DE2823255C2

DE2823255C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Aufladung einer abgasturbogeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2823255C2
Application number: DE2823255A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Stumpp; Wolf Ing.(grad.) 7141 Oberriexingen Wessel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-05-27
Filing date: 1978-05-27
Publication date: 1986-07-17
Also published as: DE2823255A1; US4392352A; JPS6230285B2; JPS54155310A

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftmengenmesser (21) eine im Luftstrom angeordnete und gelenkig gelagerte Stauscheibe (44) umfaßt und daß ihm zur Erzeugung des drehzahlabhängigen Luftmengen-Sollwertsignals (Oxid ein Kennliniengenerator (24) nachgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Regler (22) angesteuerte Stellglied der Magnetteil eines das Abblaseventil (20) bildenden Msgnetvc-iils ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied'2S', 25a, 36,30a) ein vom Regler (22') angesteuertes Entlüftungsventil (25a/ in einer zu einem pneumatischen Stellmotor (30a) des Abblaseventils (30) führenden Verbindungsleitung (36) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Stellmotor (3Oe) des Abblaseventils (30) mit seinem Arbeitsraum an die Verbindungsleitung (36) angeschlossen ist, die über eine zwischengeschaltete Drossel (35) mit dem vom Abgasturbolader erzeugten Arbeitsdruck verbunden ist.

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Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 24 41 804) werden Maßnahmen zur Betriebszustandssteuerung einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine ausschließlich auf deren Einlaßseite bzw. im Bereich des Gebläses des Turboladers vorgenommen. Um einerseits eine möglichst geringe Ansprechzeit des Turboladers zu erzielen, mit anderen Worten also das bekannte Loch beim Gasgeben zu vermeiden, andererseits aber sicherzustellen, daß ein Pumpen des Verdichters unbedingt vermieden wird, daß also mit Hilfe der ansaugseitig verfügbaren Druck- und Luftmengendaten ein Überschreiten der Pumpgrenze sicher verhindert werden kann, sieht die bekannte Vorrichtung einen Rechner vor, dem von verschiedenen Meßstellen im Ansaugrohr, also vor dem Gebläse des Turboladers und in der Druckleitung, also hinter dem Gebläse, Luftmengen- und Luftdruckdaten zugeführt werden. Der Rechner verarbeitet diese Daten im Sinne einer Steuerung und beaufschlagt mit seinem Ausgang schließlich ein normalerweise geschlossenes Magnetventil, welches in einer das Ladegebläse luftseitig umgehenden Bypaßleitung angeordnet ist. Zu diesem Zweck verfügt der Rechner über eingespeicherte Werte der Pumpgrenzlinie und vergleicht diese mit den zugeführten, saugseitigen Meßdaten.

Abgesehen davon, daß durch die ledigiiche ladeluftseitige Steuerung eine Anpassung an die aktuellen Betriebszustände der Brennkraftmaschine nur unvollkommen erfolgen kann (keine Berücksichtigung von Alterung, Änderung von Arbeitskennlinien u.dgl.), werden von der Brennkraftmaschine unmittelbar stammende Betriebsparameter nicht in diesen Steuerungsvorgang einbezogen, sondern lediglich solche Werte, die ihrerseits vom Betrieb des Turboladers abhängig, also durch diesen beeinflußbar sind.

Daher muß auch der in der genannten Veröffentlichung (DE-OS 2441304) noch getroffene ledigiiche Hinweis, daß die vom Rechnergesteuerte Bypaßleitung auch abgasseitig die Abgasturbine umgehen kann, bedeutungslos bleiben, denn wegen der Trägheit des Turboladers, den üblicherweise vorhandenen hohen Drehzahlen und des sich hierbei ergebenden Gesamtsystems Brennkraftmaschine/Turbolader kann durch einen einfachen Steuerungsvorgang bei abgasseitiger Einflußnahme ein Überschreiten der Pumpgrenzlinie nicht beherrscht wesden.

Allgemeine Ausführungen zum Betrieb eines Abgasturboladers lassen sich ferner als bekannt entnehmen der Zeitschrift MTZ (1962), Seite 25, wobei lediglich darauf hingewiesen wird, daß beim Betrieb eines Abgasturboladers fünf verschiedene Ausiegungsmögüchkeiten bestehen, närnüch das druckscitige Drosseln der Ladeluft, das saugseitige Drosseln der Ladeluft, die Drosselung der Abgase vor der Turbine, das Abblasen von Ladeluft ins Freie und das Abblasen von Abgasen aus der Leitung zwischen der Brennkraftmaschine und der Turbine des Turboladers. Man erkennt, daß sich die eingangs genannte Veröffentlichung (DE-OS 24 41804) mit der an vierter Stelle genannten Möglichkeit (Abblasen von Ladeluft ins Freie) genauer auseinandersetzt; demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Ausnutzung der an letzter Stelle genannten Möglichkeit (Abblasen von Abgas aus der Verbindungsleitung zwischen Brennkraftmaschine und Turbolader) eine die tatsächlichen Verhältnisse der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Drehzahl bzw. angesaugte Luftmenge, berücksichtigende Regelung für den Betrieb eines Abgasturboladers zu schaffen, die auch einen sicheren Überlastungsschutz für diesen umfaßt.

Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ergeben sich allgemein eine Vielzahl von Problemen, die beispielsweise darin bestehen können, daß eine Gefährdung des Turboladers dann auftritt, wenn dieser durch hohe Abgastemperaturen zu viel Energie zugeführt erhält und dadurch seine Grenzdrehzahl überschritten wird. Auch die Brennkraftmaschine, die bevorzugt als Dieselmotor ausgebildet sein kann, ist gefährdet, wenn durch den Turbolader eine so hohe Luftaufladung erfolgt, daß der zulässige Kompressions- und Verbrennungsdruck in den Zylindern überschritten wird. Allgemein bestehen Schwierigkeiten, über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraft-

maschine eine günstige Abstimmung im Verhalten des Turboladers zu erreichen, wobei speziell bei einem Otto-Motor zur Erzielung eines ausreichend hohen Drehmoments bei geringer Motordrehzahl ein verhältnismäßig kleiner Abgasturbolader verwendet werden muß, der dann aber bei hoher Drehzahl zu viel Luft fordert, so daß das Drehmoment des Motors bei hoher Drehzahl zu hoch ist. Desgleichen können die Drehzahlen des AbgaEturboladers und die Abgasternperatur hierbei unzulässig hoch werden.

Ähnliches trifft auf die Ausrüstung eines Dieselmotors mit einem Abgasturbolader zu, der bei niedriger Motordrehzahl schon genügend Luft für ein ausreichendes Drehmoment fordern soll und dann bei hoher Drehzahl eine unerwünscht hohe Luftmenge erzeugt Zwar ist es bei einem Dieselmotor möglich, den Drehmomentverlauf des Motors durch Begrenzung der Kraftstoffmenge zu bestimmen; dennoch kann die Drehzahl des Abgasturboladers unzulässig hoch werden. Außerdem erfordert der hohe Verbrennungsdruck im Brennraum des Motors eine stabile- Motofkonstruktion.

Allgemein bekannt ist auch die Steuerung der Abgaszuführung zu einem Turbolader dadurch, daß man vor der Turboladerturbine das Abgasrohr unter Bildung einer Bypaßleitung aufteilt, die dann je nach den Erfordernissen einen Teil der Abgasmenge an der Turbine des Turboladers vorbeiführt In der Abzweigstelle kann ein vom Ladedruck des Verdichterteils gesteuertes Bypaßventil angeordnet sein, welches bei starkem Ladedruck ganz oder teilweise öffnet und dann entsprechende Abgasmengen an der Turbine des Turboladers vorbeileitet Auch eine solche Regelung berücksichtigt nicht die tatsächlichen Verhältnisse der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Drehzahl und kann auch sonstige Einflüsse, beispielsweise Luftdruckänderungen, nicht berücksichtigen, die als Störfaktor wirken.

Vorteile der Erfindung

Die erfir.dungsgemäße Vorrichtung löst die genannte Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß durch die Einbeziehung mindestens einer indirekten Drehzahlangabe der Brennkraftmaschine eine sichere Regelung und Führung im Betrieb des Abgasturboladers erfolgen kann. Hierzu wird die aus der Drejizahlangabe gewonnene Solluftmenge der Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt verglichen mit der effektiv, etwa durch entsprechende Meßsensoren, Luftdurchmesser u. dgl. erfaßten Istluftmenge, wobei das sich hieraus ableitende Regelungsprinzip ein Abblaseventil in einer abgasseitjgen Bypaßleitung steuert. Eine solche Regelung kann auch Tendenzen im Betrieb des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine erfassen und mindestens rechtzeitig ausregeln, so daß es einerseits mög-Hch ist, Gefährdungsprobleme im Betrieb einer solchen mit einem Abgasturbolader ausgerüsteten Brennkraftmaschine sicher zu beherrschen, andererseits aber die durch den Abgasturbolader zur Verfugung gestellten Möglichkeiten voll auszunutzen und beispielsweise bis an die erwähnte Pumpgfenzlinie zu gehen, ohne daß diese je überschritten wird.

Durch das Erfassen effektiver Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ist es also möglich, deren Luftdurchsatz dem angestrebten Verlauf über der Motordrehzahl präzise anzupassen und über den gesamten Drehzahlbereich eine günstige Abstimmung des Turboladers zu erzielen.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Verwendung eines Luftmengenmessers zur Luftdurchdatzbegrenzung auch das Prinzip der Abgasrückführung beibehalten werden kann, bei Einhaltung der gewünschten Luftzahl der der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffluftmischung. Schließllich ist es vorteilhaft, daß in sehr vielen Fällen bei Brennkraftmaschinen, beispielsweise bei einem Dieselmotor, schon Informationen über den Luftdurchsatz bzw. Motordrehzahl vorliegen, zum Teil auch schon als elektronische Signale, so daß der Zusatzaufwand für eine solche, der Erfindung zugrundeliegende Regelung eines Abgasturboladers gering ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist die durch die Erfindung gebotene Möglichkeit, das abgasseitige Abblaseventil in der Bypaßleitung zwar unter einer ladelaufseitigen Steuerung 7.u betreiben, diese aber ergänzend dem durch den Vwaleich einer Solluftmenge mit einer Istluftmenge möglicLen Regeleingriff zu unterwerfen, beispielsweise dadurch, daß man die Steuerleitung zum Abblaseventil über ein von der Regelung beaufschlagtes Magnetventil entsprechend entlüdet

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 stark schematisiert und im wesentlichen als Blockschaltbild ausgebildet ein erstes Ausführungsbeispiel einer mindestens mittelbar drehzahlabhängigen Regelung eines Turboladers mit abgasseitigem Abblaseventil in einer Bypaßleitung und

Fig. 2 ebenfalls schematisiert ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasturboregelung unter Zugrundelegung des in Fig. 1 verwirklichten Grundprinzips und mittelbarem Regeleingriff in einen von der eingangsseitigen Ladeluft bewirkten Stellvorgang am Abblaseventil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist die Brennkraftmaschine, die bevorzugt ein Diesel-, aber auch ein Otto-Motor sein kann, mit 1 und der Turbolader mit 2 bezeichnet. Die Brennkraftmaschine verfügt über einen schematisch bei 3 dargestellten LufteinlaP· und einen Abgasauslaß 4, wobei sich das mit diesem Auslaß verbundene Abgasteilrohr in eine- Aheashauntleituü«? 7 und in eine Bypaßleitung 8 verzweigt.

Der Lufteinlaß der Brennkraftmaschine ist über eine Druckleitung 10 und ein vor dem Ladegeiiläse la des Turboladers 2 liegendes Ansaugrohr 11 gebildet. Die Abgaszweigleitungen 7 und 8 vereinigen sich hinter dem Turbineni'e'l Ib des Turboladers 2 dann wieder.

Sowohl Turbolader 2 als auch die Brennkraftmaschine, nämlich der Otto- oder Dieselmotor 1 sind gefährdet, wenn entweder dem Turbolader durch hohe Abgastemperaturen und hohe Leistung der Brennkraftmaschine so viel Energie zugeführt wird, daß eine Grenzdrehzahl überschritten wird oder der Turbolader der Brennkraftmaschine eine so hohe Luftladung zuführt, daß der zulässige Kompressions- und Verbrennungsdruck überschritten wird.

Vor dem Ladegebläse la des Abgasturboladers 2 ist ein Luftmengenmesser 21 angeordnet, der einen Luftmengen-Istwert Qi„ mißt und einem nachgeschalteten, bevorzugt elektronischen Regler 22 zufuhrt. Als Luftmengenmesser kann beispielsweise ein Stauscheiben-Luftmengenmesser verwendet werden, wobei als Signal für die angesaugte Ist-Luftmenge Q₁₃, der Verdrehwinkel der Stauscheibe bzw. Stauscheibenhub dient.

Ergänzend wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 gemessen, und zwar mit Hilfe einergeeigneten, vorzugsweise elektronischen Einrichtung, die beispielsweise mittels eines induktiven Gebers den Vorbeilauf von Zähnen eines synchron zur Motorhauptwelle drehenden Zahnrades erfaßt. Diese Drehzahlmeßeinrichtung 23 erzeugt an ihrem Ausgang ein drehzahlpropotionales Signal S„ und führt dieses Signal einem nachgeschalteten Kennliniengenerator 24 zu, der entpsrechend der Formel Q„u =/(n) ein Luftmengen-Sollwertsignal

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Luftdurchsatz wieder auf den vorgegebenen Wert begrenzt ist. Hierdurch ergibt sich eine Regelung des Systems Brennkraftmaschine/Turbolader, die oberhalb der Motordrehzahl, bei welcher der Luftdurchsatz begrenzt wird, mit konstanter Luftzahl eine im wesentlichen konstante Leistung abgibt. Bei der Drehzahlmeßeinrichtung 23, dem Kennliniengenerator 24 und dem Regler 22 handelt es sich vorzugsweise um elektronische Bauteile; das Stellwerk 25' mit zugeordnetem Entlüftungsventil 25a kann als Magnetventil ausgebildet sein.

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Dieses Luftmengen-Sollwertsignal Q„u wird ebenfalls dem Regler 22 zugeführt, der aus den beiden Eingangssignalen die Regelabweichung ermittelt und einem Stellglied 25, welches ein Stellmotor oder der Magnetteil eines Magnetventils sein kann, zurührt, wodurch ein Abblaseventil 20 in der Bypaßleitung 8 entsprechend aufgesteuert wird. Solange der Luftmengen-Sollwert Qku größer als der Luftmengen-Istwert Q_iJt ist, bleibt das Abblaseventil 20 geschlossen. Sobald aber Q,„ > Qxii ist, verstellt der Regler 22 das Ventil 20 so lange, bis Qm = Qkii erreicht wird. Falls erwünscht, kann entsprechend der gestrichelten Linienführung 26 eine Abgasrückführung 27 ohne weiteres noch einbezogen sein.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 2 ist die Ausbildung der Stellgliedeinwirkung auf die Öffnung der Bypaßleitung unterschiedlich zum Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 1, und zwar ist ein Stellwerk25', bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel als Stellmagent ausbildet, vorgesehen, welches mit zugeordnetem Ventil 25a nicht direkt das die Bypaßleitung 8 im Abgasrohr öffnende Abblaseventil bildet, sondern eine Verbindungsleitung 36 zu einem pneumatischen Stellmotor 30a des Abblaseventils 30 je nach Regelbindungen entlüftet. Hierzu verbindet das Ventil 25a über eine Leitung 28 die zum pneumatischen Stellmotor 30a des Abblaseventils 30 führende Leitung 36 mit dem Ansaugrohr 11 vor dem Gebläse, entlüftet die Leitung also; andererseits ist die Leitung 36, vorzugsweise über eine Drossel 35 mit der Druckleitung 37 zwischen dem Verdichterbereich oder Gebläse 2a des Turboladers und dem Einlaßbereich der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Durch diese Entlüftung der Leitung 36 über die Leitung 33 zum Arbeitsraum 39 des pneumatischen Stellmotors 30a ergibt sich eine entsprechend bemessene Öffnung der Bypaßleitung 8, wobei es sich versteht, daß das Gesamtsystem so abgestimmt ist, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Ansaugluftmenge, die sich als Meßwert am Ausgang des Luftmengenmessers Zl ergibt und die mit dem bei 38 zugeführten Luftmengensollwert Q_xU verglichen wird, das Stellwerk 25'vom Regler 22 in einem solchen Sinn angesteuert wird, daß das Entlüftungsventil 25a schließt. Es gelingt dann der als Arbeitsmedium verwendeten, hinter dem Verdichter oder dem Gebläse la des Turboladers aus der Leitung 37 entnommenen Druckluftmenge, im Arbeitsraum 29 des pneumatischen Stellmotors 30a einen sol- chen Druck zu erzeugen, daß das Ventilglied 31 von seinem Sitz abhebt und entsprechende Abgasmengen an der Turbine des Abgasturboladers vorbeileitet, bis der

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Aufladung einer abgasturbogeladenen Brennkra ftmaschine mit Hilfe der Messung der Luftmenge im Ansaugrohr vor dem Lader und entsprechender Ansteuerung eines Abblaseventils in einer Bypaßleitung, dadurch gekennzeichnet, daß

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a) Abblaseventil (20, 30) und Bypaßleitung (8') abgasseitig angeordnet sind, daß

b) das Ausgangssignal eines Luftmengenmessers (21) als Luftmengen-Istwert (Q*) einem Regler (22,22') zugeführt ist, dem ferner ein von einer Drehzahlmeßeinrichtung (23) mindestens mittelbar erstelltes Luftmengen-Sollwertsignal [Qxii =/(«) zugeführt ist und daß

c) je nach ermittelter Regelabweichung über ein nachgeschaltetes Stellglied (25; 25', 25a, 36, 30a) das Abblaseventil (20, 30) betätigbar ist