DE3506303C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Ladedrucks einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist allgemein bekannt, eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader auszurüsten, um die Energie des Abgases zum Verdichten der Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine zu nutzen, wodurch der Wir­ kungsgrad der Versorgung mit Verbrennungsluft und damit die Menge an eingesprühtem Kraftstoff ansteigt, was in hohem Maße zu einem Anstieg der Maschinenleistung führt.

Wird jedoch der Ladedruck zu groß, wird eine zu hohe Belastung auf die Verbrennungskraftmaschine und auf ihr Lufteinlaß- und Abgasabführungssystem aufgebracht, was zu dem Risiko einer Beschädigung oder Zerstörung führen kann. Infolgedessen wurden vielfältige Vorrichtungen ent­ wickelt, um einen zu hohen Anstieg des Ladedrucks zu ver­ hindern.

Ein Beispiel für derartige Vorrichtungen zum Verhindern eines zu hohen Steuerdrucks ist eine Geschwindigkeits­ steuervorrichtung für den Abgasstrom, die in dem US-Patent 29 44 786 beschrieben ist. Bei dieser Vorrichtung ist ein Steuerventil in dem Abgaseinströmkanal des Abgas-Turbo­ laders vorgesehen, um den Öffnungsgrad des Steuerventils einzustellen, wodurch die Geschwindigkeit der Abgas­ strömung in dem zu der Abgasturbine führenden Einlaßkanal steuerbar ist, um somit eine zu hohe Umdrehungsge­ schwindigkeit der Abgasturbine zu verhindern. Folglich wird verhindert, daß die Turbine den direkt mit ihr ver­ bundenen Verdichter zu schnell antreibt, so daß der Lade­ druck nicht zu stark ansteigt, während die Strömungsge­ schwindigkeit des Abgases bei einem Betrieb mit geringer Belastung zu einem höheren Ladedruck führt, und dadurch auch die Ausgangsleistung zunimmt.

Ein weiteres Beispiel bekannter Vorrichtungen ist mit einem Umgehungskanal versehen, welcher die stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Seiten der Abgasturbine ver­ bindet und welcher mit einem Steuerventil versehen ist, das geöffnet werden kann, wenn der Ladedruck in dem Umgehungskanal auf der stromabwärts gelegenen Seite des Verdichters unter einen vorgegebenen Wert absinkt. Wenn der Ladedruck auf der stromabwärts gelegenen Seite des Verdichters im Begriff ist, einen bestimmten Wert zu überschreiten, wird das Steuerventil in dem Umgehungskanal geöffnet und die Energie des Abgases durch den Umgehungs­ kanal zur Umgebung hin abgeleitet, so daß dieses nicht zu einer Drehung der Abgasturbine führt. Dadurch wird eine übermäßige Drehung der Abgasturbine und als Folge davon ein übermäßiger Anstieg des Ladedrucks vermieden.

Die Geschwindigkeitssteuereinrichtung für den Abgasstrom und das Steuerventil in dem Umgehungskanal können in wirkungsvoller Weise eine Steuerung des Ladedrucks bewirken, es bleiben jedoch die nachfolgend aufgezählten Nachteile bestehen.

Wenn bei der Geschwindigkeitssteuervorrichtung für den Abgasstrom der Ladedruck den vorgegebenen Wert über­ schreitet, wird der Querschnittsbereich des Abgaseinlaß­ kanals vergrößert, um die Strömungsgeschwindigkeit des der Abgasturbine zugeführten Abgases zu verringern. Es wird jedoch das gesamte Abgasvolumen der Abgasturbine zugeführt, und nicht an dieser vorbeigeleitet, so daß bei einem weiteren Anstieg der Abgasenergie die Dreh­ geschwindigkeit der Abgasturbine nicht mehr gesteuert werden kann und der Ladedruck letztendlich doch ansteigt. Mit anderen Worten, ein Nachteil des Geschwindigkeits­ steuerventils liegt in der ungenügenden Flexibilität seines Betriebs. So ist es besonders notwendig, daß die ursprünglichen Konstruktionsangaben des Abgasturboladers sicherstellen müssen, daß der Anstieg des Ladedrucks unterhalb des erlaubten Wertes bleibt. Zu diesem Zweck muß die gesamte Drehmomentkurve so ausgelegt sein, daß generell ein niedrigerer Ladedruck während des Betriebs der Maschine, insbesondere auch zu dem Zeitpunkt, in welchem die Maschine mit niedriger Belastung läuft, erzeugt wird. Dies führt zu dem Ergebnis, daß der Lade­ druck, wie oben erwähnt, in dem Niedriglastbereich, welcher im Falle eines Abgasturboladers einen Problembe­ reich darstellt, reduziert wird, wodurch es schwierig gemacht wird, in diesem Bereich die Ausgangsleistungs­ charakteristik der Maschine zu verbessern.

Bei dem oben beschriebenen Steuerventil für einen Um­ gehungskanal wird, wenn der Ladedruck im Begriff ist, den vorgegebenen Wert zu überschreiten, das Abgas in den Umgehungskanal mittels des Steuerventils für diesen eingeleitet und somit von dem Drehbereich der Abgasturbine ausgeschlossen. Diese Vorrichtung stellt somit eine wirkungsvolle Maßnahme zur Verhinderung eines zu hohen Anstiegs des Ladedrucks dar. Es ist jedoch so, daß die Drehmomentkurve, welche durch die Merkmale des Abgasturbo­ laders bestimmt ist, konstant ist und lediglich so wirkt, daß sie einen zu starken Ladedruck verhindert, was je­ doch das Problem des niedrigen Ladedrucks in dem Niedrig­ lastbereich nicht löst. Es soll weiterhin darauf hingewiesen werden, daß bei einer derartigen Umgehungskanalsteuervor­ richtung die Abgasturbine sich direkt nach dem Öffnen des Steuerventils für den Umgehungskanal wegen ihres Träg­ heitseffektes mit einer relativ hohen Geschwindigkeit dreht, wodurch eine ungenügende Verringerung des Lade­ drucks und damit ein Klopfen der Maschine bewirkt wird. Weiterhin wird der Auspuffdruck ganz plötzlich vermindert, was die Gefahr hervorruft, daß der Katalysator in dem Abgassystem beschädigt werden kann.

Zusätzlich wurde herausgefunden, daß bei einem einzelnen Betrieb einer dieser Vorrichtungen, wenn der Betrieb wegen einer einmaligen Betriebsstörung oder eines Brandes unmöglich wird, die Abgasturbine und der Verdichter sich mit einer unnormal hohen Drehgeschwindigkeit drehen und der Ladedruck zu stark ansteigt, so daß ein Klopfen des Motors auftreten kann oder die Maschine beschädigt werden kann.

Somit ist es notwendig, die oben erwähnten Vorrichtungen weiter zu verbessern und es ist weiterhin notwendig, Ver­ besserungen in dem Ansaugsystem der Aufladung durchzufüh­ ren, um während des Betriebs eine Flexibilität der Strömung und eine Veränderbarkeit des Drucks zu ermög­ lichen.

Eine dem Oberbegriff des Anspruches 1 entsprechende Vor­ richtung ist beispielsweise aus dem Artikel in der "Automobiltechnischen Zeitschrift", (1983), Seiten 159 bis 162, bekannt. Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Steuerung des Ladedrucks einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Abgasturbine und ei­ nen durch die Abgasturbine angetriebenen, die Ansaugluft in Abhängigkeit von der Belastung der Verbrennungskraftmaschine verdichtenden Verdichter um­ faßt, wobei die Abgasturbine einen mit einem Ventil ver­ sehenen Umgehungskanal aufweist, in welchen das Abgas zur Umgehung der Abgasturbine einleitbar ist, sowie eine Steuervorrichtung für den Umgehungskanal zur Steuerung der Öffnung des Ventiles.

Aus ATZ (1983), Seiten 159 bis 162 ist eine Vorrichtung zur Steuerung des Ladedrucks einer Verbrennungskraftmaschine be­ kannt. Die Verbrennungskraftmaschine umfaßt eine Abgastur­ bine und einen durch die Abgasturbine angetriebenen, die Ansaugluft in Abhängigkeit von der Belastung der Verbrennungs­ kraftmaschine verdichtenden Verdichter. Die Abgasturbine weist einen Umgehungskanal auf, in welchem ein Ventil zu dessen Verschließung vorgesehen ist. Bei geöffnetem Ventil ist das Abgas zur Umgehung der Abgasturbine in den Umgehungs­ kanal einleitbar. Das Ventil ist mittels einer eine vorbe­ stimmte Federkraft aufweisenden Feder in seiner geschlossenen Stellung vorgespannt und öffnet sich somit erst, wenn in dem turbinenseitigen Teil des Umgehungskanals ein Druck vor­ liegt, welcher größer ist, als der durch die Feder aufge­ brachte Druck. Um das Öffnen und Schließen des Ventils in Abhängigkeit weiterer Motorparameter zu beeinflussen, ist es möglich, die Vorspannkraft der Feder zu reduzieren, wo­ bei bei reduzierter Vorspannkraft der Ladedruck auf niedri­ gere Werte begrenzbar ist. Die Beeinflussung der Federvor­ spannkraft erfolgt in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Drosselklappenstellung der Verbrennungskraftmaschine. Die Steuerung des Ladedrucks erfolgt somit nicht in Abhängigkeit von dem Ladedruck selbst, sondern auf der Basis mittelbarer Eingangsgrößen, nämlich der Drehzahl der Verbrennungskraft­ maschine und der Drosselklappenstellung. Es ergibt sich so­ mit eine verzögerte Steuerung bzw. Regelung des Ladedrucks, da stets zuerst die Reaktion der Verbrennungskraftmaschine abgewartet werden muß, bevor der Ladedruck den momentanen Gegebenheiten angepaßt werden kann.

Aus dem japanischen Patentanmeldungs-Abstract 54-71 221 ist ein Turbinengehäuse für eine Abgasturbine bekannt, welches eine schwenkbare Klappe aufweist, mittels derer die Strö­ mungsgeschwindigkeit der dem Turbinenrad zugeführten Strömung veränderbar ist. Diese Veränderung der Strömungsgeschwindig­ keit erfolgt in Abhängigkeit eines stromab eines Verdichters vorliegenden Druckes, wobei ein Anstieg dieses Druckes eine Verringerung der Einströmgeschwindigkeit in Richtung auf das Turbinenrad bewirkt. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, wenn auch nur unter einer entsprechenden zeitlichen Verzö­ gerung, die Einströmgeschwindigkeit in Richtung auf das Turbinenrad zu beeinflussen. Es ist jedoch nicht möglich, die Gesamtmenge an Strömungsmedium, in diesen Fällen Abgasen, welche der Turbine zugeführt wird, in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine zu verändern.

Die DE-OS 28 13 638 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer geometrisch variablen Turbine, wobei die Ausgestaltung der Turbine ähnlich ist, wie die des Turbinengehäuses aus dem japanischen Patentanmeldungs-Abstract 54-71 221. Eine Verschwenkung des schwenkbaren Flügels zur Beeinflussung der Einströmgeschwindigkeit kann in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors oder in Abhängigkeit von einem Druck er­ folgen. Aus dieser DE-OS 28 13 638 ist es jedoch nicht be­ kannt, in welcher Weise die geometrisch variable Turbine in einen Steuerungs- oder Regelungskreislauf einzuordnen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und betriebssicherer Wirkungsweise eine Anpassung des Ladedrucks an die jeweiligen Betriebsparameter derge­ stalt ermöglicht, daß ein zu hoher Ladedruck sowie ein Klopfen des Motors verhindert werden und daß bei einem Be­ trieb der Verbrennungskraftmaschine mit niedriger Last die Leistungscharakteristik verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Geschwindigkeitssteuervorrichtung mit einem Drosselventil zur Steuerung der Abgasströmungsgeschwindigkeit in der Abgasturbine, wobei der stromabwärts des Verdichters vor­ liegende Ladedruck der Steuervorrichtung zur Öffnung des Ventils und der Geschwindigkeitssteuervorrichtung zur Senkung der Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird, wo­ bei die Öffnung des Ventils nur dann erfolgt, wenn sich das Drosselventil mittels der Geschwindigkeitssteuervorrichtung in seinem voll geöffne­ ten Zustand befindet.

Die Unteransprüche 2 bis 19 haben vorteilhafte Weiterbil­ dungen der Erfindung zum Inhalt.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur Steuerung des Lade­ drucks,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Abgasturbine von Fig. 1,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die Abgasturbine von Fig. 2, und

Fig. 4 eine Drehmomentkurve mit den Betriebsbereichen der vorliegenden Erfindung.

Wie in Fig. 1 dargestellt, treiben die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine eine sich drehende Abgasturbine 3, welche in der Abgasleitung 2 angeordnet ist, worauf die Gase der Umgebung zugeführt werden. Die Abgasturbine 3 ist mit einem Kompressor 4 mittels einer Welle 5 ver­ bunden; die Abgasturbine 3, der Verdichter 4 und die Welle 5 bilden zusammen den Abgasturbolader 10. Der Verdichter 4 wird zusammen mit der Abgasturbine 3 in Drehbewegung versetzt. Bei der gezeigten Anordnung gelangt die durch den Verdichter 4 verdichtete (aufge­ ladene) Frischluft durch einen Luftansaugkanal 6 in die Verbrennungskraftmaschine 1, um dort zusammen mit dem durch ein Einspritzventil 7 eingespritzten Kraftstoff verbrannt zu werden. Stromaufwärts von dem Verdichter 4 ist in dem Luftansaugkanal 6 ein Strömungsmesser 11 ange­ ordnet. Zwischen dem Kompressor 4 und dem Einspritzventil 7 sind mehrere Drosselventile 12 a, 12 b angeordnet, um das Volumen an Ansaugluft zu steuern. Zwischen dem Drossel­ ventil 12 a und dem Verdichter 4 ist ein Drucksensor 13 zur Messung des Ladedrucks vorgesehen. Auf der stromab­ wärts gelegenen Seite des Drosselventils 12 a ist ein Ablaßventil 14 angeordnet, welches geöffnet werden kann, um einen zu hohen Druck abzulassen, wenn der Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite des Drosselventils 12 a einen zu hohen Wert annimmt. Der Druck, bei welchem das Ablaßventil 14 geöffnet wird, ist höher festgelegt, als der Druck, bei welchem die Steuervorrichtung 22 für einen Umgehungskanal sich öffnet, welche nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird. Zusätzlich ist ein Sauerstoff­ sensor 15 zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas und ein Katalysator 16 zur Eliminierung nicht ver­ brannter Bestandteile des Abgases in der Abgasleitung 2 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Abgasturbine 3 vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist die Steuervorrichtung 22 in einem Umgehungs­ kanal 21 vorgesehen, durch welchen diesem Abgas zugeführt wird, um die Abgasturbine 3 zu umgehen. Weiterhin ist eine Geschwindigkeitssteuervorrichtung 31 in dem Einström­ kanal der Abgasturbine 3 zur Steuerung des Abgasstromes angeordnet.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Steuervor­ richtung für den Umgehungskanal weist ein Umgehungsventil 23 zum Öffnen und Schließen des Umgehungskanals 21 auf, welches über ein Zwischenglied 26 mit einer Membran 25 a einer Membrandose 25 verbunden ist, welcher der Lade­ druck auf der stromabwärts gelegenen Seite des Drossel­ ventils 12 a und auf der stromabwärts gelegenen Seite des Verdichters 4 über eine Druckleitung 24 zugeführt wird, wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten Wertes Pb des Ladedrucks die Membran 25 a, als Reaktion auf den Lade­ druck die Kraft einer Feder 25 b, welche in Schließrichtung des Ventils wirkt, überwindet und das Umgehungsventil 23 öffnet.

Folglich dient die Steuervorrichtung für den Umgehungs­ kanal in der Geschwindigkeitssteuervorrichtung für den Abgasstrom dazu, einen zu starken Anstieg des Ladedrucks zu verhindern.

Das beseitigt die Probleme, welche auftreten, wenn der Ladedruck nur durch die oben in Verbindung mit dem Stand der Technik erwähnte Geschwindigkeitssteuervorrichtung ansteigt. Folglich kann der zur Öffnung des Ventils vor­ gegebene Druckwert in adäquater Weise erhöht werden, um den Ladedruck über den gesamten Betriebsbereich zu erhöhen. Dadurch wird es möglich, einen Anstieg im Ladedruck und eine Verbesserung der Drehmomentkurve im Niedriglastbe­ reich zu erreichen. Andererseits wird die Geschwindigkeits­ steuervorrichtung für den Abgasstrom betätigt, bevor die Steuervorrichtung für den Umgehungskanal aktiviert wird, so daß eine zu hohe Drehzahl der Abgasturbine vermieden wird und die Betätigungsfrequenz der Steuervorrichtung für den Umgehungskanal minimiert wird. Die Gelegenheiten, bei welchen eine relativ hohe Drehgeschwindigkeit der Abgasturbine durch deren Trägheit in der ersten Stufe der Öffnung des Ventils hervorgerufen wird, wird äußerst selten und der Nachteil des Klopfens des Motors oder einer Beschädigung des Motors wird soweit als möglich unterdrückt.

Die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 31 für die Abgas­ strömung weist ein Drosselventil 32 auf, welches im Ein­ strömkanal der Abgasturbine 3, im besonderen in der Abgas­ einlaufspirale, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, vor­ gesehen ist. Das Drosselventil 32 ist an seinem stromauf­ wärtsgelegenen Ende schwenkbar an dem Gehäuse des Einström­ kanals der Abgasturbine 3 gelagert. Wenn das stromabwärts gelegene freie Ende des Drosselventils 32 verschwenkt wird, so daß der Öffnungsquerschnitt des Einströmbereichs 3 a reduziert wird (wie in Fig. 2 mit der durchgezogenen Linie angedeutet) nimmt die Geschwindigkeit des Abgas­ stroms zu, während bei einer Schwenkung des freien, strom­ abwärts gelegenen Endes des Ventils der Strömungsquer­ schnitt des Einströmbereiches 3 a zunimmt (wie in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie angedeutet) und die Ge­ schwindigkeit des Abgasstroms sinkt.

Das Drosselventil 32 ist mit einer Membran 33 a und einer Membrandose 33 über eine Stange 33 b verbunden. Der Lade­ druck auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Drossel­ ventils 12 a wird über eine Druckleitung 34 auf der stromabwärts gelegenen Seite des Verdichters 4 zugeführt. Wenn dieser Ladedruck den vorbestimmten Wert Pa über­ schreitet, überwindet die Membran 33 a als Reaktion auf den Ladedruck die Federkraft einer Feder 33 c und wird in einer Richtung versetzt, in welcher sie eine Vergrößerung des Einströmbereiches 3 a der Abgasturbine bewirkt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases abnimmt.

Hierbei erweist es sich als wichtig, daß der vorbestimmte Wert Pa, bei welchem die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 31 sich öffnet (z. B. bei 350 mm Hg) kleiner ist als der Wert Pb, bei welchem die Steuervorrichtung für den Umgehungskanal sich öffnet (z. B. 400 mm Hg).

Im folgenden wird die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Bei einem stationären Betrieb wird die Ansaugluft durch den Verdichter 4 verdichtet, durch die Drosselventile 12 a und 12 b in ihrem Volumen angepaßt, mit Kraftstoff vermischt, welcher durch das Einspritzventil 7 in Form eines Strahls zugeführt wird, um eine Gasmischung zu erzeugen, welche dem Verbrennungs­ raum 1 a der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt durch Einwirkung einer Zünd­ kerze 8 eine Zündung, worauf der Verbrennungsvorgang stattfindet. Die Verbrennungsgase werden daraufhin in die Abgasleitung 2 abgeführt, wobei deren Strömungsge­ schwindigkeit durch die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 31 gesteuert wird, um die Abgasturbine in Drehung zu versetzen, welche wiederum den auf derselben Welle ange­ ordneten Verdichter 4 antreibt. Daraufhin wird das Abgas in die Umgebung abgeleitet. Da die Geschwindigkeits­ steuervorrichtung 31 das Drosselventil 32 schließt, um die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zu erhöhen, ist die Antriebsenergie der Abgasturbine 3 vergleichsweise groß, wodurch in diesem Betriebsbereich eine Verminderung des Ladedrucks verhindert wird.

Darauffolgend erhöht sich die Drehzahl der Verbrennungs­ kraftmaschine, wodurch ein großes Abgasvolumen abgeführt wird und die Drehzahl der Abgasturbine 3 durch Einwirkung der Abgasenergie ebenfalls zunimmt. Der Verdichter 4 dreht sich ebenfalls mit einer hohen Drehzahl, so daß der Ladedruck auf seiner stromabwärts gelegenen Seite ansteigt.

Wenn dieser Ladedruck über den vorbestimmten Wert Pa angestiegen ist, um die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 31 zu öffnen, wird der Ladedruck in die in Fig. 2 darge­ stellte Druckdose 33 eingeleitet und das Drosselventil 32 überwindet die Federkraft der Feder 33 c, um das Ventil zu öffnen. Als Ergebnis davon wird das Drosselventil 32 von der in Fig. 2 durch ausgezogene Linien dargestellten Position in die durch gestrichelte Linien dargestellte Position versetzt, wodurch die Öfnungsfläche des Ein­ strömbereiches 3 a zunimmt und die Geschwindigkeit des Abgasstroms sinkt. Aus diesem Grund wird ein Ansteigen der Drehzahl der Abgasturbine 3 verhindert und ein zu hoher Ladedruck vermieden. Zusätzlich nimmt im gleichen Augen­ blick auch der Druck in der Abgasleitung 2 (Auspuffdruck) stromaufwärts von der Abgasturbine 3 ab, wodurch der Lade­ verlust der Verbrennungskraftmaschine 1 abnimmt, um eine Verminderung der Leistungsabgabe zu verhindern.

Falls sich die Verbrennungskraftmaschine 1 mit hoher Drehzahl bei hoher Last dreht, wird auch eine große Menge an Abgas von der Maschine abgeführt. Deshalb wird das gesamte Abgasvolumen, auch wenn die Geschwindigkeits­ steuervorrichtung für den Abgasstrom sich in einem voll­ ständig geöffneten Zustand befindet, zur Drehung der Abgasturbine 3 verwendet. Dadurch dreht sich die Abgas­ turbine 3 mit einer hohen Drehzahl, wodurch auch eine entsprechende Drehung des Verdichters 4 bewirkt wird, so daß der Ladedruck ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ladedruck, wenn dieser im Begriff ist, den vorbe­ stimmten Druck Pb, welcher vorgegeben ist, um die Steuer­ vorrichtung für den Umgehungskanal zu öffnen, zu über­ steigen, der Membrandose 25 zugeführt, um die Membran 25 a entgegen der Federkraft der Feder 25 b zu bewegen, wodurch das Umgehungsventil 23, welches mit dieser über das Zwischen­ glied 26 verbunden ist, geöffnet wird. Folglich wird das Abgas in der Abgasleitung 2 stromaufwärts von der Abgasturbine 3 durch den Umgehungskanal 21 der stromab­ wärts gelegenen Seite der Turbine 3 zugeführt. Das führt zu dem Ergebnis, daß die hohe Drehzahl der Turbine 3 und des Verdichters 4 abnimmt, wodurch ein zu hoher Ladedruck vermieden wird und die Lebensdauer der Welle 5 erhöht wird. Dieser Vorgang verhindert weiterhin sowohl ein Klopfen der Verbrennungsmaschine 1 als auch eine Beschädigung sowohl der Maschine selbst als auch ihrer Ansaug- und Abgassysteme. Somit kann die Ladewirkung des Abgasturboladers in maximaler Weise ausgenutzt werden um die Leistungscharakteristik der Maschine zu verbessern.

Wenn die Maschine mit einer höheren Drehzahl und einer größeren Last betrieben wird, wird die Fähigkeit der vorstehend diskutierten Funktionsweise zur Verhinderung eines Anstiegs des Ladedrucks überschritten, wodurch die Gefahr eines weiteren Anstiegs des Ladedrucks hervorgerufen wird. In einem derartigen Fall verhindert jedoch die Steuervorrichtung für den Umgehungskanal einen derartigen Anstieg. Folglich kann der Abgasturbolader derartig ausge­ staltet und dimensioniert werden, daß der Ladedruck während aller Betriebsbereiche zunimmt, ohne daß die Gefahr auf­ tritt, daß der Ladedruck den Wert Pa zur Öffnung des Ven­ tils der Geschwindigkeitssteuervorrichtung übersteigt. Deshalb ist es wegen des Anstiegs des Ladedrucks in den Niedriglastbereichen möglich, die Drehmomentkurve zu verbessern.

Es kann jedoch in dem Fall, daß sowohl die Steuervor­ richtung für den Umgehungskanal als auch die Geschwindig­ keitssteuervorrichtung für den Abgasstrom so eingestellt sind, daß sie sich bei demselben Wert öffnen oder in dem Fall, in welchem nur eine Steuervorrichtung für einen Umgehungskanal vorgesehen ist, vorkommen, daß die Abgas­ turbine, welche sich gedreht hat, durch den Einfluß ihrer Trägheit direkt nachdem der Ansprechwert für die Steuervorrichtung für den Umgehungskanal überschritten ist, zu schnell dreht. Deshalb verschlechtert sich die Reaktion zum Vermindern des Ladedrucks, so daß die Gefahr des Klopfens auftritt oder der Auspuffdruck jäh absinkt und die Gefahr einer Beschädigung des Katalysators in dem Abgassystem auftritt.

Bei der vorliegenden Erfindung öffnet sich jedoch die Geschwindigkeitssteuervorrichtung für den Abgasstrom, bevor die Steuervorrichtung für den Umgehungskanal sich öffnet. Folglich wird die Betätigungsfrequenz des Um­ gehungsventils minimiert und die Häufigkeit des Auftretens der oben beschriebenen Nachteile reduziert. Zur gleichen Zeit erhöht sich die Lebensdauer des Umgehungsventils und die Einstellung des vorgegebenen Druckwerts zum Öffnen des Ventils wird stabilisiert, wodurch es möglich ist, einen wirksamen Schutz für die Maschine zu schaffen.

Zusätzlich ist der Einströmkanal des Umgehungskanals der Steuervorrichtung für den Umgehungskanal stromaufwärts von dem Drosselventil 32 der Geschwindigkeitssteuer­ vorrichtung angeordnet. Durch diese Anordnung bewirkt das Umgehungsventil bei Problemen, wie einer Betriebs­ störung oder einem Brand, welche auftreten, bevor die Geschwindigkeitssteuervorrichtung vollständig geöffnet ist, eine Berücksichtigung dieser Anforderungen und öffnet sich.

Der Abgasstrom gelangt auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Umgehungsventils in den Umgehungskanal, so daß ein Anstieg des Ladedrucks verhindert wird, und die Maschine vor Störungen geschützt ist. Das Drosselventil 32 der Gechwindigkeitssteuervorrichtung 31 für den Abgas­ strom ist dem pulsierenden Druck des Abgases ausgesetzt und kann leicht zu Schwingungen angeregt werden. Zur Verhinderung dieses Effektes ist die dem Druck ausgesetzte Fläche der Membran 33 a ausreichend groß ausgestaltet, wodurch das Drosselventil 32 auch im Stadium der Vibration durch den Einfluß der Schwingungen des Abgasdruckes durch die Membran 33 a in einer vorbestimmten Position gehalten wird. Gelegentlich kann die Geschwindigkeitssteuervor­ richtung 31 vollständig geöffnet sein, wenn in dem Aus­ führungsbeispiel sich das Umgehungsventil öffnet, der Steuerbereich der Geschwindigkeitssteuervorrichtung für den Abgasstrom kann sich jedoch mit dem Steuerbereich des Umgehungsventils um einen gewissen Betrag überlappen.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel können die Ge­ schwindigkeitssteuervorrichtung 31 und die Steuervor­ richtung 22 für den Umgehungskanal durch eine Steuerein­ heit 41 gesteuert werden, welche die Kraftstoffmenge des Einspritzventils 7 steuert. Das heißt, ein Dreiweg- Magnetventil 42 ist in der Druckleitung 34 der Ge­ schwindigkeitssteuervorrichtung 31 für den Abgasstrom angeordnet und gleichartiges Dreiweg-Magnetventil 43 ist in der Druckleitung 24 der Steuervorrichtung für den Umgehungs­ kanal vorgesehen. Diese Dreiweg-Magnetventile 42 und 43 verdünnen die zur Aufladung zugeführten Gase mit Luft und führen die Mischung jeweils den Membrandosen 25 und 33 zu, wobei das Maß an Luftverdünnung durch eine Veränderung des Spannungswertes oder der Zeitdauer, während welcher eine Spannung angelegt ist, auf der Basis eines Impulses einer vorbestimmten Frequenz verändert werden kann. Dadurch wird das Maß der Öffnung der Ventile in der Geschwindigkeitssteuervorrichtung und der Steuervorrichtung für den Umgehungskanal gesteuert.

Zu diesem Zweck empfängt die Steuereinheit 41, welche z. B. ein Mikrocomputer sein kann, zur Steuerung der Dreiweg-Magnetventile 42 und 43 die folgenden Signale: den Ladedruckausgangswert von dem Drucksensor 13; ein Drehgeschwindigkeitssignal, welches im einzelnen nicht näher beschrieben ist, welches von einem Drehsensor 44 zur Ermittlung der Drehzahl der Verbrennungskraft­ maschine 1 abgegeben wird; ein Signal, welches von dem Strömungsmesser 11 in Abhängigkeit des Ansaugluftvolumens abgegeben wird; und ein Signal, welches eine enge Be­ ziehung zu dem Kraftstoff-Luftgemisch gibt, welches auf einem von dem Sauerstoffsensor 15 abgegebenen Sauerstoff­ dichtesignal basiert. Der am besten geeignete Wert für den zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Betriebszustand wird aufgrund von objektiven Steuerwerten ermittelt, welche vorher abgespeichert wurden und das optimale durch das Einspritzventil 7 einzuspritzende Volumen wird berechnet. Daraufhin wird dann das Einspritzventil 7 betätigt. Zum selben Zeitpunkt werden Betätigungs- bzw. Steuersignale für den optimalen Öffnungsbereich der Geschwindigkeitssteuervorrichtung 31 und der Steuervor­ richtung 22 für den Umgehungskanal an die Dreiweg-Magnet­ ventile 42 und 43 abgegeben. Es ist deshalb möglich, mittels eines elektronischen Regelkreises die Ladedruck­ steuerung durch die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 31 für die Abgasströmung und den Ladedruck durch die Steuervorrichtung 22 für den Umgehungskanal zu regeln.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Steuerung des Ladedrucks einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Abgasturbine und einen durch die Abgasturbine angetriebenen, die Ansaug­ luft in Abhängigkeit von der Belastung der Verbrennungskraftmaschine verdichtenden Verdichter um­ faßt, wobei die Abgasturbine einen mit einem Ventil ver­ sehenen Umgebungskanal aufweist, in welchen das Abgas zur Umgehung der Abgasturbine einleitbar ist, sowie eine Steuervorrichtung für den Umgehungskanal zur Steuerung der Öffnung des Ventils, gekennzeichnet durch eine Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) mit einem Drossel­ ventil (32) zur Steuerung der Abgasströmungsgeschwindigkeit in der Abgasturbine, wobei der stromabwärts des Verdichters (4) vorliegende Lade­ druck der Steuervorrichtung (22) zur Öffnung des Ventils (23) und der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) zur Senkung der Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird, wo­ bei die Öffnung des Ventils (23) nur dann erfolgt, wenn sich das Drosselventil (32) mittels der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) in seinem voll ge­ öffneten Zustand befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch einen Drucksensor (13) zur Er­ mittlung des Ladedrucks stromabwärts des Verdichters (4).

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeits­ steuervorrichtung (31) für den Abgasstrom zur Steuerung der Abgasströmungsgeschwindigkeit ein in seiner Öffnungs­ stellung veränderbares Ventil (32) in einem Abgaskanal (3 a) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der maximale Öffnungsquerschnitt des Ventils (32) der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) für den Abgasstrom groß ist im Vergleich zu dem der Steuervorrichtung (22) für den Umgehungskanal.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) für den Abgas­ strom in einem Abgaskanal (2) zwischen dem Einlaß des Umgehungskanals (21) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Öffnung des Ventils (32) der Geschwindigkeits­ steuervorrichtung (31) für den Abgasstrom so bemessen ist, daß er zunimmt, wenn der Ladedruck stromabwärts des Verdichters (4) über den zweiten vorbestimmten Wert Pa ansteigt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ stellung des Öffnungsgrades der Ventile der Steuer­ vorrichtung (22) für den Umgehungskanal und der Ge­ schwindigkeitssteuervorrichtung (31) für den Abgasstrom mittels Membraneinrichtungen (25, 33) erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ stellung des Ventilöffnungsgrades der Steuervorrichtung (22) für den Umgehungskanal und der Geschwindigkeits­ steuervorrichtung (31) für den Abgasstrom mittels eines Schrittmotors erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (22) für den Umgehungskanal einen Umgehungskanal (21) umfaßt, welcher mit den stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Seiten der Abgasturbine (3) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlaßöffnung des Umgehungs­ kanals (21) der Steuervorrichtung (22) für den Umgehungs­ kanal weiter stromaufwärts angeordnet ist als das Ventil (32) der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) für den Abgasstrom.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeich­ net durch eine Steuereinheit (41) zur elektronischen Steuerung des Öffnungsgrades der Ventile der Steuer­ vorrichtung (22) für den Umgehungskanal und der Ge­ schwindigkeitssteuervorrichtung (31) für den Abgasstrom mittels einer Rückkopplung mittels zweier Dreiweg- Magnetventile (42, 43), welche in einer Druckleitung (34) der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) für den Abgas­ strom und in einer Druckleitung (24) der Steuervor­ richtung (22) für den Umgehungskanal angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiweg-Magnetventile (42, 43) so ausgebildet sind, daß sie den Öffnungsgrad der Ventile in der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) für den Abgasstrom und in der Steuervorrichtung (22) für den Umgehungskanal durch Verdünnung der durch den Ladedruck zugeführten Gase mit Luft und durch Zuführung der Mischung in die jeweiligen Membraneinrichtungen (25, 33) steuern.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ventil (23) mittels der Steuervorrichtung (22) unterhalb des ersten vorbestimmten Wertes (Pb) geschlossen ist und daß das Drosselventil (32) mittels der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) unterhalb des zweiten vorbestimmten Wertes (Pa) sich in seiner Schließstellung befindet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (13) zur Er­ mittlung des Ladedrucks mit einer Druckleitung (24) zur Zufuhr des Drucks zu einer Membrandose (25) verbunden ist, welche eine Membran (25 a) sowie eine Feder (25 b) aufweist, mittels derer der Ventilkörper des Umgehungs­ ventils (23) in seine Schließstellung vorgespannt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Werte (Pb, Pa) des Ladedrucks in Abhängigkeit von den Betriebsbedingun­ gen der Verbrennungskraftmaschine vorbestimmbar sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Dreiwege-Ventil (25, 33) zur Verdünnung der durch den Ladedruck zugeführten Gase mit Luft und zur Zuführung der Mischung zu einer der Membraneinrichtungen (25, 33) der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) und/oder der Steuervorrichtung (22) für den Umgehungskanal vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) durch eine Mem­ braneinrichtung steuerbar ist und daß der Ladedruck stromab des Verdichters (4) und stromauf der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) der Membrankammer (33) zugeführt wird, welche in Verbindung mit der Mem­ branstange (33 b) steht, und daß ein Magnetventil (42) zur Reduzierung des der Membrankammer (33) zugeführten Lade­ drucks vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (13) zur Mes­ sung des Ladedrucks zur Betätigung der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) und zur Betätigung der Steuervorrichtung (22) mit diesen jeweils betriebs­ verbunden ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß mittels der Geschwindigkeitssteuervorrichtung (31) und der Steuervor­ richtung (22) sich die zugehörigen Ventile bei Vorliegen eines Ladedrucks größer als einer der vorbestimmten Werte (Pb oder Pa) in einem geöffneten Zustand befinden.