Abgasturbolader

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Beim Betrieb eines abgasturboaufgeladenen Verbrennungsmotors gibt es verschiedene Grenzen, die nicht überschritten werden dürfen. Eine dieser Grenzen ist die Pumpgrenze des Verdichters, die den stabilen vom instabilen Betriebsbereich trennt. Ein überschreiten dieser Grenze kann für den Turbolader (ATL) und den Verbrennungsmotor aufgrund hoher mechanischer Beanspruchung schädlich sein. Deshalb ist man an einer Pumpgrenze interessiert, die bei möglichst geringen Luftmassenströmen liegt.

Das Pumpen eines Turboladers ist ein Phänomen, das sich bei geringen Massenströmen ausbilden kann und durch Druckschwankungen charakterisiert ist. Diese können sich bis zum Eingang des

Verdichters erstrecken und führen zu starker Geräuschentwicklung. Es handelt sich dabei um eine systemspezifische Eigenschaft, d.h., die Eigenschaften des gesamten Ansaugtrakts können dieses Phänomen verursachen.

Eine der verschiedenen Ursachen für das Pumpen kann die Verwindung des Ansaugtrakts sein, d.h., die Anzahl der Biegungen der Rohrleitung, welche dem Verdichter die Frischluft zuführt. Eine andere Ursache kann die Form des Querschnitts sein. Rechteckige Leitungsquerschnitte sind möglichst zu vermeiden, runde Querschnitte zu bevorzugen. Aber auch die Betriebsumstände des KFZ können zum Pumpen führen. So kann besonders der Betrieb in großen Höhen oder das Fahren unter großer Last, bei relativ niedrigen Drehzahlen, zum "Pumpen" führen. Es sind also eine Vielzahl von Faktoren, die dieses Phänomen beeinflussen und denen nicht immer gleichzeitig Rechnung getragen werden kann.

So kann nicht ausgeschlossen werden, dass ein ATL, welcher auf dem Motorprüfstand unkritisch lief, im Fahrzeug zum "Pumpen" neigt. Dabei setzt das „Pumpen" nicht schlagartig, ohne ein Voranzeichen ein, sondern es kündigt sich durch eine Variation des statischen Drucks der Strömung im Konturbereich des Verdichters an.

Für den Fall, dass auf dem Motorprüfstand "Pumpen" festgestellt wurde, wird im Allgemeinen die Kontur (Verlauf des radialen Abstands der Schaufelspitzen zur Mittelachse) des Verdichterrades (und die des Verdichtergehäuses) geändert.

Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der eine verbesserte Ladedruckcharakteristik

unter unterschiedlichen Motorbetriebsbedingungen ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Im Einzelnen ist erfindungsgemäß zur Verhinderung des "Pumpens" die Regelung mittels eines Verdichters mit variabler Geometrie (VCG) vorgesehen. Er erlaubt die Verschiebung der Pumpgrenze in Richtung kleinerer Luftmassenströme oder anders ausgedrückt eine bessere Umsetzung des dynamischen Drucks in statischen Druck. Die Drosselkurven verlaufen steiler als bei bisher verwendeten Regelverfahren und werden in Richtung kleinerer Luftmassenströme verschoben (Figur IA).

Vorzugsweise wird die Variation des statischen Drucks der Strömung im Konturbereich des Verdichters, welche das „Pumpen" ankündigt, als Regelgröße verwendet.

Um die Variation des statischen Drucks der Luftströmung des ATL zu ermitteln, wird ein geeigneter Drucksensor im Konturbereich des Verdichters platziert und mit einer elektronischen Kontrolleinheit verbunden. Nähert sich der Betriebspunkt des Verdichters der Pumpgrenze, so entstehen ^" Schwankungen des statischen Drucks der Luftströmung, welche von dem Sensor aufgenommen und an die elektronische Kontrolleinheit weitergeleitet werden. Die elektronische Kontrolleinheit überprüft kontinuierlich an Hand einer geeigneten Kenngröße,

z.B. der Standardabweichung s,s =

ob die Schwankung des statischen Drucks pt der Luftströmung (in Abhängigkeit der Zeit t) einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Wird dieser Grenzwert überschritten, so wird der VCG angesteuert, so dass die Pumpgrenze zu kleineren Luftmassenströmen, jenseits des momentanen Betriebspunktes verschoben wird und somit das „Pumpen" beendet wird.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin das spezifische Geräusch des "Pumpens" als Regelgröße zu verwenden. Dieses Geräusch spielt sich stets in einem charakteristischen Frequenzbereich ab (z.B. zwischen 1,5 kHz und 2,5 kHz) . Um die Geräuschentwicklung des ATL aufzufangen, wird ein geeigneter Sensor (Mikrophon) z.B. in der Luftleitung zwischen dem Verdichteraustritt und dem Motor (bzw. Ladeluftkühler) platziert und mit einer elektronischen Regeleinrichtung (Kontrolleinheit) verbunden. überschreitet der ATL die Pumpgrenze, so entsteht das spezifische Geräusch des "Pumpens", welches vom Sensor aufgenommen und an die elektronische Kontrolleinheit weitergeleitet wird. Die elektronische Kontrolleinheit überprüft kontinuierlich, ob der für das "Pumpen" charakteristische Frequenzanteil mit einer bestimmten Amplitude in dem Geräusch enthalten ist. Ist der charakteristische Frequenzanteil vorhanden, so wird der VCG angesteuert und verschiebt die Pumpgrenze zu kleineren Luftmassenströmen, und beendet somit das "Pumpen".

Je nach Größe des ATL und des Ansaugtrakts liegt das "Pumpfrequenzspektrum" bei unterschiedlich hohen Frequenzen. Eine wesentliche Aufgabe der Regelung ist deshalb, dass der charakteristische Frequenzanteil des "Pumpens" in der elektronischen Kontrolleinheit isoliert wird. Dies kann z.B. durch speziell abgestimmte Hoch- und Tiefpassfilter erfolgen, die alle

übrigen Frequenzen herausfiltern und somit den charakteristischen Frequenzanteil des "Pumpens" isolieren.

Eine andere Möglichkeit ist die digitale Verarbeitung des Signals. Das Eingangssignal (des Mikrophons) wird einem Wandler zugeführt, welcher das analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Nachfolgend wird das digitale Signal einer Fast Fourier Transformation unterzogen. Man erhält das nach Frequenzen aufgeschlüsselte Amplitudenspektrum, darunter auch die zu den charakteristischen Frequenzen gehörenden Amplituden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Schnittmodell eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers;

Fig. IA ein Verdichterkennfeld mit Pumpgrenze;

Fig. 2 das typische Geräusch des "Pumpens" während eines instationären Versuchs auf einem Motorprüfstand in

Form des Frequenzspektrums in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 2A die Variation des statischen Drucks in Abhängigkeit der Zeit und der Höhe des Luftmassenstroms;

Fig. 3A,B-3C,D schematisch vereinfachte Darstellungen von Ausführungsformen des Verdichters des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit inaktivem bzw. aktivem Nachleitgitter;

Fig. 4 eine Schematische Darstellung einer Kombination aus Hoch- und Tiefpassfilter, welche eine Isolierung eines bestimmten Frequenzanteils auf analogem Weg ermöglichen; und

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung der Möglichkeit für die Isolierung eines bestimmten Frequenzanteils auf digitalem Weg.

In Fig. ^' 1 ist schematisch leicht vereinfacht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 dargestellt, der eine Radialturbine 2 aufweist, die ein Turbinenrad 4 aufweist, das in einem Turbinengehäuse 3 angeordnet ist.

Ferner weist der Abgasturbolader 1 einen Radialverdichter 5 auf, der ein Verdichterrad 7 umfasst, das in einem Verdichtergehäuse 6 angeordnet ist. Das Verdichterrad 7 ist hierbei über eine Welle 8 mit dem Turbinenrad 4 in üblicher Art und Weise verbunden.

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 weist natürlich auch sämtliche andere Bestandteile und Bauteile derartiger Lader auf, deren Beschreibung für die Prinzipien vorliegender Anmeldung jedoch nicht wichtig ist und dementsprechend weggelassen wurden.

Erfindungsgemäß ist das Verdichtergehäuse 6 des Radialverdichters 5 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 mit einer variablen Verdichtergeometrie VCG versehen. Im dargestellten Beispielsfalle weist die VCG ein Nachleitgitter 14 auf, das in einer Wand 15 des Verdichtergehäuses 6 zwischen einer in Fig. 3A und 3C dargestellten inaktiven Stellung und einer in Fig. 3B und 3D dargestellten aktiven Stellung längsverschieblich gelagert ist. Hierfür ist das Nachleitgitter 14 im Beispielsfalle mit einer Antriebseinrichtung,

vorzugsweise in Form eines elektrischen Stellmotors 13, verbunden.

Der Stellmotor 13 ist zum Zwecke seiner Betätigung mit einer Regeleinrichtung 9 verbunden, die wiederum mit einem Sensor 10 signalverbunden ist, der im Beispielsfalle benachbart zu einem Verdichteraustritt 11 (Fig. 3A,B) oder im Konturbereich 18 des Verdichtergehäuses 6 (Fig. 3C, D) angeordnet ist. Bei der in den Fig. 3A und 3B beispielhaft verdeutlichten Anordnung des Sensors 10 ist dieser in einer Verbindungsleitung 12 zum Motor vorgesehen, was bedeuten kann, dass er in einer Luftleitung zwischen dem Verdichteraustritt 11 und einem in den Fig. 3A und 3B nicht näher dargestellten Motor bzw. Ladeluftkühler montiert sein kann.

In den Fig. 3C und 3D ist der Sensor 10 im Konturbereich 18 des Verdichtergehäuses angeordnet.

Fig. 2A zeigt die Zunahme der Variation des statischen Drucks in Abhängigkeit der Zeit und der Höhe des Luftmassenstroms. Man erkennt, dass mit zunehmendem Luftmassenstrom die Druckschwankungen bzw. Spannungsvariation deutlich geringer werden.

Wie eingangs erläutert, kann der Sensor 10 als Mikrophon oder Drucksensor ausgebildet sein, der ein in Fig. 3B durch die Wellenlinien D _s symbolisiertes Signal (akustisches Signal oder Drucksignal) aufnehmen kann und an die Regeleinrichtung 9 weiterleitet .

Hierdurch wird ein Regelkreis gebildet, anhand dessen es möglich ist, das Nachleitgitter 14 der VCG anzusteuern und je nach den vorliegenden Betriebsbedingungen über die Antriebseinrichtung 13 in seiner Stellung zu verändern.

In Fig. 4 ist in schematischer Darstellung eine Kombination aus einem Hoch- und Tiefpassfilter dargestellt, welche dazu dient, die Isolierung eines bestimmten Frequenzanteils des zuvor beschriebenen Signals D ₃ auf analogem Wege zu ermöglichen.

Fig. 5 stellt eine Schaltung dar, die die Isolierung eines bestimmten Frequenzanteils auf digitalem Weg möglich macht.

Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird zur Ergänzung der Erläuterung und Beschreibung der vorliegenden Erfindung explizit auf deren Darstellung in den Fig. 1 bis 5 Bezug genommen.

Bezugszeichenliste

1 Abgasturbolader

2 Radialturbine

3 Turbinengehäuse

4 Turbinenrad

5 Radialverdichter

6 Verdichtergehäuse

7 Verdichterrad

8 Welle

9 Regeleinrichtung

10 Sensor

11 Verdichteraustritt

12 Verbindungsleitung/Luftleitung zum Motor

13 Antriebseinrichtung (elektrischer Stellmotor)

14 Nachleitgitter

15 Wand des Verdichtergehäuses 6

16 Analog/Digital-Wandler

17 FFT-Signalprozessoreinheit

18 Konturbereich des Verdichtergehäuses VCG Variable Verdichtergeomtrie

Ds Drucksignal

S Standardabweichung