Sicherheitsvorrichtung für eine Diesel-Einspritz-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Abstract

 Eine Sicherheitsvorrichtung für eine Diesel-Einspritz-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader enthält als erste Sicherheitsmaßnahme ein Belüftungsventil für den ladedruckabhängigen Vollastanschlag der Einspritzpumpe, das bei einem überhöhten Ladeluftdruck angesteuert wird. Als weitere Maßnahme kann ein Abblaseventil vorzugsweise im Ansaugkanal zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine angeordnet sein, das bei einem weiteren Anstieg des Ladeluftdrucks nach dem Einschalten des Belüftungsventils öffnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsvorrichtung für eine Diesel-Einspritz-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, mit einem Fehlerdetektor, der bei Auftreten eines Fehlers ein Belüftungsventil für einen an sich ladedruckabhängigen Vollastanschlag für das Regelglied der Einspritzpumpe steuert.

[0002] Bei einer bekannten Sicherheitsvorrichtung dieser Art spricht der Fehlerdetektor auf eine überhöhte Temperatur der Abgase (US-PS 4 157 701). Die Abgastemperatur ist für den bei einer aufgeladenen Diesel-Brennkraftmaschine besonders kritischen Fehler, einem zu hohen Ladedruck, ein ungenauer und träger Indikator. Ein derartiger Fehler tritt beispielsweise bei einem Abgasturbolader, bei dem eine lader- bzw. turbinenseitige Bypass-Regelung den maximalen Ladedruck begrenzt, dann auf, wenn das hierfür verwendete Bypass-Ventil ausfällt. Die Folge eines zu hohen Ladedrucks können Triebwerkschäden sein.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung der eingangs genannten Art, zu schaffen, die sicher und schnell auf eine überhöhung des Ladedrucks anspricht.

[0004] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Fehlerdetektor ein mit dem Ladedruck beaufschlagter Drucksensor ist, der bei einem überhöhten Ladedruckwert anspricht.

[0005] Ein derartiger Drucksensor reagiert unmittelbar und schnell auf einen zu hohen Ladedruck und steuert in diesem Fall augenblicklich das Belüftungsventil, so daß der Vollastanschlag zurückgenommen wird und damit die maximale Einspritzmenge verringert wird. Durch diese verblüffend einfache Maßnahme können Triebwerkschäden in der Mehrzahl der auftretenden Fehler vermieden werden.

[0006] und durch Die durch einen Sensor ausgelöste Zurücknahme des Anschlags für das Regelglied der Einspritzpumpe verursachte an sich Drehmomentverringerung der Brennkraftmaschine ist^/aus der DE-AS 21 55 420 bekannt. Dabei wird wie bei der Erfindung ein Belüftungsventil für den Vollastanschlag gesteuert. Es ist ferner eine Sicherheitsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt (DE-Gm 74 37 614), die bei einem unzulässig hohen Ladedruck den Vollastanschlag für das Regelglied der Einspritzpumpe zurücknimmt. Hierzu wird ein Stellmotor verwendet. Auch ist es bekannt (DE-OS 27 09 667), ein vom Ladeluftdruck beaufschlagbares Stellglied zur Anpassung der Reglerkennlinie entsprechend dem sich ändernden Ladeluftdruck bei einem überhöhten Ladeluftdruck zu belüften. Keine der genannten Druckschriften zeigt die erfindungsgemäße Maßnahme, den ladedruckabhängigen Vollastanschlag bei einem unzulässig hohen Ladedruck zu belüften.

[0007] Keine der Druckschriften beschäftigt sich auch mit einem weiteren Problem, das durch die Erfindung gelöst wird. Ein üblicher Drucksensor besitzt im Idealfall keine Schalthysterese. Das bedeutet, daß er bei Überschreiten seines Ansprechwerts die Belüftung des Vollastanschlags veranlaßt und diese bei Unterschreiten seines Ansprechwerts sofort wieder beendet. Da durch die Belüftung des Vollastanschlags häufig relativ rasch der Ansprechwert unterschritten wird, wird die Belüftung ebenso schnell beendet. Sofern ein Fehler wie der eingangs genannte Ausfall des Bypass-Regelventils vorliegt, steigt der Ladedruck bei Beendigung der Belüftung sofort wieder über den Ansprechwert an, woraufhin sofort wieder die Belüftung des Vollastanschlags einsetzt. Die Folge davon ist ein sog. Sägen und damit verbunden eine häufige Überschreitung eines für die Brennkraftmaschine kritischen Ladedruckwerts. Durch eine Weiterbildung der Erfindung kann dieses Problem auf überraschend einfache Weise beseitigt werden. Hierzu besitzt der Drucksensor eine Ansprechhysterese derart, daß er das Belüftungsventil erst weit unter einem Normalwert des Ladedrucks wieder unwirksam schaltet. Der Ladedruck kann ggf. erst dann wieder ansteigen, wenn das Belüftungsventil wieder geschlossen ist. Hierzu muß der Ladedruck jedoch erheblich abgefallen sein. Dadurch wird eine erhebliche Verlängerung der Anstieg- und Abfallperioden des Ladedrucks erzielt, wodurch der kritische Ansprechwert des Drucksensors wesentlich seltener überschritten wird.

[0008] Der Drucksensor und das Belüftungsventil können in verschiedener Weise zusammenwirken. Der Drucksensor kann ein elektrisches Signal erzeugen und ein elektromagnetisches Belüftungsventil steuern. Diese Lösung zeichnet sich durch konstruktive Einfachheit aus.

[0009] Ferner können der Drucksensor und das Belüftungsventil einstückig als Dreiwegeventil ausgebildet sein. Die beiden Zuführ-Anschlüsse sind mit dem Ladedruck bzw. mit atmosphärischem Druck beaufschlagt. Der Abführ-Anschluß steht mit dem Vollastanschlag in Verbindung. Ein Doppelventilglied für die beiden Zuführanschlüsse hält den Anschluß ^* und ggf. zugleich eine akustische und/oder optische Warnanzeige zum Ladedruck unter der Wirkung einer Feder entgegen dem Ladedruck bis zum Ansprechwert des Ladedrucks offen und verschließt den Anschluß zur Atmosphäre. Bei und über dem Ansprechwert des Ladedrucks verschließt das Doppelventilglied den Anschluß zum Ladedruck und öffnet den Anschluß zur Atmosphäre. Diese Lösung ist besonders kostengünstig und störsicher.

[0010] Zur Erhöhung der Sicherheit kann in einem Gaskanal der Brennkraftmaschine ein Abblaseventil angeordnet sein, das den Ladedruck auf einen über dem Ansprechwert des Drucksensors liegenden maximalen Wert begrenzt. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei hoch aufgeladenen DieselBrennkraftmaschinen durch die Zurücknahme des Vollastanschlags nicht in jedem Fall eine ausreichende Ladedruck-und damit Drehmomentreduzierung erreicht werden kann. Durch die Verwendung eines Abblaseventils kann nun das überschreiten des Ladedruck-Maximalwerts mit Sicherheit vermieden werden. Zwar ist es bekannt (US-PS 3 913 542) mit Hilfe eines Abblaseventils den Ladedruck einer turbogeladenen Brennkraftmaschine auf einem konstanten Wert zu halten. Das Abblaseventil dient jedoch dabei nicht als Sicherheitsvorrichtung, die nur im Fehlerfalle wirksam ist, sondern ist stets, d. h. auch unter normalen Betriebsbedingungen wirksam. Eine besondere Sicherheitsvorrichtung bei Auftreten eines Fehlers ist nicht vorgesehen.

[0011] Das Abblaseventil kann in verschiedener Weise angeordnet werden. So ist es möglich, dieses Ventil zwischen der Brennkraftmaschine und der Turbine parallel zu dem in der Regel vorgesehenen Bypass-Ventil anzuordnen. Demgegenüber läßt sich eine Erhöhung der Genauigkeit hinsichtlich des Einsatzpunkts auf einfache Weise dadurch erzielen, daß das Abblaseventil im Ansaugkanal zwischen dem Lader des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine liegt und beim maximalen Wert des Ladedrucks öffnet. Alternativ oder ergänzend zu einem derartigen Abblaseventil kann im Ansaugkanal vor oder nach dem Lader auch eine Drosselklappe angeordnet sein, die beim maximalen Wert des Ladedrucks eingeschaltet wird.

[0012] Eine weitere Verbesserung des Zusammenspiels von Drucksensor und diesem Abblaseventil hinsichtlich der Wirksamkeit läßt sich dadurch erreichen, daß der Toleranzbereich der Ladedruckwerte für das Öffnen des Abblaseventils an den Ansprechwert des Drucksensors bzw. dessen Toleranzbereich stufenlos anschließt. Dadurch wird vermieden, daß das Abblaseventil toleranzbedingt vor Ansprechen des Drucksensors öffnet und die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge bei unveränderter Kraftstoffmenge verringert. Die Folge davon wäre eine erhebliche Beeinträchtigung sowohl der Brennkraftmaschine als auch der Umwelt, da Verkokungserscheinungen der Brennkraftmaschine und Rußbildung zwangsläufig die Folge wären. Durch diese Weiterbildung der Erfindung ist sichergestellt, daß die Verringerung der Kraftstoffmenge der Verringerung der Luftmenge vorausgeht bzw. im ungünstigsten Fall damit zusammenfällt. Dadurch steht stets eine ausreichende Luftmenge für eine rußfreie Verbrennung der zugeführten Kraftstoffmenge zur Verfügung.

[0013] Für die Merkmale der Ansprüche 2, 5, 6 und 8 wird selbständiger Schutz beansprucht.

[0014] Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Diese zeigt eine Sicherheitsvorrichtung für eine Diesel-Einspritz-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader zum Vermeiden eines für die Brennkraftmaschine gefährlich hohen Ladedruckwerts.

[0015] Einer schematisch dargestellten Diesel-Einspritz-Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern 2 ist ein Abgasturbolader 3 mit einem Lader 5 und einer davon angetriebenen Turbine zugeordnet. Der Turbine 4 sind über einen Abgaskanal 6 die Abgase der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Vom Abgaskanal 6 zweigt eine Bypass-Leitung 7 ab, in der ein Regelventil 8 angeordnet ist. Dieses steuert die an der Turbine 4 vorbeigeführte Abgasmenge in Abhängigkeit vom Ladedruck.

[0016] Der Ladedruck wird durch den mit der Turbine 4 starr gekoppelten Lader 5 erzeugt. Die dem Lader 5 über einen Ansaugkanal 9 zugeführte Luft wird durch den Lader 5 verdichtet und gelangt über eine Ladeluftleitung 10 in einen Ladeluftsammler 11, von dem aus sie den Zylindern 2 zugeführt wird.

[0017] über eine Verbindungsleitung 12 ist die Ventilkammer 13 des Regelventils 8 mit dem Lader 5 verbunden und daher mit dem Ladeluftdruck beaufschlagt. Dadurch wird das Regelventil 8 entsprechend dem Ladeluftdruck entgegen der Wirkung einer Feder 14 so eingestellt, daß die der Turbine 4 zugeführte Abgasmenge näherungsweise konstant ist. Der Ladedruck besitzt daher ebenfalls einen konstanten Wert von z. B. 0,8 bar.

[0018] Die Einspritzung der jeweils erforderlichen Kr_aftstoff- menge erfolgt mit Hilfe einer Einspritzpumpe 15, deren nicht dargestelltes Regelglied in seiner Bewegung durch einen mit Hilfe einer Druckdose 16 pneumatisch gesteuerten, ebenfalls im einzelnen nicht dargestellten Vollastanschlag in bekannter Weise begrenzt ist. Die Druckdose 16 ist, sofern der Ladedruck den angegebenen normalen Wert besitzt, mit dem Ladeluftsammler 11 über eine Leitung 17 verbunden und daher mit dem Ladeluftdruck beaufschlagt.

[0019] Sofern der Ladeluftdruck, beispielsweise bei einem fehlerhaften Nicht-Öffnen des Regelventils 8 ansteigt, sind zur Vermeidung von Triebwerkschäden zwei Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen.

[0020] Die erste besteht in einem elektromagnetischen Belüftungsventil 18, das in der Leitung 17 angeordnet ist und dessen schematisch dargestelltes Ventilglied 19 durch einen Drucksensor 20 gesteuert ist. Der Drucksensor 20 ist ebenfalls mit dem Ladeluftdruck beaufschlagt und spricht bei einem überhöhten Ladeluftdruck von z. B. 0,9 bar an. Er steuert dann das Belüftungsventil 18 an, dessen Ventilglied 19 aus der eingezeichneten Lage in die strichliert dargestellte Lage elektromagnetisch bewegt wird. In dieser wird die Verbindung der Leitung 17 zum Ladeluftsammler 11 unterbrochen und der zur Druckdose 16 führende Teil der Leitung belüftet. Das Ventilglied 19 gibt hierzu einen Anschluß 21 des Belüftungsventils 18 zur Atmosphäre hin frei.

[0021] Durch die Belüftung der Druckdose 16 wird der Vollastanschlag der Einspritzpumpe 15 im Sinne einer Verringerung der maximalen Kraftstoffmenge verstellt. Die Folge hiervon kann, abhängig von der Stellung des Regelglieds, eine tatsächliche Verringerung der eingespritzten Kraftstoffmenge sein. Dies hat eine Verringerung der Abgasmenge und damit eine Verringerung der Turbinen-Drehzahl zur Folge. Dadurch kann häufig bereits eine Reduzierung des Ladeluftdrucks auf den normalen Wert erreicht werden.

[0022] Gerade bei hoch aufgeladenen Brennkraftmaschinen kann diese Verringerung der maximalen Kraftstoffmenge unzureichend sein. Um in diesem Fall eine mögliche weitere Erhöhung des Ladeluftdrucks zu vermeiden, ist als zweite Sicherheitsmaßnahme ein Abblaseventil 22 in der Ladeluftleitung 10 angeordnet, das bei einem Ladeluftdruck von z. B. 1 bar öffnet _Jnd den Ladeluftdruck auf diesen Wert begrenzt. Damit ist in jedem Fall sichergestellt, daß der Ladeluftdruck unter keinen Umständen einen Wert von 1 bar überschreitet. Dieser Wert ist so gewählt, daß auch dann, wenn der Ladeluftdruck ununterbrochen diesen Wert einnehmen würde, Triebwerksschäden mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden werden können.

[0023] Das ununterbrochene Fortbestehen eines derart hohen Ladeluftdrucks kann durch eine weitere Maßnahme in den meisten Fällen vermieden werden. Hierzu ist der Drucksensor 20 mit einer Ansprechhysterese versehen, derart, daß er das Belüftungsventil 18 erst weit unter dem Normalwert des Ladeluftdrucks unwirksam schaltet. Dieser Schaltpunkt kann beispielsweise bei 0,5 bar liegen. Erst wenn der Ladeluftdruck unter diesen Wert abgefallen ist, nimmt das Ventilglied 19 wieder die fest eingezeichnete Stellung ein und verschließt den Atmosphären-Anschluß 21.

[0024] Um zu verhindern, daß das Abblaseventil 22 toleranzbedingt vor dem Ansprechen des Drucksensors 20 öffnet, ist der Toleranzbereich des Drucksensors 20 und des Abblaseventils 22 so gewählt, daß beide aneinander anschließen. Der Toleranzbereich des Drucksensors 20 liegt beispielsweise bei 0,9 +/- 0,1 bar, während das Abblaseventil 22 im ungünstigten Fall bereits bei 1 bar öffnet. Dadurch wird vermieden, daß bei unveränderter Kraftstoffmenge die Luftmenge mit Hilfe des Abblaseventils 22 verringert wird. Rußbildung und Verkokungserscheinungen sind dadurch ausgeschlossen.

[0025] Anstelle des dargestellten Drucksensors 20 und dem davon gesteuerten elektromagnetischen Belüftungsventil 18 können Drucksensor und Belüftungsventil einstückig als Dreiwegeventil 23 ausgebildet sein. Dieses ist im unteren Teil der Zeichnung dargestellt und besitzt zwei Zuführ-Anschlüsse 24 und 25 für die Verbindung mit dem Ladeluftsammler bzw. der Atmosphäre. Ein Doppelventilglied 26 verschließt bis zu einem Ladeluftdruck von z. B. 0,9 bar unter der Wirkung einer Feder 27 den Anschluß 25 und hält den Anschluß 24 offen. Dadurch ist die am Abführ-Anschluß 28 angeschlossene Druckdose bis zu diesem Wert des Ladeluftdrucks mit dem Ladedruck beaufschlagt und steuert in bekannter Weise den Vollastanschlag der Einspritzpumpe 15.

[0026] übersteigt der Ladeluftdruck diesen Ansprechwert, so wird das Doppelventilglied 26 in der Zeichnung nach rechts verschoben, wodurch der Anschluß 24 verschlossen und der Anschluß 25 geöffnet wird. Die Verbindung der Druckdose mit dem Ladeluftsammler 11 ist damit auf Kosten einer Verbindung zur Atmosphäre hin unterbrochen. Die Druckdose 16 wird dadurch belüftet und sorgt in der beschriebenen Weise für eine Verringerung der maximalen Einspritzmenge. Sofern der Ladeluftdruck wieder absinkt, gelangt das Doppelventilglied 26 wieder in die eingezeichnete Stellung, wodurch die Verbindung der Druckdose 16 zur Atmosphäre unterbrochen und zum Ladeluftsammler 11 wieder hergestellt wird.

[0027] Um einen fehlerbedingten zu hohen Ladeluftdruck auch dem Fahrer deutlich zu machen, kann durch den Drucksensor 20 gleichzeitig mit dem Belüftungsventil 18 auch eine optische und/oder akustische Warnanzeige bleibend oder wie das Ventil 18 eingeschaltet werden. Diese ist schematisch als Warnlampe 30 dargestellt.

[0028] Zusätzlich oder alternativ zum Abblaseventil 22 kann im Ansaugkanal 9 bzw. in der Ladeluftleitung 10 auch eine Drosselklappe 31 angeordnet sein, die beim maximalen Wert des Ladedrucks - beispielsweise durch einen nicht dargestellten weiteren Drucksensor gesteuert - wirksam geschaltet wird und dadurch ebenfalls einen Anstieg des Ladedrucks über den maximalen Wert verhindert.

Ansprüche

1. Sicherheitsvorrichtung für eine Diesel-Einspritz-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, mit einem Fehlerdetektor, der bei Auftreten eines Fehlers ein Belüftungsventil für einen an sich ladedruckabhängigen Volllastanschlag für das Regelglied der Einspritzpumpe steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerdetektor ein mit dem Ladedruck beaufschlagter Drucksensor (20) ist, der bei einem überhöhten Ladedruckwert anspricht.

2. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (20) eine Ansprechhysterese derart besitzt, daß er das Belüftungsventil (18) erst weit unter einem Normalwert des Ladedrucks unwirksam schaltet.

3. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (20) ein elektromagnetisches Belüftungsventil (18) steuert.

4. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (20) auch eine akustische und/oder optische Warnanzeige (30) steuert.

5. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor und das Belüftungsventil einstückig als Dreiwegeventil (23) ausgebildet sind, dessen beide Zuführanschlüsse (24, 25) mit dem Ladedruck bzw. mit atmosphärischem Druck beaufschlagt sind und dessen Abführ-Anschluß (28) mit dem Vollastanschlag (Druckdose 16) in Verbindung steht und bei dem ein Doppelventilglied (26) für die beiden Zuführanschlüsse (24, 25) durch eine Feder (27) entgegen dem Ladedruck den Anschluß (24) zum Ladedruck bis zum Ansprechwert des Ladedrucks offenhält und den Anschluß (25) zur Atmosphäre verschließt.

6. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gaskanal der Brennkraftmaschine ein Abblaseventil (22) angeordnet ist, das den Ladedruck auf einen über dem Ansprechwert des Drucksensors (20) liegenden maximalen Wert begrenzt.

7. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abblaseventil (22) im Ansaugkanal (Ladeluftleitung 10) zwischen dem Lader (4) des Abgasturboladers (3) und der Brennkraftmaschine (1) liegt und beim maximalen Wert des Ladedrucks öffnet.

8. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Toleranzbereich der Ladedruckwerte für das öffnen des Abblaseventils (22) an den Ansprechwert des Drucksensors (20 stufenlos anschließt.

9. Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugkanal (10) vor oder nach dem Lader (5) eine Drosselklappe (31) angeordnet ist, die beim maximalen Wert des Ladedrucks eingeschaltet wird.

Zeichnung