DE2950802C2

DE2950802C2 - Entlastungssteuerung für Abgasturbolader

Info

Publication number: DE2950802C2
Application number: DE2950802A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Sumi; Tsuguo Watanabe; Ken Yokohama Yamane
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-12-18
Filing date: 1979-12-17
Publication date: 1981-10-15
Also published as: US4356695A; GB2043167B; JPS5584817A; GB2043167A; DE2950802A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Entlastungssteuerung für den Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten ArL

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine (US-PS 40 75 849, 40 05 579) ist in der Auspuffleitung die Turbine eines Abgasturboladers angeordnet. Die von den Abgasen beaufschlagte Turbine treibt einen in der Ansaugleitung der Maschine an der Zuströmseite einer Drosselklappe angeordneten Lader. Mit der Auspuffleitung ist eine die Turbine überbrückende Umgehungsleitung verbunden, deren Durchströmung mittels eines durch eine Membrane betätigbaren Absperrorgans -steuerbar ist. Die Membrane ist einerseits über eine an der Auslaßseite des Laders mit der Ansaugleitung verbundene Druckleitung von einem Steuerdruck und andererseits vom atmosphärischen Druck beaufschlagt und durch eine Feder in Schließrichtung des Absperrorgans belastet.

Die Druckleitung mündet an der Auslaßseite des Laders im wesentlichen radial und bündig mit der Wandung der Ansaugleitung abschließend in dieser aus, so daß der die Membrane der durch die Feder ausgeübten Belastung entgegengesetzt beaufschlagende Steuerdruck im wesentlichen gleich dem in der Ansaugleitung herrschenden statischen Druck ist.

Bei einer bekannten Entlastungssteuerung der vorstehend beschriebenen Art wird die Größe des zum Öffnen des Absperrorgans der Umgehungsleitung notwendigen statischen Drucks so gewählt, daß ein Klopfen und dadurch möglicherweise hervorgerufene Schaden an der Brennkraftmaschine vermieden wird. Solange das Absperrorgan bei voll geöffneter Drosselklappe geöffnet ist, bleibt der statische Druck auch bei steigender Drehzahl auf dem vorbestimmten Wert, um im Bereich der Höchstdrehzahl eine übermäßige Belastung der Maschine und die Gefahr von dadurch hervorgerufenen Schaden zu vermeiden. Da das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment proportional dem Ladedruck und dieser wiederum proportional dem vom Lader erzeugten Druck und dem statischen Druck ist, ergibt sich aus der Konstanthaltung des statischen Drucks auf dem vorbestimmten Wert ein im wesentlichen konstantes Ausgangsdrehmoment der Brennkraftmaschine.

Die bekannte Anordnung ermöglicht somit eine brauchbare Steuerung im Höchstdrehzahlbereich der Maschine. Bei mittleren und niedrigen Drehzahlen bleibt das Absperrorgan der Umgehungsleitung jedoch ebenfalls geöffnet, um das Drehmoment der Maschine konstant zu halten, so daß das in diesen Drehzahlbereichen abgebbare Drehmoment nicht voll ausgenut?t wird.
In Dieselmotoren und Benzinmotoren für Fahrzeuge

ίο kommt es jedoch nicht nur auf eine Steigerung der Höchstleistung an, sondern auch auf die bestmögliche Ausnutzung des Drehmoments in den mittleren und niedrigen Drehzahlbereichen.

Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß der Turbolader mit einer möglichst hohen Drehzahl arbeitet. Dazu könnte zwar das Absperrorgan der Umgehungsleitung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Turboladers gesteuert werden, was jedoch einen hohen konstruktiven Aufwand erfordern würde (US-PS 25 59 623). Andererseits ändert sich jedoch der statische Druck in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft, selbst wenn die Drehzahl des Turboladers konstant gehalten wird. Die herkömmliche Steuerung des Turboladers auf der Basis des statischen Drucks reic-ht daher nicht aus, den gesamten Drehzahlbereich der Maschine abzudecken.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Entlastungssteuerung für einen Turbolader der genannten Art ai'f der Basis eines der Drehzahl des Turboladers im wesentlichen proportionalen Parameters, welcher durch Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft oder der Drehzahl der Maschine nicht beeinflußt wird.
Gemäß der Erfindung wird als ein solcher Parameter der sich aus dem statischen Druck und dem dynamischen Druck an der Auslaßseite des Laderteils des Abgasturboladers zusammensetzende Gesamtdruck verwendet.
Die Erfindung schafft somit eine Entlastungssieuerung für den Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einer die Abgasturbine überbrückenden Umgehungsleitung und einer die Durchströmung der Umgehungsleitung steuernden Absperreinrichtung, welche ein Absperrelement und eine betätigungsüber-

•15 tragend mit diesem verbundene Membrane aufweist, wobei gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß die Membrane vom Gesamtdruck des Ladeluftstromes an der Auslaßseite des Gebläserads des Laders beaufschlagt ist.

5» Durch die Verwendung des Gesamtclrucks als der genannte Parameter öffnet das die Durchströmung der Umgehungsleitung steuernde Absperrorgan in den mittleren und niedrigen Drehzahibereichen der Maschine zu einem späteren Zeitpunkt als bei einer

5S herkömmlichen Anordnung, so daß der Lader mit einer höheren Drehzahl arbeitet und die Maschine dadurch ein größeres Drehmoment abgibt. Im oberen Drehzahlbereich bewirkt der am Lader abgenommene dynamische Druck ein früheres bzw. stärkeres Öffnen des Absperrorgans, um auf diese Weise die Maschine zu schonen.

In einer bevorzugten Ausführungsform einer Entlastungssteuerung der genannten Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß für die Abnahme des Gesarntdrucks eine Drucksonde in das Ladergehäuse eingeführt und mit ihrer Mündung der Auslaßströmung des Gebläserads entgegengewandt ist.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin-

dung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

j? Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Brenn-

■y kraftmaschine mit einem Turbolader und einer bekann-

ten Entlastungssteuerung für denselben,

₍ F i g. 2 den Anschluß einer Druckleitung an einer

; Ansaugleitung in der Ausführung nach F i g. 1,

,;· F i g. 3 eine Schnittansicht eines Ladergehäuses und

_f einer daran angeschlossenen Drucksonde in einer

Ausführungsform der Erfindung,

Fig.4 eine Axialschnittansicht des Laders nach Fig.3,

Fig.5 eine, grafische Darstellung des Drehzahlverlaufs bei Verwendung der erfindungsgemäßen Steuerung,

i^; Fig.6 eine grafische Darstellung der Beziehungen

zwischen einem Druckverhältnis P 2/Pi und der ; Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft bei konstanter Öffnung der Drosselklappe und

Fig.7 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen einem Druckverhältnis P'2/PI und der

i, Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft bei konstan-

% ter Öffnung der Drosselkiappe.

Die Erfindung ist an einer mit einem Turbolader

arbeitenden Brennkraftmaschine anwendbar, welche im

■'S wesentlichen den gleichen Aufbau hat wie die in F i g. 1

* dargestellte.

tj Am Auspuffkrümmer 2 einer in Fig. 1 gezeigten

Brennkraftmaschine 1 ist ein Turbinengehäuse 13a

angeschlossen. Die in diesem gelagerte Turbine Za eines Turboladers 3 wird von den über den Auspuffkrümmer 2 zugeführten Abgasen der Maschine beaufschlagt und ist

über eine Welle 3c antriebsübertragend mit einem Gebläserad 3b des Turboladers 3 verbunden. Das Gebläserad 3b ist in einem Ladergehäuse 13b gelagert, welches am Einlaß eines Ansaugkrümmers 5 angeschlossen ist. Dieser enthält eine Drosselklappe 5a und

• ist mit einer Reihe von Brennstoff-Einspritzventilen Γ bestückt. Das von der Turbine 3a angetriebene Gebläserad 3b fördert der Maschine 1 komprimierte Ansaugluft über den Ansaugkrümmer 5 und die ίο Drosselklappe 5a zu.

Der Auslaß des Turbinengehäuses 13a ist mit einem Auspuff-Schalldämpfer 14 verbunden. Eine die Turbine 3a überbrückende Umgehungsleitung 6 verbindet den Auspuffkrümmer 2 mit der Auslaßseite des Turbinengehäuses 13a, so daß ein Teil der Abgase dem Schalldämpfer 14 zugeleitet werden kann, ohne die Turbine 3a zu beaufschlagen. Die Durchströmung der Umgehungsleitung 6 ist mittels eines Ventils 7 steuerbar. Dieses hat einen Ventilschaft 7a, welcher an einem Ende einen Ventilkopf Tb trägt und am anderen Ende mit einer Membrane 9 einer Membrandose 8 verbunden ist. Die Membrane 9 unterteilt die Membrandose 8 in eine Druckkammer 8a und eine über einen Durchlaß 8b mit der freien Atmosphäre verbundene offene Kammer 8c und ist durch eine in der offenen Kammer 8c angeordnete Feder 11 in der Schließrichtung des Ventils 7 belastet.

Die Druckkammer 8a ist über eine Druckleitung 10 mit der Ansaugleitung der Maschine 1 verbunden. Wie man in Fig.2 erkennt, mündet die Druckleitung 10 in der bekannten Anordnung im wesentlichen radial und bündig mit der Wandung der Ansaugleitung abschließend in dieser aus, so daß die Druckkammer 8a, wie eingangs erläutert, mit dem in der Ansaugleitung ^ herrschenden statischen Druck gespeist ist.

Gemäß der Erfindung verbindet die Druckleitung 10 die Druckkammer 8a mit einer in Fig.3 und 4 dargestellten Drucksonde 12 Diese ist in tangentialer Richtung durch die Wandung des Ladergehäuses \3b hindurch in dieses eingeführt, so daß ihre Mündung der Auslaßströmung des Gebiäserades 13b entgegengewandt und dadurch vom dynamischen Druck der Gebläseluft beaufschlagt ist Die Druckkammer 8a der Membrandose 8 ist daher über die Leitung 10 mit dem an der Äuslaßseite des Gebläserades 3b des Laders herrschenden Gesamtdruck P'2 gespeist.

In F i g. 5 sind die Beziehungen zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl der Maschine dargestellt Dabei zeigt die durchgehende Linie den Drehmomentverlauf einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Steuerung und die strichpunktierte Linie denjenigen einer herkömmlich gesteuerten Maschine. Aus dieser Darstellung wird deutlich, daß der Drebmomentverlauf im hohen Drehzahlbereich bei beiden Maschinen im wesentlichen gleich ist, während die erfindungsgemäße Ausführung in den mittleren und niedrigen Drehzahlbereichen die Ausnützung eines höheren Drehmoments ermöglicht

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zu derjenigen der in F i g. 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Entlastungssteuerung ist in F i g. 6 und 7 dargestellt Dann sind der Einlaßdruck des Laders mit Pl, der statische Druck am Auslaß des Laders mit P2 und der Gesamtdruck, d. h. die Summe des statischen Drucks und des dynamischen Drucks an der Auslaßseite des Laders mit P'2 bezeichnet.

Fig. 6 zeigt die Beziehungen des Druckverhältnisses PI/P2 zur Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft bei konstanter Öffnung der Drosselklappe, und Fig. 7 zeigt die Beziehungen des Druckverhältnisses Pi/P'2 zur Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft bei konstanter Öffnung der Drosselklappe. Dabei ist die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft etwa proportional der Drehzahl der Maschine in U/min. In F i g. 6 und 7 ist die Anstiegskurve strichpunktiert gezeichnet, während die strich-doppelpunktierten Kur ven die Laderdrehzahl angeben. Wie man aus einem Vergleich von F i g. 6 und 7 erkennt, gibt das Druckverhältnis P'21 Pi die Laderdrehzahl, bezogen auf die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft, mit größerer Genauigkeit wieder als das Druckverhältnis P12/P 1. Durch die Verwendung des Gesamtdrucks P'2 an der Äuslaßseite des Gebläserades des Laders erhält man somit eine Steuergröße, welche sich nahezu proportional der Laderdrehzahl ändert. Daraus ergibt sich, daß sich die Laderdrehzahl bei Konstanthaltung des Druckverhältnisses P'2/Pl nicht wesentlich ändert, so daß sich das Ausgangsdrehmoment, anders als bei der das Druckverhältnis P2/P1 konstant haltenden herkömmlichen Steuerung, im wesentlichen konstant halten läßt.

Die Betätigung des Entlastungsventils bei herkömmlicher Steuerung ist in Fig.6 durch die ausgezogene Linie A-fl-Cdargestellt Das Ventil beginnt am Punkt B zu öffnen und wird in geradlinigem Verlauf bis zur vollständig geöffneten Stellung am Punkt C betätigt, so daß man ein konstantes Drehmoment erhält. Die Betätigung des Entlastungsventils bei Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerung ist in Fig. 7 durch die ausgezogene Linie A-B-B'-C dargestellt. Das Ventil bleibt über die Strecke A-B-B' geschlossen und beginnt erst am Punkt B' zu öffnen. Das mittels des Gesamtdrucks P'2 gesteuerte Ventil erreicht am Punkt C seine voll geöffnete Stellung, so daß eine konstante Laderdrehzahl erzielt wird. Dadurch läßt sich das

maximale Drehmoment wirksam ausnützen. Die gestrichelte Linie A-B-B'-C in Fig. 6 ergibt sich aus einer Umrechung der Linie A-B-B'-C aus Fig. 7 auf das Druckverhältnis P2IPX. Die gestrichelte Linie A-B-B'-C in Fig.6 steigt bis zur vorgesehenen Höchstdrehzahl! des Laders an, so daß das maximale Drehmoment im mittleren Drehzahlbereich der Maschine wirksam ausgenützt werden kann. Zur Erzielung der gewünschten Höchstdrehzahl des Laders am F'unkt ß'in Fig.6 und 7 kann die von der Feder 11 ausgeübte Belastung entsprechend eingestellt werden.

Durch die Verwendung des Gesamtdrucks des Laders als Parameter für die Entlastungssteuerung ermöglicht die Erfindung somit im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine mit herkömmlichen Turbolader eine bessere Nutzung des Drehmoments in den mittleren und niedrigen Drehzahlbereichen der Maschine.

Häerzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Entlastungssteuerung für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einer die Abgasturbine überbrückenden Umgehungsleitung und einer die Durchströmung der Umgehungsleitung steuernden Absperreinrichtung, weiche ein Absperrelement und eine betätigungsübertragend mit diesem verbundene Membrane aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (9) vom Gesamtdruck des Ladeluftstroms an der Auslaßseite des Gebläserades (3b) des Laders beaufschlagt ist

2. Entlastungssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abnahme des Gesamtdrucks (P'2) eine Drucksonde (12) in das Ladergehäuse (136,) eingeführt und mit ihrer Mündung der Auslaßströmung des Gebläserads (3b) entgegengewaiidt ist.