eines Otto-Gasmotors

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für einen Otto-Gasmotor mit einer Drosselklappe für Gas- Luftgemisch GL und mit einem eine Turbine aufweisenden Abgasturbolader, dem ein Drosselorgan für Abgas A zugeordnet ist, wobei eine Detektionseinheit vorgesehen ist, mittels derer ein Ist-Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe erfassbar ist, und eine Steuereinheit vorgesehen ist, mittels derer in Abhängigkeit des Ist-Differenzdrucks Δρ die Stellung des Drosselorgans veränderbar ist.

Beim Betrieb eines aufgeladenen Ottomotors, insbesondere eines Gasmotors mit unterschiedlichen Kraftstoffen oder Mischungen derselben, ändert sich der Ladedruck vor der Dros ^¬ selklappe, während der Gemischdruck vor dem Zylinder nahezu konstant bleibt, wenn die Kraftstoffe unterschiedliche Brenneigenschaften haben, wie z. B. Erdgas und Biogas. Dies deshalb, weil bei Gasmotoren aufgrund der unterschiedlichen Brenneigenschaften die Abgastemperatur vor der Turbine des Turboladers ansteigt. Damit steigt auch die Verdichterleistung an und es wird ein höherer Ladedruck erzeugt als notwendig.

Ein zu hoher Ladedruck führt beim Gasmotor zum Ansteigen des Differenzdruckes über der Drosselklappe, da der für den Betrieb mit konstanter Leistung erforderliche Druck vor dem Zylinderkopf bzw. nach der Drosselklappe nahezu konstant bleibt .

Bei Überschreitung eines Grenzwertes des Differenzdruckes über der Drosselklappe erreicht der Verdichter des Turboladers die Pumpgrenze. Bei modernen Turboladern mit „schmalen Kennfeldern" führt ein sehr hoher Differenzdruck zum „Pumpen". Pumpen bedeutet eine Instabilität in der Volumenför ^¬ derung des Verdichters, die auch wegen anderer Nebeneffekte zu Anlagenstörungen und zu Turbolader- und Motorschäden führen können.

Um dies zu vermeiden, sind Lösungen bekannt, die den Differenzdruck über der Drosselklappe mittels Bypass am Verdich ^¬ ter bzw. Bypass an der Turbine des Turboladers regeln.

So ist auch bereits eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader aus der DE 103 15 148 AI bekannt. Dem Abgasturbolader ist eine Umgehungsleitung bzw. ein Bypass zuge ^¬ ordnet, der die Primärseite mit der Sekundärseite verbin ^¬ det. Zur Absicherung gegen Pumpen des Verdichters kann dieser mit einer inneren Rezirkulation ausgeführt sein. Rezirkulation bedeutet, dass Luft bzw. Luftgemisch von der Sekundärseite des Verdichters auf die Primärseite des Verdichters zurückgeführt wird. Diese Rezirkulation kann auch schaltbar ausgeführt sein.

Aus der DE 10 2009 049 394 AI ist eine Vorrichtung für ei ^¬ nen Otto-Gasmotor bekannt, die zum einen eine Drosselklappe sowie eine Detektionseinheit für den Differenzdruck über der Drosselklappe sowie zum anderen ein Drosselorgan in ei ^¬ ner Bypassleitung der Abgasturbine zwecks Regelung des Volumenstroms in der Bypassleitung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung derart auszubilden und anzuordnen, dass ein Pumpen des Verdichters auf einfache Weise verhindert wird.

Insbesondere bei älteren Motoren oder Motoren, die ohne diese Einrichtungen, insbesondere ohne Bypassleitung installiert wurden, ist eine Nachrüstung sehr aufwendig, kostspielig bzw. nicht möglich, weil ganze Teile der Abgas- und Frischluftanlage neu entworfen und ausgetauscht werden müssten .

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Drosselorgan für das Abgas A mit Bezug zur Strömungsrichtung des Abgases A nur nach der Turbine vorgesehen ist. Eine Bypassleitung ist nicht vorgesehen. Die Detektionsein- heit kann dabei auf die Erfassung der Drücke oder der Klap ^¬ penstellung reduziert sein, wobei die Steuereinheit die Auswertung bzw. Berechnung des Ist-Differenzdrucks Δρ vornimmt. Die Drücke werden also entweder direkt erfasst oder über die Stellung der Drosselklappe als Funktion des Ist- Differenzdrucks ermittelt. Das Drosselorgan bzw. die Abgas ^¬ klappe beeinflusst durch unterschiedliche Stellungen den Abgasgegendruck an der Turbine des Abgasturboladers. Durch Messung des Lade- bzw. Gemischdruckes vor und nach der Drosselklappe bzw. durch Erfassung der Stellung der Drosselklappe kann der Ist-Differenzdruck über der Drosselklappe direkt ermittelt bzw. abgeleitet werden. Der gemessene Differenzdruck wird in einer einfachen Steuerung mit einem parametrisierbaren und hinterlegbaren Sollwert verglichen. Bei Abweichungen vom Sollwert wird ein Stellsignal an die Abgasklappe im Abgassystem bzw. an das entsprechende Stellglied gegeben, bis der gewünschte Soll-Differenzdruck über der Drosselklappe erreicht wird. Insgesamt kann durch Dros ^¬ selung die Leistung der Turbine am Turbolader durch ver ^¬ kleinertes Druckgefälle zwischen Eintritt und Austritt verringert werden und damit auch der Ladedruck vor der Dros ^¬ selklappe abgesenkt und somit ein Pumpen verhindert werden.

Auf diese Weise können Schäden an der Anlage und am Motor beim Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten bzw. Gaszusammensetzungen oder bei veränderlichen Umge- bungsbedingungen, die Einfluss auf die Ansaugtemperatur ha ^¬ ben, vermieden werden.

Diese Lösung ist auf jeder Anlage, unabhängig vom Motorher ^¬ steller und ohne Eingriff in die Motorarchitektur oder die vorhandene Motorsteuerung, nachrüstbar. Die Abgasklappe als klassisches Drosselorgan kann auf einfache Weise nachgerüstet werden. Wenn schon eine Abgasklappe für einen Bypass und/oder einen Abgas-Heizkesselstrang vorliegt, kann auch eines dieser beiden Drosselorgane erfindungsgemäß Anwendung finden. Hierzu sind lediglich das Erfassen des Ist- Differenzdrucks Δρ über der Drosselklappe und eine entspre ^¬ chende Regelung des Drosselorgans notwendig.

Sinnvoll ist, zur Steuerung bzw. Auslegung der Abgasklappe den Differenzdruck über der Drosselklappe heranzuziehen.

Verstellbare Abgasklappen sind auch geeignet für stark schwankende Umgebungsbedingungen wie die Ansaugtemperatur, da diese ebenfalls einen starken Einfluss auf den Ladedruck bzw. den Differenzdruck hat. Die Erfindung bezieht sich also auf eine Schutzvorrichtung für einen Otto-Gasmotor mit einer Drosselklappe für Gas-Luftgemisch GL und mit einem eine Turbine aufweisenden Abgasturbolader, wobei mit Bezug zur Strömungsrichtung eines Abgases A nur nach der Turbine ein Drosselorgan für das Abgas A vorgesehen ist, wobei eine Detektionseinheit vorgesehen ist, mittels derer ein Ist- Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe erfassbar ist, und eine Steuereinheit vorgesehen ist, mittels derer in Abhängigkeit des Ist-Differenzdrucks Δρ die Stellung des Dros ^¬ selorgans veränderbar ist. Gelöst wird die Aufgabe auch durch einen Abgasstrang eines Otto-Gasmotors bzw. einen Otto-Gasmotors mit vorgenannter Schutzvorrichtung nach Anspruch 4 bzw. 5. Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Detektions- einheit zwei Drucksensoren PI, P2 zur Ermittlung des Ist- Differenzdrucks Δρ über der Drosselklappe aufweist oder als Sensoreinheit zur Ermittlung der Stellung der Drosselklappe ausgebildet ist. Der Differenzdruck über der Drosselklappe kann auch in der Steuereinheit bzw. CPU berechnet werden, wenn die Einzeldrücke gemessen werden. Diese Messung ist auch mit einem Differenzdrucksensor möglich. Alternativ könnte auch als Maß für den Ist-Differenzdruck die Drosselklappenposition verwendet werden, d. h. das Drosselorgan bzw. die Position der Abgasklappe kann auch in Abhängigkeit der Öffnung der Drosselklappe bestimmt werden, da das Maß der Öffnung vom Differenzdruck über der Drosselklappe ab ^¬ hängt. Der Sollwert für die Regelung ist in diesem Fall die Drosselklappenposition bzw. die Position des Drosselklap ^¬ pen-Stellgliedes, welche über die Detektionseinheit erfasst wird .

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Drosselorgan ein Stellglied aufweist und als Abgasklappe oder als Abgas ^¬ schieber ausgebildet ist. Klassische Klappen lassen sich gut mit einem Stellglied versehen, mittels dessen die Stel ^¬ lung des Drosselorgans veränderbar ist. Die Verstellung des Drosselorgans bzw. der Abgasklappe kann elektrisch, hydrau ^¬ lisch oder pneumatisch erfolgen.

Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass das Drossel ^¬ organ als Abgasblende ausgebildet ist. Bei bekannter und gleichbleibender Gaszusammensetzung und möglichst konstanter Ansaugtemperatur kann auch eine auf diese Bedingungen abgestimmte Abgasblende vorgesehen werden, die zwischen zwei Flanschen des Abgasstrangs eingeschoben wird. Diese wäre jedoch bei einer maßgeblichen Veränderung der Gaszusammensetzung entsprechend auszutauschen. Die Regel- bzw. Steuerorgane werden somit nicht benötigt. Die Erfassung des Ist-Differenzdrucks ist aber auf jeden Fall wichtig.

Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Regeln eines einer Turbine eines Abgasturboladers nachgeschalteten Abgas-Drosselorgan eines Otto-Gasmotors mit einer Drosselklappe im Gemischstrang, wobei der Ist-Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe überwacht wird und bei zu hohem Dif ^¬ ferenzdruck das Drosselorgan teilweise geschlossen wird, bis der Ist-Differenzdruck Δρ eine gewünschte Größe er ^¬ reicht .

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es von Vorteil sein, wenn

a) ein Schwellenwert Ap_s und/oder ein Sollwert Äp_soii für den Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe vorgegeben wird;

b) der Ist-Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe ermittelt wird;

c) das Erreichen des Schwellenwertes Ap_sw oder eine Abwei ^¬ chung vom Soll-Differenzdruck Äp_soii ermittelt wird;

d) die Stellung des Drosselorgans in Abhängigkeit des Verhältnisses zwischen dem Ist-Differenzdruck Δρ und dem Schwellenwert Ap_sw oder dem Soll-Differenzdruck Ap_soii verändert wird. Eine Auflösung von 50 mbar für den Ist- Differenzdruck Δρ mit einer Ansteuerfrequenz von 10/min ist dabei ausreichend.

Die Anwendung eines Sollwertes oder eines Schwellenwertes ist beliebig und als Äquivalent zu betrachten. Der Schwellenwert ist genau genommen auch nichts anderes als ein Soll-Grenzwert, bei dessen Erreichen die Regelung des Dros ^¬ selorgans einsetzt. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn alternativ zu Schritt d) als Drosselorgan eine feste bzw. nicht veränderbare Abgasblende in den Abgasstrang eingesetzt wird, deren Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit des Verhältnisses zwischen dem Ist-Differenzdruck Δρ und dem Schwellenwert Ap__sw oder dem Soll-Differenzdruck Ap_soii so groß gewählt wird, dass der gewünschte Soll-Differenzdruck Ap_soii über der Drosselklappe erreicht wird. Bei bekannter und gleichblei ^¬ bender Gaszusammensetzung und möglichst konstanter Ansaug ^¬ temperatur kann auch eine auf diese Bedingungen abgestimmte Abgasblende vorgesehen werden, die zwischen zwei Flanschen des Abgasstrangs eingeschoben wird. Diese wäre jedoch bei einer maßgeblichen Veränderung der Gaszusammensetzung entsprechend auszutauschen. Die Regel- bzw. Steuerorgane werden somit nicht benötigt. Die Erfassung des Differenzdrucks ist aber auf jeden Fall wichtig.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn als Sollwert Ap_soii zwischen 50 mbar und 400 mbar, insbesondere 300 mbar und/oder als Schwellenwert Ap_sw 200 mbar bis 400 mbar eingestellt werden. Je größer der obere Grenzwert ist, desto größer ist zwar die Reserve für Lastwechsel. Gleichfalls ist der Abstand zur Pumpgrenze entsprechend klein. Eine untere Grenze unter 50 mbar führt praktisch dazu, dass das Drosselorgan stets offen bleibt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze der Schutzvorrrichtung; Figur 2 eine alternative Ausführungsform. Ein in Figur 1 skizzierter Otto-Gasmotor 2 weist einen Ab ^¬ gasstrang 2a mit einer Turbine 2.2 eines Abgasturbola ^¬ ders 2.5 und einem daran in Strömungsrichtung eines Abgases A anschließenden Drosselorgan 2.3 auf. Zudem ist ein Gemischstrang 2b für Frischluft L und Gas G vorgesehen, mit einem Ladeluft- bzw. Gemischverdichter 2.4 des Abgasturbo ^¬ laders 2.5, an den sich in Strömungsrichtung des Gas- Luftgemisches GL eine Drosselklappe 2.1 anschließt. Die Frischluft L und das Gas G werden in einer Mischstelle 3 gemischt .

Im Bereich der Drosselklappe 2.1 ist als Teil der Schutz ^¬ vorrichtung 1 eine Detektionseinheit 1.1 mit zwei Drucksen ^¬ soren PI, P2 vorgesehen, mittels derer ein Ist- Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe 2.1, also vor und nach der Drosselklappe 2.1 erfassbar ist. Über eine Steuer ^¬ einheit 1.2 wird der Ist-Differenzdruck Δρ errechnet, so dass in Abhängigkeit dieses Ist-Differenzdrucks Δρ über die Steuereinheit 1.2 die Stellung des Drosselorgans 2.3 verän ^¬ derbar ist.

Hierzu weist das Drosselorgan 2.3 ein Stellglied 2.3a auf, das elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch funktioniert.

Der Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe 2.1 wird überwacht, wobei bei zu hohem Differenzdruck Δρ das Drosselorgan 2.3 teilweise geschlossen wird, bis der Differenz ^¬ druck Δρ auf eine gewünschte Größe gefallen ist.

Hierzu kann ein Schwellenwert Ap_sw und/oder ein Soll- Differenzdruck Äp _^ soii für den Differenzdruck Δρ über der Drosselklappe 2.1 der Steuereinheit 1.2 vorgegeben werden, welche diesen mit dem Ist-Differenzdruck Δρ über der Dros ^¬ selklappe 2.1 vergleicht. Bei Erreichen des Schwellenwer- tes Ap_sw oder bei Überschreiten des Soll- Differenzdrucks Ap_soii gibt die Steuereinheit 1.2 über eine Steuerleitung 1.2a ein Signal an das Stellglied 2.3a, so dass die Stellung des Drosselorgans 2.3 so verändert wird, dass der Durchflussquerschnitt verringert wird, mithin der Abgasgegendruck am Turbinenaustritt des Abgasturbola ^¬ ders 2.5 erhöht wird.

Der Durchflussquerschnitt des Drosselorgans 2.3 wird demnach so eingestellt, dass ein Erreichen des Schwellenwertes Ap_sw oder ein Überschreiten des Soll- Differenzdrucks Ap_soll verhindert wird.

Nach Figur 2 ist als Defektionseinheit 1.1 eine Sensorein ^¬ heit zur Ermittlung der Stellung der Drosselklappe 2.1 vor ^¬ gesehen. Aus der Stellung der Drosselklappe 2.1 kann der aktuell herrschende Ist-Differenzdruck Δρ abgeleitet werden. Dies erfolgt über eine in der Steuereinheit 1.2 hin ^¬ terlegte Funktion.

Bezugs zeichenliste

1 Schutzvorrichtung

1.1 Detektionseinheit

1.2 Steuereinheit

1.2a Steuerleitung

2 Otto-Gasmotor

2.1 Drosselklappe

2.2 Turbine des 2.5

2.3 Drosselorgan, Abgasklappe, Abgasschieber, Abgasblende 2.3a Stellglied

2.4 Ladeluft- bzw. Gemischverdichter

2.5 Abgasturbolader

2a Abgasstrang

2b Gemischstrang

3 Mischstelle

A Abgas

Δρ Ist-Differenzdruck

Ap_soii Soll-Differenzdruck

Ap_sw Schwellenwert des Differenzdrucks

G Gas

GL Gas-Luftgemisch

L Luft, Frischluft

PI Drucksensor

P2 Drucksensor