DE10202322A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine

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Abstract

Bekannte Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie weisen einen Waste-Gate-Bypass auf. Bei einer Fehlfunktion eines den Waste-Gate-Bypass steuernden Ventils kann es jedoch zu einem unerwünscht hohen Druckanstieg im Ansaugstrang und im Abgasstrang kommen, was zur Beschädigung von Bauteilen führen kann. DOLLAR A Um dies auszuschließen, wird bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ein Drucksensor vorgeschlagen, der den Druck in oder stromaufwärts der Turbine bestimmt und einem elektronischen Steuergerät übermittelt. Bei vom Steuergerät festgestelltem Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den Druck wird die Turbinengeometrie so verändert, dass eine Schädigung der Turbine ausgeschlossen werden kann. DOLLAR A Die Erfindung ist für Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader vorgesehen, die insbesondere mit einer Motorbremseinrichtung ausgestattet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 7.
  • Es sind Abgasturbolader mit variabler Geometrie, sogenannte VTG (variable Turbinengeometrie) bekannt (DE 198 57 234 A1), um durch eine an den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abgestimmte Turbinengeometrie einen angepassten Druckaufbau des Verdichters des Abgasturboladers zu erhalten. Derartige Abgasturbolader werden auch für Lastkraftwagen eingesetzt, die über eine Motorbremseinrichtung verfügen. Im Motorbremsbetrieb bzw. Schiebebetrieb wird vom Verdichter des Abgasturboladers verdichtete Luft der Brennkraftmaschine zugeführt. Die vorverdichtete Luft wird im Zylinder abermals komprimiert und danach über ein separates Ventil am Zylinderkopf in den Abgasstrang abgeblasen und gelangt dann weiter zur Turbine des Abgasturboladers. Da im Motorbremsbetrieb kein Verbrennungsvorgang in den Brennräumen stattfindet, wird durch eine verstärkte Aufladung eine erhöhte Motorbremswirkung erzielt.
  • Die im Motorbremsbetrieb auftretenden Drücke können dabei so groß werden, dass eine Beschädigung der Turbine des Abgasturboladers auftreten kann. Um dies auszuschließen ist ein Bypass im Abgasstrang vorgesehen, der in Offenstellung eines im Bypass untergebrachten Ventils, eines sogenannten Waste-Gate- Ventils, die Turbine des Abgasturboladers überbrückt. Das Waste-Gate-Ventil ist elektrisch über ein elektronisches Steuergerät ansteuerbar. Kommt es jedoch zu einer Fehlfunktion des Waste-Gate-Ventils im Bypass, beispielsweise durch mechanisches Verklemmen, so kann im Motorbremsbetrieb der auftretende Druckanstieg an der Turbine nicht mehr durch Abblasen abgebaut werden. Dies hat zur Folge, dass über den von der Turbine angetriebenen Verdichter weiter verstärkt Druck im Ansaugstrang erzeugt wird. Der Druck kann dabei Werte annehmen, die über Maximalwerte der Bauteile im Ansaugstrang liegen, so dass es zu einer Schädigung von Bauteilen kommt. Insbesondere kann der Druckanstieg im Ansaugstrang der Brennkraftmaschine so groß werden, dass der Maximaldruck eines stromab des Verdichters des Abgasturboladers üblicherweise verbauten Ladeluftkühlers von zum Beispiel 2 bar überstiegen wird, so dass es zu einer Beschädigung des Ladeluftkühlers kommt. Des Weiteren kann die Turbine aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten Schaden nehmen. Insbesondere können Schwingungen auftreten, die bei Erreichen der Resonanzfrequenz die Turbinenschaufeln zerstören.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Sicherheitssystem geschaffen wird, welches einen abgesicherten Motorbremsbetrieb gestattet, bei dem es auch bei einer Fehlfunktion eines vorgesehenen Ventils im Bypass nicht zu einem unerwünscht hohen Druckanstieg im Ansaugstrang und im Abgasstrang kommt.
  • Das Bereitstellen dieser Sicherheitsfunktion ist vorteilhafterweise ohne großen Aufwand möglich, da eine üblicherweise schon vorhandene elektrische Verstellung der Turbinengeometrie, insbesondere Leitschaufelverstellung, genutzt werden kann. Diese Sicherheitsfunktion ist dabei in das bereits vorhandene Steuergerät als weiteres Softwaremodul einfach implementierbar.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bzw. des Verfahrens zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 möglich.
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In der Zeichnung ist schematisch vereinfacht eine Brennkraftmaschine 1 mit einem strichpunktiert umrandeten Abgasturbolader 2 gezeigt, dessen Verdichter 4 über eine Einlassleitung 8 Luft in eine erste Ansaugleitung 9 der Brennkraftmaschine 1 fördert. Der Verdichter 4 ist mittels einer Laderwelle 7 drehfest mit einer Turbine 3 verbunden, welche den Verdichter 4 antreibt. Die Turbine 3 wird im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit dem Abgasstrom aus den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt. Das Abgas wird von der Brennkraftmaschine über eine Abgasleitung 12 in die Turbine 3 geleitet. Über eine Auslassleitung 14 gelangt das Abgas aus der Turbine 3 beispielsweise weiter in einen nicht näher dargestellten Katalysator. Die vom Verdichter 4 verdichtete Luft strömt von der ersten Ansaugleitung 9 zu einem Ladeluftkühler 11 und vom Ladeluftkühler 11 gekühlt in eine zweite Ansaugleitung 10 weiter zu den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine 1.
  • Die Abgasleitung 12 der Brennkraftmaschine 1 weist einen sogenannten Waste-Gate-Bypass 5 auf, durch den der Abgasstrom unter Umgehung der Turbine 3 direkt zur Auslassleitung 14 geleitet werden kann. Wird ein im Bypass 5 untergebrachtes, vorzugsweise elektromagnetisch betätigbares Ventil 15, welches den Waste-Gate-Bypass 5 steuert, geöffnet, so verringert sich der Abgasdruck auf die Turbine 3. Dies hat zur Folge, dass auch die Verdichterleistung des Verdichters 4 entsprechend abnimmt, so dass es zu einem erwünschten Druckabfall in dem Ansaugstrang 9, 10 kommt. Derartige Ventile 15 sind als Waste-Gate-Ventile bekannt und über eine Steuerleitung 30 von einem elektronischen Steuergerät 35 ansteuerbar.
  • Die Turbine 3 weist eine verstellbare Geometrie bekannter Bauart auf, die in der Zeichnung durch ein Verstellelement 21 schematisch gekennzeichnet wird. Das Verstellelement 21 ist über ein Stellglied 20 ansteuerbar. Das Stellglied 20 ist über eine Ansteuerleitung 31 mit dem elektronischen Steuergerät 35 verbunden. Über Impulse des Steuergeräts 35 erfolgt die Ansteuerung des Stellgliedes 20, was zu einer Verstellung des Verstellelements 21 der Turbine 3 führt. Es können zur Verwirklichung der Erfindung alle Ausführungen einer verstellbaren Turbinengeometrie in Betracht kommen. Bei dem Verstellelement 21 kann es sich um eine bekannte stufenlos verstellbare, elektronische Leitschaufelverstellung oder Leitgittervertellung handeln, wie sie zum Beispiel in der DE 195 43 190 C2 beschrieben ist. Möglich sind auch Schieberlösungen, bei der die Abgasflut, beispielsweise eines zweiflutig ausgebildeten Turbinengehäuses, von einem axial bewegbaren Schieber gesteuert wird. Der Schieber ist elektromagnetisch verschiebbar ausgebildet und kann ebenfalls von einem elektronischen Steuergerät angesteuert werden. Derartige Lösungen sind der Fachwelt unter dem Begriff Schieber-VTG hinreichend bekannt. Beispielhaft zur Ausführung einer Schieberlösung wird hierzu auf die DE 199 24 228 A1 hingewiesen. Die Betätigung des Schiebers, der das Verstellelement 21 darstellt, kann zum Beispiel auch über einen elektrischen Antrieb, beispielsweise einem Stellmotor, erfolgen, welcher dann das Stellglied 20 darstellt.
  • Erfindungsgemäß ist in der Turbine 3 bzw. innerhalb deren Gehäuse oder stromaufwärts der Turbine 3 in der Abgasleitung 12 ein Drucksensor 22 verbaut. Der Drucksensor 22 bestimmt den Druck stromauf des Verstellelements 21 bzw. den Druck in der Abgasleitung 12. Über eine elektrische Leitung 32 ist der Drucksensor 22 an das Steuergerät 35 angeschlossen, das die Signale des Drucksensors 22 auswertet. Bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldruckwertes in der Turbine 3 bzw. in der Abgasleitung 12 von beispielsweise etwa 2 bar, der bei einem Störfall des Waste-Gate-Ventils 15, zum Beispiel durch mechanisches Verklemmen, auftreten kann, wird dies vom Steuergerät 35 festgestellt. Daraufhin steuert das Steuergerät 35 das Stellglied 20 so an, dass das Verstellelement 21 der Turbine 3 in eine die Schaufeln eines Turbinenrades nicht schädigende Stellung fährt. Bei dieser Stellung kann es sich um eine Offenstellung handeln, bei der das Turbinenrad mit verringerter Strömungsgeschwindigkeit durchströmt wird. Bei verstellbaren Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes werden die Leitschaufeln in eine Offenstellung gebracht, so dass der Abstand zwischen den einzelnen Leitschaufeln maximal wird. Bei der Schieber-Lösung wird der Schieber aus den Abgasfluten der Turbine herausgezogen, so dass die Strömung verlangsamt aus den Abgasfluten ohne Behinderung auf das Turbinenrad gelangt.
  • Das Bereitstellen dieser Sicherheitsfunktion ist vorteilhafterweise ohne großen Aufwand möglich, da eine üblicherweise bereits vorhandene elektrische Verstellung der Turbinengeometrie, insbesondere Leitschaufelverstellung, genutzt werden kann. Diese Sicherheitsfunktion ist dabei in das Steuergerät 35 als weiteres Softwaremodul einfach implementierbar.

Claims (12)

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen Verdichter und eine Turbine aufweist, deren Geometrie veränderbar ist, mit einem die Turbine überbrückenden Bypass, in welchem ein Ventil (Waste-Gate) den Durchfluss steuert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (22) vorgesehen ist, der den Druck in oder stromaufwärts der Turbine (3) bestimmt und einem elektronischen Steuergerät (35) übermittelt, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den Druck die Turbinengeometrie so steuert, dass eine Schädigung der Turbine (3) ausgeschlossen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (22) innerhalb eines Turbinengehäuses stromaufwärts eines Turbinenrades der Turbine (3) vorgesehen ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (22) in einer Abgasleitung (12) zwischen Turbine (3) und Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (35) ein Stellglied (20) ansteuert, das zur Änderung der Turbinengeometrie ein Verstellelement (21) betätigt.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (21) in Form einer Leitschaufelverstellung vorliegt.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (21) in Form eines Schiebers vorliegt, der bei einer mehrflutig ausgebildeten Turbine (3) die Abgasströmung vor einem Turbinenrad steuert.
7. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen Verdichter und eine Turbine aufweist, deren Geometrie veränderbar ist, mit einem die Turbine überbrückenden Bypass, in welchem über ein Ventil (Waste-Gate) der Durchfluss gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Drucksensor (22) det Druck in oder stromaufwärts der Turbine (3) bestimmt wird und einem elektronischen Steuergerät (35) zuleitet wird, wonach bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den Druck die Turbinengeometrie so gesteuert wird, dass eine Schädigung der Turbine (3) ausgeschlossen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (22) innerhalb eines Turbinengehäuses stromaufwärts eines Turbinenrades der Turbine (3) den Druck bestimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (22) den Druck in einer Abgasleitung (12) zwischen Turbine (3) und Brennkraftmaschine (1) bestimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über das Steuergerät (35) ein Stellglied (20) ansteuert wird, das zur Änderung der Turbinengeometrie ein Verstellelement (21) betätigt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (21) in Form einer Leitschaufelverstellung vorliegt.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (21) in Form eines Schiebers vorliegt, der bei einer mehrflutig ausgebildeten Turbine (3) die Abgasströmung vor einem Turbinenrad steuert.
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