DE2945570A1

DE2945570A1 - Turbolader-bypass-steuerung

Info

Publication number: DE2945570A1
Application number: DE19792945570
Authority: DE
Inventors: Louis Jerry Billington; Jun William Lee Brown; Thomas Scott Lane
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1978-12-26
Filing date: 1979-11-10
Publication date: 1980-07-10
Also published as: JPS5587823A; GB2038412A

Description

79-S-3756

CATERPILLAR TRACTOR CO., Peoria, Illinois, U.S.A. Turbolader-Bypass-S teuerung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem sowie ein Verfahren zur Steuerung des Vorbeilaufens (Bypass) von Umgebungsluft von der Ansaugleitung zur Auslaßleitung einer Verbrennungskraftmaschine.

Bei Diesel-Motoren mit großer Bohrung ist gelegentlich das Verbrennen von restlichen Brennstoffen, die beträchtliche Mengen an hochkorrodierenden Elementen, wie beispielsweise Vanadium , Schwefel und Natrium enthalten, erforderlich. Diese Elemente sind bestrebt, die Stirnflächen der Auslaßventile des Motors und auch die Rotorschaufeln der Turbine eines für den Motor verwendeten Turboladers zu korrodieren. Vorzeitige Ausfälle, wie beispielsweise schneller Abrieb und übermäßige Leckvorgänge an Ventilen sowie Ermüdungsausfall von Rotorschaufeln sind dann häufig die Folge.

Eine Möglichkeit zur Überwindung dieses Problems besteht darin, ein relativ großes Ausmaß an Ventilüberlappung (beispielsweise 150 ) vorzusehen, was aber normalerweise den Betriebswirkungsgrad des Motors vermindert. Die Ventilüberlappung kann allgemein als die Anzahl der Kurbelwellengrade definiert werden, während welcher die Einlaß- und Auslaßventile beide am Ende des Ausstoßhubs und bei Beginn des Ansaughubs des Motorbetriebs offen sind.

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Der am Motor verwendete Turbolader ist derart konstruiert, daß er die erforderliche Verstärkung liefert, aber doch relativ große Mengen an Umgebungsluft durch die Verbrennungskammern und Ventile während einer solchen Überlappung leitet, um die Auslaßventile zur Korrosionsverzögerung zu kühlen. Das Hindurchleiten von Luft durch die Auslaßventile verdünnt auch die heißen Abgase in der Auslaßleitung, um so ein überhitzen der Schaufeln des Turbinenrotors zu verhindern. Die Rotorschaufeln der Turbine bestehen metallurgisch beispielsweise aus auf Nickel und Kobalt basierenden Legierungen, um Temperaturen im Bereich von 11OO°F zu widerstehen.

Wenn die Ventilüberlappung auf beispielsweise 60° vermindert, so kann die Kühlung der Auslaßventile durch Zirkulation eines Kühlmittels, wie beispielsweise von öl oder Wasser darum herum sichergestellt werden. Obwohl dies das Ventilkühlproblem löst, bleiben die Schaufeln des Turbinenrotors der ziemlich intensiven Wärme der Abgase ausgesetzt.

Eine Lösung für dieses Kühlproblem besteht darin, Mittel zum Vorbeileiten von Luft von der Ansaugleitung zur Auslaßleitung des Motors vorzusehen, und zwar entsprechend der an die Verbrennungskammern während des Motorbetriebs gelieferten Brennstoffmenge. Die Kühlung der Abgase wirkt somit unterstützend beim Halten der Schaufeln des Turbinenrotors unterhalb eines vorbestimmten Temperaturniveaus zur Verhinderung von deren Korrosion,selbst wenn die Ventilüberlappung vermindert wurde.

Ein Problem bei dieser Vorbeileitungs- oder Bypass-Anordnung bestaht darin, daß die Ventilsteuerung der Luftvorbeileitung von der Ansaugleitung zur Auslaßleitung des Motors allein auf die Brennstoffmenge anspricht, die den Verbrennungskammern des Motors zugeführt wird. Diese Bauart einer Bypass-Anordnung berücksichtigt nicht den notwendigen Parameter, der gebildet wird durch den veränderbaren in der Einlaßleitung vorherrschenden Druck. Dieser veränderbare Druck kann in nachteiliger Weise

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den effizienten Betrieb des Motors beeinflussen, und zwar insbesondere dann, wenn der Druck unter einen vorbestimmten Pegel abfällt.

Offenbarung der Erfindung. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eines oder mehrere der Probleme des Standes der Technik,insbesondere der oben genannten Art, zu überwinden .

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein Steuersystem für einen Motor folgendes auf: Kraftstoffliefermittel zur Versorgung des Motors mit Kraftstoff, einen Kompressor zur Verbindung von Umgebungsluft mit einer Einlaßleitung des Motors, eine Auslaßleitung, eine Turbine zur Aufnahme der Abgase von der Auslaßleitung, Bypass-Ventilmittel zur selektiven Vorbeileitung von Luft von der Einlaßsammeileitung zur Turbine, und insbesondere erfindungsgemäß Steuermittel, die erstens mit den Kraftstoffliefermitteln zum Abfühlen der dem Motor zugeführten Kraftstoffmenge verbunden sind, die zweitens mit der Einlaßleitung zum Abfühlen des darin vorhandenen veränderlichen Luftdrucks verbunden sind, und die drittens mit den Bypassventilmitteln verbunden sind, um das öffnen derselben entsprechend der Abfühlung der Kraftstoffmenge und des Luftdruckniveaus zu steuern, um so die Temperatur der über die Auslaßleitung zur Turbine geleiteten Abgase unterhalb einem vorbestimmten Niveau zu halten.

Die Steuermittel lösen auf diese Weise das Problem, die Schaufeln des Turbinenrotors unterhalb eines vorbestimmten Temperaturniveaus (beispielsweise 1100°F) zu halten, um so die Korrosion desselben zu verhindern, wobei auch die Emissionsniveaus abgesenkt werden. Das Steuersystem erleichtert ferner eine beträchtliche Verminderung der Überlappung bei den Einlaß- und Auslaßventilen (beispielsweise von 150° bis 60°).

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Be-

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Schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Turbolader-Bypass-Steuersystem;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt eines im Steuersystem verwendeten Bypass-Ventils;

Fig. 3 ein Analogsteuersystem zur Steuerung des öffnens und Schließens des Bypass-Steuerventils.

Es sei nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wo in Fig. 1 ein Bypass-Steuersystem 1O zwischen einem Turbolader 11 und einem teilweise dargestellten Dieselmotor 12 dargestellt ist, um selektiv Umgebungsluft von einer Einlaßleitung 13 zu einer Auslaßleitung 14 des Motors abzuleiten. Der Turbolader arbeitet in üblicher Weise, indem er Umgebungsluft am Einlaßkanal 15 aufnimmt und durch einen mit Schaufeln versehenen Rotor 16 eines Kompressors 17 in die Einlaßleitung 13 drückt. Der Rotor 16 wird durch eine Welle 18 angetrieben, die ferner an einem mit Schaufeln versehenen Rotor 19 einer Turbine des Turboladers befestigt ist, wobei letztere durch die von der Auslaßleitung 14 gelieferten Abgase angetrieben wird.

Der teilweise dargestellte Motor 12 besitzt eine Vielzahl von Zylindern 21, mit jeweils einem darin hin und her bewegbar angeordneten Kolben. Ein Kraftstoffsystem 22 einschließlich einer Einspritzdüse 23 dient zum Einspritzen vorbestimmter Kraftstoffmengen in die durch den Zylinder in üblicher Weise definierte Verbrennungskammer. Die Einlaßleitung 13 verbindet die Umgebungsluft mit der Verbrennungskammer (oder der Vorverbrennungskammer) über das Einlaßventil 24. Sodann erfolgt während des Zündschritts des Motorbetriebs die Vermischung mit dem Kraftstoff.

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Nach Vollendung der Zünd- und Expansionsschritte öffnet sich ein Auslaßventil 25 und verbindet die Abgase mit der Auslaßleitung 14. Ein wiederholt auftretendes Problem bei dieser Art eines turbogeladenen Dieselmotors besteht darin, daß die Abgase mit relativ beträchtlich hoch korrodierenden Elementen, wie beispielsweise Vanadium, Schwefel und Natrium beladen sein können, wobei diese Elemente die Tendenz besitzen, die Schaufeln des Rotors 19 zu korrodieren, was den möglichen Ermüdungsausfall dieser Schaufeln hervorrufen kann.

Demgemäß besteht der Hauptzweck des erfindungsgemäßen Bypass-Steuersystems 10 darin, die Temperatur der Abgase in der Auslaßleitung 14 unterhalb eines vorbestimmten Niveaus, wie beispielsweise 11OO°F in einer hocheffizienten und genau gesteuerten Weise zu halten. Um dies zu erreichen, ist eine Bypass-Leitung 26 zwischen Einlaßleitung 13 und Auslaßleitung 14 gelegt, um in automatischer Weise Luft von der Einlaßleitung zur Auslaßleitung unter der Steuerung eines elektromagnetbetätigten Bypass-Ventils 27, angeordnet an der Leitung 26, bypass-mäßig zu führen.

Fig. 2 zeigt eine Bauart einer Bypass-Ventilvorrichtung 27 der Bauart mit im Gleichgewicht befindlichem Druck und zweifachem Kopf (Ventil), wobei ein Schaft 28 ein Paar von mit Längsabstand angeordneten kegelstumpfförmig geformten daran befestigten Kopfelementen 29, 30 aufweist. Die Kopfelemente 29 und 30 dienen zum Schließen von ähnlich geformten Sitzen 31 bzw. 32, die in der Leitung 26 ausgebildet sind.

Ein Elektromagnet 33 ist mit einem Ende des Schafts 28 verbunden, um die Köpfe 29 und 30 in ihre in Fig. 2 gezeigten öffnungspositonen bei Erregung einer Spule 34 des Elektromagneten 33 zurückzuziehen. Eine oder mehrere Druckschraubenfedern 35 sind zwischen einem Ende des Schafts 28, welches auch den Kolben des Elektromagneten 33 aufweist, und einem Gehäuse 36 des Elektromagneten angeordnet, um die Köpfe 29 und 30 normalerweise in ihre geschlossenen Positionen auf

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den Sitzen 31 und 32 zu drücken, und zwar bei Enterregung der Spule 34. Das öffnen und Schließen der Bypass-Ventilvorrichtung 27 geschieht entsprechend einem zur Spule 34 des Elektromagneten 33 über einen Leiter 37 übertragenen Signal, welches von einer elektronischen Steuervorrichtung 38 kommt, die mit dem Leiter 37 in Verbindung steht.

Es seien nunmehr weitere erfindungsgemäße Merkmale zusammen mit der industriellen Verwendbarkeit der Erfindung diskutiert. Die Steuermittel 38 stehen über einen Leiter 39 mit einem üblichen Druckgeber oder Wandler 40 in Verbindung, der seinerseits mit der Einlaßleitung 13 verbunden ist, um den Luftdruck darin abzufühlen und um ein proportionales elektrisches Signal an die Steuermittel in üblicher Weise zu liefern. Die Steuermittel 39 sind ferner über einen Leiter 41 mit einem üblichen linearen veränderbaren Verschiebungswandler (LVDT = Linear Variable Displacing Transducer) 42 verbunden, um von dort ein elektrisches Signal zu empfangen, welches von der Linearposition einer üblichen Zahnstange 43 des Brennstoff systems 22 abhängt. Auf diese Weise stehen die elektronischen Steuermittel 38 mit folgendem in Verbindung:

1. mit den das Kraftstoffsystem 22 aufweisenden Kraftstoffliefermitteln, um die zu der Kraftstoffeinspritzdüse 23 gelieferte Kraftstoffmenge abzufühlen,

2. mit der Einlaßleitung 13 zum Abfühlen des veränderbaren darin vorliegenden Luftdrucks, und

3. mit Bypass-Ventilmitteln 22 über einen Elektromagneten

33, um so das öffnen und Schließen der Bypass-Ventilmittel entsprechend der Abfühlung von Kraftstoff und Luftdruck zu steuern, um so die Temperatur der zur Turbine 20 über Auslaßleitung 14 geleiteten Abgase unterhalb eines vorbestimmten Niveaus von beispielsweise 1100 F zu halten.

Fig. 3 ist eine typische analoge Steuerschaltung, die Steuermittel aufweisen kann, um automatisch das öffnen und Schliessen der Bypass-Ventilraittel 2^Ί durch Elektromagneten 33 zu steuern. Speziell ist die Regierzahnstange 4 3 mit dem sehe-

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matisch in der Form eines Potentiometers dargestellten LVDT 42 verbunden, um eine veränderbare erste Spannung oder ein erstes elektrisches Signal an einen Summierverbindungspunkt 44 über Leiter 41 anzulegen. Die Spannung ist natürlich proportional zu den Zylindern 21 des Motors 12 zugeführten Kraftstoffmenge. Eine zweite Spannung oder ein zweites elektrisches Signal wird zum Summierverbindungspunkt 44 über Leiter 39 übertragen, der mit dem Druckwandler 40 verbunden ist, wobei diese Spannung proportional zum Luftdruckpegel in der Einlaßleitung 13 ist.

Der Summierverbindungspunkt 4 4 liefert seinerseits eine Ausgangsspannung an den Eingang eines Komparators 45, und zwar entsprechend der algebraischen Summe der dem Summierverbindungspunkt 44 über die Leiter 39 und 41 zugeleiteten Eingangsspannungen. Ferner wird dem Komparator 45 eine Bezugsspannung über einen Bezugseingangsleiter 46 zugeführt, wobei der Leiter 46 andererseits mit einem Potentiometer 4 7 in Verbindung steht, um die Vorauswahl eines Bezugsspannungspegels zu ermöglichen. Wenn die Ausgangsspannung des Summierverbindungspunktes 44 die vorgewählte Bezugsspannung übersteigt, so wird der Komparator 45 ein Ausgangssignal erzeugen, welches durch einen Leistungsverstärker 48 verstärkt wird, um den den Kolben tragenden Schaft 28 des Elektromagneten 33 zurückzuziehen, um so das Bypass-Ventil 27 zu öffnen (Fig. 2.)

Auf diese Weise wird Luft in der Einlaßleitung 13 zur Auslaßleitung 14 vorbeigeleitet, um die der Turbine 20 über die Auslaßleitung 14 zugeführten Abgase zu vermischen und verdünnen (Fig. 1). Die dem Rotor 19 zugeführten Abgase werden auf diese Weise unterhalb eines vorbestimmten Temperaturpegels (beispielsweise 1100°F) gehalten, um jedwede mögliche Korrosion der Rotorschaufeln zu verhindern. Zudem reduziert diese Verdünnung der Abgase die an die Umgebung abgegebene Verunreinigung. Ferner kann die Ventilüberlappung, wie beispielsweise zwischen den Einlaßventilen 24 und den Auslaßventilen 25, beträchtlich vermindert werden, beispielsweise

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auf von 150° bis 60°, da eine beträchtliche Menge des Vorbeileitens von Luft von den Einlaßleitungen zu den Auslaßleitungen des Motors nun nicht, erforderlich ist.

Es sei bemerkt, daß trotz der Tatsache, daß Fig. 3 eine typische analoge Steuerschaltung zeigt, die bei Durchführung der Erfindung verwendet werden kann, eine solche Schaltung in einfacher Weise in eine digitale Steuerschaltung umgewandelt werden könnte, und zwar mit zugehörigem Programm, wie dies dem Fachmann bekannt ist.

Weitere Aspekte, Ziele sowie Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einer Betrachtung der Zeichnungen sowie der Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit einen Turbolader 11 zwischen den Einlaß(13)- und Auslaß(14)-Leitungen einer Verbrennungskraftmaschine 12 vor, wobei ein Bypass-Ventil 27 zwischen den Einlaß- und Auslaßleitungen liegt,um in selektiver Weise Luft von der Einlaßleitung 13 zur Auslaßleitung 14 zu leiten, um so die Rotorschaufeln 19 der Turbine 20 des Turboladers 11 unterhalb eines vorbestimmten Temperaturniveaus zu halten. Das öffnen des Bypassventils 27 wird durch ein analoges oder digitales Steuersystem 38 reguliert, welches die den Verbrennungskammern des Motors 12 zugeführte Kraftstoffmenge und den Luftdruck in der Einlaßleitung 13 abfühlen, um in effizienter Weise die Temperatur der Abgase der Auslaßleitung 14 zu steuern.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Steuermittel in einem Motor mit Kraftstoffliefermitteln (22) zur Lieferung von Kraftstoff an den Motor (12), mit einem Kompressor (17) zur Lieferung von Umgebungsluft an die Einlaßleitung (13) des Motors (12), mit einer Auslaßleitung (14) verbunden mit den Verbrennungskammern des Motors (12) zur Aufnahme von Abgasen, mit einer Turbine (20) verbunden mit der Auslaßleitung (14) zur Aufnahme von Abgasen und ferner verbunden mit dem Kompressor (17) zu dessen Antrieb, und mit Bypass-Ventilmitteln (27) zum selektiven Vorbeileiten von Luft von der Einlaßleitung(13) zu der Auslaßleitung (14), dadurch gekennzeichnet , daß die Steuermittel (33, 38, 40) verbunden sind mit (A) den Kraftstoffliefermitteln (22) zum Abfühlen der dem Motor (12) zugeführten Kraftstoffmenge, mit (B) der Einlaßleitung (13) zum Abfühlen des darin vorhandenen veränderbaren Luftdrucks und mit (C) den Bypass-Ventilmitteln (27) zur Steuerung des öffnens und Schließens dieser Bypass-Ventilmittel (27) infolge der Abfühlung des Kraftstoffs und des Luftdrucks, um so die Temperatur der der Turbine (20) über die Auslaßleitung (14) zugeführten Abgase unterhalb eines vorbestimmten Niveaus zu halten.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Ventilmittel (27) auf einer Leitung (26) angeordnet sind, welche die Einlaßleitung (13) und die Auslaßleitung (14) verbindet, und wobei die Steuermittel (33, 38, 40) einen Elektromagneten (33) verbunden mit den Bypass-Ventilmitteln (27) aufweisen.
3. Motor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (33) einen Kolben aufweist, und daß die Bypass-Ventilmittel (27) einen mit dem Kolben ver-

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bundenen Schaft (28) zur gleichzeitigen Bewegung damit aufweisen.
4. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Ventilmittel (27) ferner ein Paar von in Längsrichtung mit Abstand angeordneten Ventilköpfen (29, 3O), befestigt am Schaft (28) sowie ein Paar von in der Leitung (26) gebildeten Sitzen (31, 32) aufweisen, und zwar sind die Einlaß- und Auslaßleitungen (13, 14) mit jedem Sitz (31, 32) verbunden, wobei jeweils einer der entsprechenden Köpfe (29, 3O) sich auf diesen Sitzen dann befindet, wenn die Bypass-Ventilmittel (27) in ihrem geschlossenen Betriebszustand gehalten sind.
5. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein linear veränderbarer Verschiebungswandler (42) mit den Brennstoffliefermitteln (22) verbunden ist, daß ein Druckwandler (40) mit der Einlaßleitung (13) verbunden ist, und wobei die Steuermittel (33, 38, 40) eine elektronische Steuervorrichtung (38) aufweisen, die elektrisch mit dem linear variablen Versetzungswandler (4 2) und dem Druckwandler (40) verbunden sind,um von dort elektrische Signale zu empfangen, und wobei die Verbindung ferner mit einem Elektromagneten (33) erfolgt, um ein elektrisches Steuersignal dorthin zu übertragen.
6. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuermittel (33, 38, 40) einen Analogsteuerkreis aufweisen mit Summierverbindungsmitteln (44), angeordnet zwischen dem linear veränderbaren Verschiebungswandler (42) und dem Druckwandler (40), wobei ferner ein Komparator (45) zwischen dem Elektromagneten (33) und den Summierverbindungsmitteln (44) liegt, und schließlich ein Potentiometer (47) an den Komparator (45) angeschlossen ist.

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7. Verfahren zur Ableitung von Umgebungsluft von einer Einlaßleitung (13) zu einer Auslaßleitung (14) einer Verbrennungskraftmaschine (12) zur Aufrechterhaltung der Temperatur der einer Turbine (20) eines Turboladers (11) zugeführten Abgase unterhalb eines vorbestimmten Pegels, gekennzeichnet durch:

Abfühlen der dem Motor (12) zugeleiteten Kraftstoffmenge, Abfühlen des Luftdrucks in der Einlaßleitung (13), und automatisches Ableiten von Umgebungsluft von der Einlaßleitung (13) zur Auslaßleitung (14) infolge des Abfühlens des Kraftstoffs und des Luftdrucks, um die Temperatur der Abgase in der Auslaßleitung (14) unterhalb eines vorbestimmten Niveaus zu halten.

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