mechanism 153 in the charge air feed 111 can interpose Compressor 110 and intercooler 145 or between intercooler 145 and air collector 121 may be arranged.
  • the air supply to the exhaust manifold of the internal combustion engine can also be interrupted when the cylinder valves of the internal combustion engine are closed and no longer open.
  • the closing mechanism for interrupting the air supply to the exhaust collector may be the cylinder valves of the internal combustion engine.
  • the control unit 152 is configured to determine an acceleration of the exhaust gas turbocharger, in particular the exhaust gas turbocharger rotor, based on a calculation of the gradient of the exhaust gas turbocharger speed.
  • the control unit 152 is an electronic processing unit.
  • the calculation of the gradient of the turbocharger supercharger speed is effected by determining the change in the exhaust gas turbocharger speed (An) in a certain time interval (At). That is, the gradient ⁇ / ⁇ is a measure of the acceleration of the turbocharger loader, in particular the exhaust gas turbocharger rotor.
  • the speed sensor 151 is configured to monitor the exhaust gas turbocharger speed at a high sampling rate.
  • the sampling rate AR of the rotational speed sensor AR can be> 10 Hz, in particular AR> 50 Hz, in particular AR> 100 Hz.
  • control unit 152 is configured to send a trigger signal S2 to interrupt the supply of air to the closing mechanism upon detection of exceeding the critical acceleration of the exhaust turbocharger loader.
  • the critical acceleration of the exhaust gas turbocharger ie the critical acceleration of the exhaust gas turbocharger rotor, is typically a predefined threshold which is high enough not to be reached in normal engine operation and deep enough to allow timely detection of the receiver fire.
  • the threshold value of the critical acceleration of the exhaust turbocharger loader can be specified by a threshold for a gradient of exhaust turbocharger speed .DELTA. ⁇ / ⁇ in which the trigger signal S2 is sent to interrupt the air supply to the locking mechanism, and is selected such that accelerations the exhaust turbocharger loader, in particular accelerations of the exhaust turbo charger rotor, which do not occur in normal engine operation to send the trigger signal S2.
  • the choice of the threshold value for the critical acceleration of the exhaust gas turbocharger depends on the selected internal combustion engine or turbocharger and can be determined accordingly by the person skilled in the art.
  • the maximum acceleration in normal engine operation is typically on the order of 10% / second.
  • An acceleration caused by a receiver fire is typically on the order of about 30% / second.
  • the acceleration unit% / second indicates the percentage speed variation in the unit of time of one second. This allows the acceleration values to be displayed independently of the machine size.
  • the predetermined threshold for the critical acceleration of the exhaust gas turbocharger may be selected, for example, from a range of 15% / s to 20% / s.
  • the safety device 150 is configured to only positive accelerations monitor, so that the rotor, for example, in a pumping cycle, with a very high negative acceleration (in excess of the threshold) can be braked without it comes to sending the trigger signal S2.
  • the predetermined threshold value for the critical acceleration of the exhaust gas turbocharger is exceeded, for example a predetermined threshold for the gradient of the exhaust gas turbocharger speed ⁇ / ⁇ , according to the embodiments described herein, the air supply to the exhaust manifold 123 is interrupted, for example by one arranged in the charge air supply 111 Locking mechanism 153 or by closing and not opening the cylinder valves of the engine. This leaves only the already accumulated air available for combustion and the receiver fire, ie the fire in the exhaust manifold, is extinguished by lack of air before critical turbocharger speeds are reached.
  • the closure mechanism 153 is configured such that when the air supply to the exhaust manifold 123 is cut off, a sub-channel 155 is opened. As exemplified in FIG. 2, the sub-channel 155 may be configured to recirculate the air into a gas flow to the exhaust turbine 130.
  • a charge air cooler 145 may be arranged in the charge air feed 111.
  • the charge air cooler is configured to cool the air compressed by the compressor.
  • the charge air cooler 145 is arranged between the compressor 110 and the closing mechanism 153.
  • the charge air cooler 145 may also be arranged between the closing mechanism 153 and the air collector 121 of the internal combustion engine.
  • Figures 3a and 3b show schematic views of an exemplary embodiment of a closing mechanism for interrupting an air supply to the exhaust manifold, wherein Figure 3a shows an open state and Figure 3b shows a closed state.
  • the closure mechanism 153 is configured such that an airflow is used to enhance a closing force of the closure mechanism.
  • the closing mechanism may comprise a closing element 156, for example a quick-closing flap, which is arranged and configured such that, when closing, an air flow in the main channel 154 acts on the closing element 156, thereby advantageously increasing the closing force of the closing mechanism.
  • a configuration may also be advantageous to achieve the fastest possible closing of the locking mechanism. As exemplarily illustrated in FIGS.
  • the closure mechanism 153 may include a trigger mechanism 157 configured to receive a trigger signal S2 from the controller 152 to operate the closing element 156 to interrupt the air supply. Furthermore, in FIGS. 3 a and 3 b, it is schematically illustrated that when the air supply is interrupted by the closing mechanism, in particular by means of the closing element 156, a secondary channel 155 is opened when the main channel 154, for example the channel of the charge air supply 11 1, is closed.
  • the closure mechanism 153 is formed as a valve that is configured such that the valve can be closed substantially predominantly, in particular exclusively, by the air pressure in the main channel 154.
  • the triggering mechanism 157 may include a biased spring that is released by the triggering signal S2, such that the closure member 156 is moved to the closed position, as shown by way of example in FIG. 3b.
  • the closing element 156 of the valve can be guided by the air flowing in the main channel 154 to the closed position.
  • the closing mechanism in particular the closing mechanism configured as a valve, is typically designed so that the resistance in the open state is minimal.
  • the closing must be quick and safe, which is made possible, for example, by utilizing the air flow in the main channel to increase the closing force and closing speed.
  • the embodiment shown in Figures 3a and 3b represents only an exemplary embodiment for illustrating the principle of the locking mechanism and is not to be understood as limiting.
  • Other embodiments of the closure mechanism that are capable of quickly and effectively interrupting air supply to the exhaust manifold may alternatively be used in the embodiments of the charging system described herein.
  • FIG. 4 shows a flow chart illustrating a method 200 according to embodiments described herein for providing overspeed protection for an exhaust gas turbocharger of a supercharger system for an internal combustion engine.
  • the charging system may be a charging system 100 according to the embodiments described herein. As shown by way of example in FIG.
  • the method 200 for providing an overspeed protection comprises measuring 210 an exhaust gas turbocharger speed by means of a rotational speed sensor, determining 220 an acceleration of the exhaust gas turbocharger, in particular of the exhaust gas turbocharger rotor by means of a control unit, and interrupting 230 an air supply to one Exhaust manifold of the internal combustion engine by means of a closing mechanism upon detection of a critical acceleration of the exhaust gas turbocharger, in particular a critical acceleration of the exhaust gas turbocharger rotor.
  • the detection of the critical acceleration of the exhaust gas turbocharger is typically performed by the control unit 152 as described herein.
  • a rotation speed sensor 151 according to the embodiments described herein, a control unit 152 according to the embodiments described herein, and a closing mechanism 153 according to FIG used in the embodiments described herein.
  • interrupting air supply 230 includes opening a secondary passage, wherein the sub-passage is configured to recirculate air into a gas flow to an exhaust turbine, as exemplified herein described embodiments of the charging system is described.
  • interrupting the air supply 230 includes augmenting a closing force of the closure mechanism by means of an airflow as exemplified in the context of the charging system embodiments described herein.
  • a supercharging system for an internal combustion engine and a method for providing overspeed protection can be provided with which, compared to the solutions known from the prior art, an effective and improved overspeed protection for a turbocharger loader can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem (100) für einen Verbrennungsmotor (122). Das Aufladesystem umfasst eine Aufladestufe, umfassend einen Abgasturbolader (101) mit einem Verdichter (110), eine Ladeluftzuführung (111) zum Zuführen von Luft zu einem Luftsammler (121) des Verbrennungsmotors (122) und eine Abgasturbine (130) in einem Abgaspfad (112) am Abgassammler (123) des Verbrennungsmotors. Ferner umfasst das Aufladesystem eine Sicherheitseinrichtung (150) zum Überwachen einer Abgasturboladerdrehzahl. Die Sicherheitseinrichtung umfasst einen Drehzahlsensor (151) zum Messen der Abgasturboladerdrehzahl, eine Steuereinheit (152) zum Bestimmen einer Beschleunigung des Abgasturboladers anhand eines Messsignals (Sl) des Drehzahlsensors (151), und einen Schließmechanismus (153) zum Unterbrechen einer Luftzufuhr zum Abgassammler (123) bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers. Gleichzeitig kann ein Nebenkanal geöffnet werden, der ausgebildet ist um Luft in eine Gasströmung nach einer Abgasturbine (130) rückzuführen.

Description

AUFLADESYSTEM FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR UND VERFAHREN ZUM BEREITSTELLEN EINES ÜBERDREHZAHLSCHUTZES
TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der aufgeladenen Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Aufladesystem für einen Verbrennungsmotor das konfiguriert ist um einen Überdrehzahlschutz bereitzustellen, sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Aufladesystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes für einen Abgasturbolader eines Aufladesystems.
TECHNISCHER HINTERGRUND
[0002] Für die Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine werden heutzutage standardmäßig Abgasturbolader eingesetzt, mit einer Turbine im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine und mit einem der Verbrennungskraftmaschine vorgelagerten Verdichter. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden dabei in der Turbine entspannt. Die dabei gewonnene Arbeit wird mittels einer Welle auf den Verdichter übertragen, welcher die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft verdichtet. Durch die Verwendung der Energie der Abgase zur Verdichtung der dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine zugeführten Luft, können der Verbrennungsprozess und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert werden. [0003] Bei Dieselmotoren, insbesondere im Betrieb mit Schweröl, können sich brennbare Verbrennungsrückstände oder sogar flüssiger Brennstoff im Abgasreceiver ansammeln. Dies erfolgt insbesondere wenn der Motor über längere Zeit in Leerlauf oder im Schwachlastbereich betrieben wird. In diesem Fall kann eine zufällige Zündquelle (z. B. eine abnormale Verbrennung bei einem Zylinder oder einfach eine heißere Verbrennung bei einer Motorlasterhöhung) die brennbare Masse im Abgasreceiver zum Brennen bringen, wodurch ein sogenannter Receiverbrand entsteht. In diesem Fall entwickelt sich die Verbrennung extrem schnell, da die Turbinenenergie steigt und der Verdichter zusätzliche warme Luft mit zunehmendem Druck liefert. Wenn die brennbare Masse ausreicht, erreicht der Turbolader in 2 bis 4 Sekunden die Berstdrehzahl. Solche Fälle können katastrophale Folgen für die Maschine haben als auch für anwesende Menschen lebensgefährlich werden.
DARSTELLUNG DES TECHNISCHEN PROBLEMS
[0004] Es hat sich herausgestellt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zur Erfassung eines Receiverbrands zu langsam sind um mit entsprechenden Gegenmaßnahmen auf den Receiverbrand reagieren zu können. [0005] Insbesondere hat sich herausgestellt, dass Systeme, welche Temperatursensoren zur Überwachung der Abgastemperatur verwenden um einen Receiverbrand zu detektieren, zu träge sind um rechtzeitig auf den Receiverbrand zu reagieren. Dies ist darin begründet, dass Temperatursensoren mit einem zeitlichen Verzug von einigen Sekunden auf eine Temperaturänderung reagieren, so dass ein rechtzeitiges Einleiten von Gegenmaßnahmen bei einem Receiverbrand zur Verhinderung des Erreichens der Berstdrehzahl des Turbo laders in 2 bis 4 Sekunden mit den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen unmöglich ist. [0006] Ferner hat sich auch herausgestellt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Drehzahlüberwachungssysteme ungeeignet sind, um auf einen Receiverbrand zu reagieren. Beispielsweise wird bei bekannten Drehzahlüberwachungssystemen bei Überschreitung einer bestimmten Grenzdrehzahl zunächst nur ein Alarmsignal abgeben auf das dann erst noch entsprechend reagiert werden muss.
[0007] Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Aufladesystem für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, das in dieser Hinsicht verbessert ist, so dass ein zuverlässiger und verbesserter Überdrehzahlschutz für einen Turbo lader bereitgestellt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[0008] Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird ein Aufladesystem für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes für einen Abgasturbolader gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Figuren zu entnehmen.
[0009] Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Aufladesystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Das Aufladesystem umfasst eine Aufladestufe, umfassend einen Abgasturbo lader mit einem Verdichter, eine Ladeluftzuführung zum Zuführen von Luft zu einem Luftsammler des Verbrennungsmotors und eine Abgasturbine in einem Abgaspfad am Abgassammler des Verbrennungsmotors. Des Weiteren umfasst das Aufladesystem eine Sicherheitseinrichtung zum Überwachen einer Abgasturboladerdrehzahl. Die Sicherheitseinrichtung umfasst einen Drehzahlsensor zum Messen der Abgasturbo laderdrehzahl, eine Steuereinheit zum Bestimmen einer Beschleunigung des Abgasturboladers anhand eines Messsignals des Drehzahlsensors, und einen Schließmechanismus zum Unterbrechen einer Luftzufuhr zum Abgassammler bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturbo laders.
[0010] Somit wird vorteilhafterweise ein Aufladesystem bereitgestellt, mit welchem ein effektiver Überdrehzahlschutz bereitgestellt wird, der das Erreichen der Berstdrehzahl des Turbo laders bei Ausbruch eines Receiverbrands verhindert.
[0011] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor umfassend ein Aufladesystem gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt, so dass vorteilhafterweise ein Verbrennungsmotor mit einem verbesserten Überdrehzahlschutz für einen Abgasturbolader bereitgestellt werden kann.
[0012] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes für einen Abgasturbolader eines Aufladesystems bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Messen einer Abgasturboladerdrehzahl mittels eines Drehzahlsensors, Bestimmen einer Beschleunigung des Abgasturbo laders mittels einer Steuereinheit, und Unterbrechen einer Luftzufuhr zu einem Abgassammler des Verbrennungsmotors mittels eines Schließmechanismus bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers.
[0013] Somit wird vorteilhafterweise ein Verfahren bereitgestellt, mit welchem ein effektiver Überdrehzahlschutz bereitgestellt wird, so dass ein Erreichen der Berstdrehzahl des Turbo laders bei Ausbruch eines Receiverbrands verhindert werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0014] Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben. Hierbei zeigt:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Aufladesystems gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen;
Figur 2 eine schematische Ansicht eines Aufladesystems gemäß weiteren hierin beschriebenen Ausführungsformen;
Figur 3 a eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Schließmechanismus zum Unterbrechen einer Luftzufuhr in einem geöffneten Zustand;
Figur 3b eine schematische Ansicht des Schließmechanismus von Figur 3a in einem geschlossenen Zustand; und
Figur 4 ein Flussdiagramm zu Veranschaulichung eines Verfahrens zum
Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes für einen Abgasturbolader eines Aufladesystems gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0015] Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Aufladesystems 100 für einen Verbrennungsmotor 122 gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen. Der Verbrennungsmotor 122 umfasst typischerweise mehrere Zylinder. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor sechs Zylinder Z1-Z6 aufweisen wie es beispielhaft in den Figur 1 und 2 dargestellt ist. Das Aufladesystem 100 umfasst eine Aufladestufe, die einen Abgasturbolader 101 mit einem Verdichter 110 aufweist. Der Verdichter 110 ist typischerweise ausgebildet um Luft aus einem Eintritt anzusaugen und zu komprimieren. [0016] Ferner umfasst das Aufladesystem 100, wie es beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist, eine Ladeluftzuführung 111 zum Zuführen von Luft zu einem Einlass des Verbrennungsmotors 122. Der Einlass des Verbrennungsmotors 122 ist beispielsweise als Luftsammler 121 ausgeführt, welcher die komprimierte Luft sammelt und auf die Zylinder des Verbrennungsmotors verteilt. In einem Abgaspfad 112 am Auslass des Verbrennungsmotors 122 ist eine Abgasturbine 130 angeordnet. Beispielsweise kann der Auslass des Verbrennungsmotors 122 als Abgassammler 123 ausgebildet sein, welcher das Abgas aus den Zylindern des Verbrennungsmotors sammelt und zur Abgasturbine führt. Die Abgasturbine expandiert das Abgas wodurch die Leistung für den Verdichterantrieb produziert wird.
[0017] Wie in Figur 1 beispielhaft dargestellt ist, umfasst das Aufladesystem 100 ferner eine Sicherheitseinrichtung 150 zum Überwachen einer Abgasturboladerdrehzahl. Die Sicherheitseinrichtung umfasst einen Drehzahlsensor 151 zum Messen der Abgasturboladerdrehzahl, eine Steuereinheit 152 zum Bestimmen einer Beschleunigung des Abgasturboladers, insbesondere einer Beschleunigung eines Rotors des Abgasturboladers (im Folgenden auch als Abgasturboladerrotor bezeichnet), anhand eines Messsignals Sl des Drehzahlsensors 151, und einen Schließmechanismus 153 zum Unterbrechen einer Luftzufuhr zum Abgassammler 123 bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers , insbesondere bei einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladerrotors. [0018] Im normalen Betrieb stellt der Verbrennungsmotor die Energiequelle dar. Der Kraftstoff wird in den Zylindern des Verbrennungsmotors verbrannt und die Energie teilt sich in etwa gleichmäßig zwischen produzierter Leistung und Abgasenergie für die Turbine auf.
[0019] Bei einem Receiverbrand, d.h. wenn im Abgassammler brennbare Ruckstände brennen, wird der Receiverbrand zur dominanten Energiequelle. Der Turbolader funktioniert dann wie eine Gasturbine mit Brennkammer in dem Abgassammler. Das hat zur Folge, dass es bei einem Receiverbrand irrelevant wird was der Verbrennungsmotor macht. Mit anderen Worten, eine Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor würde nicht verhindern können, dass der Turbo lader aufgrund des Receiverbrands schnell beschleunigt und in kurzer Zeit, typischerweise 2-4 Sekunden nach Ausbruch des Receiverbrands, die Berstdrehzahl erreicht. Das bedeutet, dass der Turbolader bei einem Receiverbrand sehr schnell beschleunigt, wobei die Beschleunigung um Faktoren grösser ist als im normalen Betrieb.
[0020] Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen des Aufladesystems wird vorteilhafter Weise bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers, insbesondere bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturbo laderrotors, die Luftzufuhr zum Abgassammler des Verbrennungsmotors unterbrochen, so dass der Receiverbrand in kurzer Zeit, d.h. in weniger als 2 Sekunden, erstickt wird. Somit kann durch Unterbrechen der Luftzufuhr zu dem als Brennkammer wirkenden Abgassammler das Feuer im Abgassammler in kurzer Zeit gelöscht werden, sodass ein Erreichen der Berstdrehzahl des Turbo laders bei einem Receiverbrand verhindert wird.
[0021] Beispielsweise, kann die Luftzufuhr zum Abgassammler des Verbrennungsmotors durch einen Schließmechanismus 153, insbesondere ein Ventil, unterbrochen werden, der in der Ladeluftzuführung 111 angeordnet ist, wie es beispielhaft in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist. Insbesondere kann der Schließ mechanismus 153 in der Ladeluftzuführung 111 zwischen Verdichter 110 und Luftsammler 121 angeordnet sein. In Ausführungsformen, in welchen in der Ladeluftzuführung 111 ein Ladeluftkühler 145 angeordnet ist (siehe z.B. Figur 2), kann der Schließmechanismus 153 in der Ladeluftzuführung 111 zwischen Verdichter 110 und Ladeluftkühler 145 oder zwischen Ladeluftkühler 145 und Luftsammler 121 angeordnet sein.
[0022] Alternativ kann die Luftzufuhr zum Abgassammler des Verbrennungsmotors auch unterbrochen werden, wenn die Zylinderventile des Verbrennungsmotors geschlossen und nicht mehr geöffnet werden. Mit anderen Worten, der Schließmechanismus zum Unterbrechen der Luftzufuhr zum Abgassammler können die Zylinderventile des Verbrennungsmotors sein.
[0023] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist die Steuereinheit 152 konfiguriert um eine Beschleunigung des Abgasturboladers, insbesondere des Abgasturboladerrotors, anhand einer Berechnung des Gradienten der Abgasturbo laderdrehzahl zu bestimmen. Typischerweise ist die Steuereinheit 152 eine elektronische Recheneinheit. Die Berechnung des Gradienten der Abgasturbo laderdrehzahl erfolgt durch Bestimmen der Änderung der Abgasturboladerdrehzahl (An) in einem bestimmten Zeitintervall (At). Das heißt der Gradient Δη/Δί ist ein Maß für die Beschleunigung des Abgasturbo laders, insbesondere des Abgasturboladerrotors. [0024] Typischerweise ist der Drehzahlsensor 151 konfiguriert um die Abgasturboladerdrehzahl mit einer hohen Abtastrate zu überwachen. Beispielsweise kann die Abtastrate AR des Drehzahlsensors AR > 10 Hz, insbesondere AR > 50 Hz, insbesondere AR > 100 Hz sein.
[0025] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist die Steuereinheit 152 konfiguriert, um bei Feststellung einer Überschreitung der kritischen Beschleunigung des Abgasturbo laders, ein Auslösesignal S2 zum Unterbrechen der Luftzufuhr an den Schließmechanismus zu senden. [0026] Die kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers, d.h. die kritischen Beschleunigung des Abgasturboladerrotors, ist typischerweise ein vordefinierter Schwellwert, der hoch genug ist, um im normalen Motorbetrieb nicht erreicht zu werden, und tief genug, um eine rechtzeitige Erkennung des Receiverbrands zu ermöglichen. Mit anderen Worten, der Schwellwert der kritischen Beschleunigung des Abgasturbo laders kann durch einen Schwellwert für einen Gradienten der Abgasturbo laderdrehzahl Δη/Δί angegeben werden, bei welchem das Auslösesignal S2 zum Unterbrechen der Luftzufuhr an den Schließmechanismus gesendet wird, und derart gewählt wird, dass Beschleunigungen des Abgasturbo laders, insbesondere Beschleunigungen des Abgasturbo laderrotors, die im normalen Motorbetrieb auftreten nicht zum Senden des Auslösesignals S2 führen. Demnach hängt die Wahl des Schwellwerts für die kritische Beschleunigung des Abgasturboladers von dem gewählten Verbrennungsmotor bzw. Turbolader ab und kann von dem Fachmann entsprechend bestimmt werden.
[0027] Beispielsweise liegt die maximale Beschleunigung im normalen Motorbetrieb typischerweise in der Größenordnung von 10%/Sekunde. Eine durch einen Receiverbrand verursachte Beschleunigung liegt typischerweise in der Größenordnung von etwa 30%/Sekunde. Die Beschleunigungseinheit %/Sekunde gibt dabei die prozentuale Drehzahlvariation in der Zeiteinheit von einer Sekunde an. Dies erlaubt die Beschleunigungswerte unabhängig von der Maschinengröße darzustellen. Demnach kann gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierein beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, der vorbestimmte Schwellwert für die kritische Beschleunigung des Abgasturboladers beispielsweise aus einem Wertebereich von 15%/s bis 20%/s ausgewählt werden.
[0028] In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Sicherheitseinrichtung 150 gemäß den hierein beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert ist um nur positive Beschleunigungen zu überwachen, so dass der Rotor, beispielsweise in einem Pumpzyklus, mit einer sehr hohen negativen Beschleunigung (im Betrag über dem Schwellwert) gebremst werden kann ohne dass es zum Senden des Auslösesignals S2 kommt. [0029] Wird der vorbestimmte Schwellwert für die kritische Beschleunigung des Abgasturboladers überschritten, beispielsweise ein vorbestimmter Schwellwert für den Gradienten der Abgasturboladerdrehzahl Δη/Δί, , wird gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen die Luftzufuhr zum Abgassammler 123 unterbrochen, beispielsweise durch einen in der Ladeluftzuführung 111 angeordneten Schließmechanismus 153 oder durch Schließen und nicht mehr Öffnen der Zylinderventile des Verbrennungsmotors. Damit verbleibt für die Verbrennung nur die schon angesammelte Luft vorhanden und der Receiverbrand, d.h. das Feuer im Abgassammler, wird durch Luftmangel gelöscht bevor kritische Turboladerdrehzahlen erreicht werden.
[0030] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist der Schließmechanismus 153 derart konfiguriert, dass beim Unterbrechen der Luftzufuhr zum Abgassammler 123 ein Nebenkanal 155 geöffnet wird. Wie beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist, kann der Nebenkanal 155 derart konfiguriert sein, um die Luft in eine Gasströmung nach der Abgasturbine 130 rückzuführen.
[0031] Dadurch kann vorteilhafterweise eine zusätzliche Sicherheit erzeugt werden, da durch den Nebenkanal ein alternativer Weg für die komprimierte Luft vom Verdichter freigegeben wird, so dass der Verdichter weiterhin einen Volumenstrom liefert wodurch dessen Bremswirkung grösser ist, als wenn der Luftstrom vollständig blockiert wird. Da auch im Luftsammler Flammen entstehen könnten, wird die durch den Nebenkanal ausgeblasene Luftmenge vorteilhafterweise in die Gasströmung nach der Abgasturbine rückgeführt, wie es beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist, und nicht in die Umgebung frei gelassen.
[0032] Wie oben bereits erwähnt kann gemäß einer Ausführungsform, wie sie beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist, in der Ladeluftzuführung 111 ein Ladeluftkühler 145 angeordnet sein. Typischerweise ist der Ladeluftkühler konfiguriert um die vom Verdichter komprimierte Luft zu kühlen. In Figur 2 ist der Ladeluftkühler 145 zwischen dem Verdichter 110 und dem Schließmechanismus 153 angeordnet. Alternativ kann der Ladeluftkühler 145 auch zwischen dem Schließ mechanismus 153 und dem Luftsammler 121 des Verbrennungsmotors angeordnet sein.
[0033] Die Figuren 3 a und 3b zeigen schematische Ansichten einer beispielhaften Ausführungsform eines Schließmechanismus zum Unterbrechen einer Luftzufuhr zum Abgassammler, wobei Figur 3 a einen geöffneten Zustand und Figur 3b einen geschlossenen Zustand zeigt. [0034] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist der Schließmechanismus 153 derart konfiguriert, dass eine Luftströmung zur Verstärkung einer Schließkraft des Schließmechanismus verwendet wird. Insbesondere kann der Schließmechanismus ein Schließ element 156 aufweisen, beispielsweise eine Schnellschlussklappe, die derart angeordnet und konfiguriert ist, dass beim Schließen eine Luftströmung im Hauptkanal 154 auf das Schließelement 156 wirkt, wodurch vorteilhafter Weise die Schließkraft des Schließmechanismus verstärkt wird. Darüber hinaus kann eine derartige Konfiguration auch vorteilhaft sein um ein möglichst schnelles Schließen des Schließmechanismus zu erreichen. [0035] Wie beispielhaft in den Figuren 3 a und 3b dargestellt ist kann der Schließmechanismus 153 gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, einen Auslösemechanismus 157 umfassen, der konfiguriert ist um bei Erhalt eines Auslösesignals S2 von der Steuereinheit 152 das Schließelement 156 zu betätigen um die Luftzuführung zu unterbrechen. Ferner ist in den Figuren 3 a und 3b schematisch veranschaulich, dass beim Unterbrechen der Luftzufuhr durch den Schließmechanismus, insbesondere mittels des Schließelements 156, ein Nebenkanal 155 geöffnet wird wenn der Hauptkanal 154, beispielsweise der Kanal der Ladeluftzuführung 11 1, geschlossen wird.
[0036] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierein beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist der Schließmechanismus 153 als Ventil ausgebildet, das derart konfiguriert ist, dass das Ventil im Wesentlichen vorwiegend, insbesondere ausschließlich, vom Luftdruck im Hauptkanal 154 geschlossen werden kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführung, kann der Auslösemechanismus 157 beispielsweise ein vorgespannte Feder aufweisen, die von dem Auslösesignal S2 freigelassen wird, so dass das Schließ element 156 in die geschlossene Position bewegt wird, wie es beispielhaft in Fig. 3b dargestellt ist. Dabei kann das Schließelement 156 des Ventils von der in dem Hauptkanal 154 strömenden Luft in die geschlossene Position geführt werden.
[0037] Wie in Figur 3 a beispielhaft dargestellt ist, ist der Schließmechanismus, insbesondere der als Ventil konfigurierte Schließmechanismus, typischerweise so gestaltet, dass der Widerstand im offenen Zustand minimal ist. Wie bereits erläutert, muss das Schließen schnell und sicher erfolgen, was beispielsweise durch Nutzen der Luftströmung im Hauptkanal zur Verstärkung der Schließkraft und Schließgeschwindigkeit ermöglicht wird. [0038] In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren 3 a und 3b dargestellte Ausführungsform nur eine beispielhafte Ausführungsform zur Veranschaulichung des Prinzips des Schließmechanismus darstellt und nicht als einschränkend zu verstehen ist. Andere Ausführungsformen des Schließmechanismus, die dazu geeignet sind eine Luftzufuhr zum Abgassammler schnell und effektiv zu unterbrechen, können in den hierein beschriebenen Ausführungsformen des Aufladesystems alternativ verwendet werden.
[0039] Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm zu Veranschaulichung eines Verfahrens 200 gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes für einen Abgasturbolader eines Aufladesystems für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere kann das Aufladesystem ein Aufladesystem 100 gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen sein. [0040] Wie beispielhaft in Figur 4 dargestellt ist umfasst das Verfahren 200 zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes ein Messen 210 einer Abgasturboladerdrehzahl mittels eines Drehzahlsensors, ein Bestimmen 220 einer Beschleunigung des Abgasturboladers, insbesondere des Abgasturboladerrotors mittels einer Steuereinheit, und ein Unterbrechen 230 einer Luftzufuhr zu einem Abgassammler des Verbrennungsmotors mittels eines Schließmechanismus bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers, insbesondere einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladerrotors. Die Detektion der kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers erfolgt typischerweise durch die Steuereinheit 152 wie sie hierin beschrieben ist.
[0041] Insbesondere wird bei dem Verfahren 200 zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes ein Drehzahlsensor 151 gemäß den hierein beschriebenen Ausführungsformen, eine Steuereinheit 152 gemäß den hierein beschriebenen Ausführungsformen, und ein Schließmechanismus 153 gemäß den hierein beschriebenen Ausführungsformen verwendet.
[0042] Gemäß einer Ausführungsform die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Unterbrechen 230 der Luftzufuhr ein Öffnen eines Nebenkanals, wobei der Nebenkanal ausgebildet ist um Luft in eine Gasströmung nach einer Abgasturbine rückzuführen, wie es beispielhaft in Zusammenhang mit den hierein beschriebenen Ausführungsformen des Aufladsystems beschrieben ist.
[0043] Gemäß einer Ausführungsform die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Unterbrechen 230 der Luftzufuhr ein Verstärken einer Schließkraft des Schließmechanismus mittels einer Luftströmung, wie es beispielhaft in Zusammenhang mit den hierein beschriebenen Ausführungsformen des Aufladsystems beschrieben ist.
[0044] Wie durch die oben beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich wird kann mit dem hierin beschriebenen Ausführungsformen ein Aufladesystem für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes bereitgestellt werden, mit welchen, im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, ein effektiver und verbesserter Überdrehzahlschutz für einen Abgasturbo lader bereitgestellt werden kann.
BEZUGZEICHENLISTE
100 Aufladesystem
101 Abgasturbolader der Aufladestufe
110 Kompressor
111 Ladeluftzuführung der Aufladestufe
112 Abgaspfad der Aufladestufe
121 Luftsammler
122 Verbrennungsmotor
123 Abgassammler
130 Abgasturbine
145 Ladluftkühler
150 S ichereinheitseinrichtung
151 Drehzahlsensor
152 Steuereinheit
153 Ventil
154 Hauptkanal
155 Nebenkanal
156 Schließelement
200 Verfahren zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes 210 Messen einer Abgasturbo laderdrehzahl
220 Bestimmen einer Beschleunigung des Abgasturbo laders
230 Unterbrechen einer Ladeluftzuführung

Claims

ANSPRUCHE
Verfahren (200) zum Bereitstellen eines Überdrehzahlschutzes für einen Abgasturbo lader eines Aufladesystems für einen
Verbrennungsmotor, das Verfahren umfassend:
Messen (210) einer Abgasturbo laderdrehzahl mittels eines
Drehzahlsensors,
Bestimmen (220) einer Beschleunigung des Abgasturboladers mittels einer Steuereinheit, und
Unterbrechen (230) einer Luftzufuhr zu einem Abgassammler des Verbrennungsmotors mittels eines Schließmechanismus bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers, wobei das Unterbrechen (230) der Luftzufuhr ein Öffnen eines Nebenkanals umfasst, der ausgebildet ist um Luft in eine Gasströmung nach einer Abgasturbine (130) rückzuführen.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei das Unterbrechen (230) der Luftzufuhr ein Verstärken einer Schließkraft des Schließmechanismus mittels einer Luftströmung umfasst.
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aufladesystem ein Aufladesystem (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11 ist.
Aufladesystem (100) für einen Verbrennungsmotor (122), das Aufladesystem umfassend:
eine Aufladestufe, umfassend einen Abgasturbolader (101) mit einem Verdichter (110), eine Ladeluftzuführung (111) zum Zuführen von Luft zu einem Luftsammler (121) des Verbrennungsmotors (122) und eine Abgasturbine (130) in einem Abgaspfad (112) am
Abgassammler (123) des Verbrennungsmotors, und eine Sicherheitseinrichtung (150) zum Uberwachen einer
Abgasturboladerdrehzahl, umfassend einen Drehzahlsensor (151) zum Messen der Abgasturbo laderdrehzahl, eine Steuereinheit (152) zum Bestimmen einer Beschleunigung des Abgasturbo laders anhand eines Messsignals (Sl) des Drehzahlsensors (151), und einen
Schließmechanismus (153) zum Unterbrechen einer Luftzufuhr zum Abgassammler (123) bei Detektion einer kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers, wobei der Schließmechanismus (153) in der Ladeluftzuführung (111) angeordnet ist.
Aufladesystem (100) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (152) konfiguriert ist um die Beschleunigung des Abgasturbo laders anhand einer Berechnung des Gradienten der Abgasturbo laderdrehzahl zu bestimmen.
Aufladesystem (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinheit (152) konfiguriert ist, um bei Feststellung einer Überschreitung der kritischen Beschleunigung des Abgasturboladers, ein Auslösesignal (S2) zum Unterbrechen der Luftzufuhr an den Schließmechanismus zu senden.
Aufladesystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Schließmechanismus (153) derart konfiguriert ist, dass beim
Unterbrechen der Luftzufuhr zum Abgassammler (123) ein Nebenkanal (155) geöffnet wird.
Aufladesystem (100) nach Anspruch 7, wobei der Nebenkanal (155) konfiguriert ist, um die Luft in eine Gasströmung nach der
Abgasturbine (130) rückzuführen.
9. Aunadesystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Schließmechanismus (153) derart konfiguriert ist, dass eine
Luftströmung zur Verstärkung einer Schließkraft des
Schließmechanismus verwendet wird. 10. Aufladesystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der
Schließmechanismus (153) einen Auslösemechanismus (157) umfasst, der konfiguriert ist um bei Erhalt eines Auslösesignals (S2) von der Steuereinheit ein Schließelement (156) zu betätigen um die
Luftzuführung zu unterbrechen.
Aufladesystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei in Ladeluftzuführung (111) ein Ladeluftkühler (145) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor umfassend ein Aufladesystem nach einem
Ansprüche 4 bis 11.
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