<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer das Verdichter-Druckverhältnis und/oder den Gasstrom durch den Verdichter eines Verbrennungsmotors beeinflussenden Stelleinrichtung, bei dem die Stelleinrichtung im Betriebsmodus verstellt wird bis das erfasste Verdichter-Druckverhältnis und der ebenfalls erfasste Gasstrom einem in einem Speicher abgespeicherten Sollzusammenhang zwischen Verdichter-Druckverhältnis und Gasstrom entsprechen.
Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Regeln einer das Verdichter-Druckverhältnis und/oder den Gasstrom durch den Verdichter eines Verbrennungsmotors beeinflussenden Stelleinrichtung, mit - einer Einrichtung zum Erfassen des Gasstromes durch einen Verdichter, einer Einrichtung zum Erfassen des Verdichter-Druckverhältnisses, - einem Speicher, in dem ein Sollzusammenhang zwischen Gasstrom und Verdichter-Druckverhältnis abgespeichert ist, und - einem Regelglied, das in Abhängigkeit vom erfassten Gasstrom und Verdichter-Druckverhältnis sowie von der dem abgespeicherten Sollzusammenhang dieser Grössen die Stelleinrichtung ansteuert.
Es ist bereits bekannt, parallel zum Verdichter eine Rückführleitung (Bypass) anzuordnen, die dazu dient, den Gasstrom durch den Verdichter durch Regelung eines in der Rückführleitung angeordneten Ventils so hoch zu halten, dass es bei einem verminderten Bedarf des Verbrennungsmotors (im folgenden kurz Motor genannt) nicht zu instabilen Strömungszuständen im Verdichter und dem Ansaugtrakt des Motors (dem sogenannten"Pumpen" [englisch : surging]) kommt. Mittels einer solchen Rückführleitung und einem in dieser angeordneten Ventil wird erreicht, dass die durch den Verdichter strömende Gasmenge (beispielsweise Luft oder ein Verbrennungsgas-Luft-Gemisch) grösser ist als die Schluckmenge des Motors.
Ist allerdings die Öffnung des Ventils zu gross, d. h. fliesst zu viel Gas über die Rückführleitung auf die Saugseite des Verdichters zurück, sinkt der Druck auf der Druckseite des Verdichters zu weit ab und der Motor verliert an Leistung. Es ist daher nötig, eine präzise Regelung zu schaffen. Nach dem Stand der Technik wird dazu ein Sollzusammenhang zwischen dem Verdichter-Druck-
<Desc/Clms Page number 2>
verhältnis (Verhältnis der totalen Drücke nach und vor dem Verdichter) und dem Gasstrom durch den Verdichter (Gasmenge pro Zeiteinheit) in einem Speicher vorgegeben. Durch Einbeziehung weiterer Parameter, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, kann dieser Sollzusammenhang zu einem mehrdimensionalen Kennfeld erweitert werden.
Die herkömmliche Kennfeldprogrammierung muss dabei die Toleranzgrenze verschiedener Turbolader einer Bauart berücksichtigen und bei verschiedenen Luftdrücken und Temperaturen entsprechend unterschiedlichen Höhenlagen des Aufstellungsortes der Motoren bzw. unterschiedlichen klimatischen Bedingungen genau angepasst sein. Bei der Unzahl der Parameter, die einen Einfluss auf das Pumpen haben, und in verschiedensten Bauarten von Turboladern muss damit bei einer Kennfeldprogrammierung herkömmlicher Art ein hoher Aufwand betrieben werden, wobei dann immer noch eine Langzeitstabilität nicht sichergestellt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Einrichtung zum Regeln eines Verdichters zu schaffen, mit dem sich bei hohem Wirkungsgrad des Motors im Betrieb ein Pumpen zuverlässig vermeiden lässt und insbesondere eine hohe Langzeitstabilität erzielbar ist.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren neben dem Betriebsmodus einen Lernmodus aufweist, in dem der abgespeicherte Sollzusammenhang zwischen Verdichter-Druckverhältnis und Gasstrom automatisch verändert wird, wobei bei verschiedenen Gasstrom-Werten und Verdichter-Druckverhältnis-Werten erfasst wird, ob Pumpen im Einlasstrakt des Verbrennungsmotorsa auftritt, und der genannte Sollzusammenhang in Abhängigkeit von der derart erfassten tatsächlichen Pumpgrenze unterhalb dieser festgelegt und im Speicher abgespeichert wird.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch eine
Pumperfassungseinrichtung zum Erfassen von Pumpen im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors und - eine Einrichtung zum automatischen Verändern des im Speicher abgespeicherten Sollzusammenhangs zwischen Gasstrom und Verdichter-Druckverhältnis auf einen neuen Sollzusammenhang unterhalb der
<Desc/Clms Page number 3>
von der Pumperfassungseinrichtung erfassten tatsächlichen Pumpgrenze.
Durch den erfindungsgemässen Lernmodus ist es möglich, eine adaptive Regelung des Verdichters bzw. der Stelleinrichtung zu erzielen, wobei der im Betriebsmodus die Basis der Regelung bildende abgespeicherte Sollzusammenhang zwischen Verdichterdruckverhältnis und Gasstrom automatisch an die tatsächliche Pumpgrenze angepasst wird. Die Pumpgrenze ist dabei jene Kurve in dem Fachmann auf dem Verdichtersektor bekannten Verdichterkennfeld (Diagramm, in dem das Verdichter-Druckverhältnis über dem Gasstrom aufgetragen ist), oberhalb derer Pumpen, also stossartige Druckschwankungen im An-
EMI3.1
kurzzeitig nötig und schädigt den Motor nicht, da das Beginnen des Pumpens sofort durch die Pumperkennungseinrichtung erfasst wird.
Nachdem die tatsächliche Pumpgrenze festgestellt ist, kann man den Sollzusammenhang zwischen Verdichter-Druckverhältnis und Gasstrom geringfügig unter dieser Pumpgrenze mit einem bestimmten Sicherheitsabstand anordnen und wieder in den normalen Betriebsmodus zurückkehren. Im Betriebsmodus wird dann auf der Basis dieses Sollzusammenhangs die Regelung der Stelleinrichtung, beispielsweise eines Ventils in einer Rückführleitung parallel zum Verdichter geregelt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Motoranordnung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Regelung, die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Regelgliedes in detailliertem Blockschaltbild, die Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zum Erkennen des Pumpens, die Fig. 4a zeigt ein Diagramm, in dem das Verdichter-Druckverhältnis über den Gasstrom im Betriebsmodus aufgetragen ist, die Fig. 4b zeigt das Diagramm im Lernmodus.
<Desc/Clms Page number 4>
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Motor über einen Verdichter 4 gespeist, wobei das verdichtete Gas bzw.
Gasgemisch über einen Ladeluftkühler 5 und eine Drossel 6 in den Motor M gelangt. Die Abgase des Motors treiben die Turbine 7 an, welche über eine Welle 8 die Verdichterschaufeln antreibt. Um das unerwünschte Pumpen im Ansaugtrakt des Motors zu vermeiden, ist eine Rückführleitung 9 parallel zum Verdichter vorgesehen, in der ein vorzugsweise elektrisch regelbares Proportionalventil angeordnet ist. Durch öffnen des Ventils 10 kann der Gasstrom durch den Verdichter erhöht werden und damit das Pumpen vermieden werden.
Allerdings würde bei ständig vollgeöffnetem Ventil 10 der Motor an Leistung verlieren, also-vor allem bei voll offener Drosselklappe-nicht seinen vollen Wirkungsgrad bringen. Es ist daher nötig, das Ventil 10 zu regeln, um möglichst nahe an der Pumpgrenze fahren zu können, ohne jedoch diese zu überschreiten.
Für diese Regelung ist der erfindungsgemässe Regler vorgesehen, der über eine Steuerleitung 12 die Stellung des Ventils 10 (= Stelleinrichtung) beeinflusst. Der Regler 11 empfängt eingangsseitig verschiedene Motor- bzw. Umgebungsparameter, nämlich die Drücke P1'P2'P3 und die Temperaturen Tj, T , T sowie die Drehzahl n des Motors. Die Indizes an den Drücken und Temperaturen entsprechen den Stellen, die in Fig. 1 mit eingekreisten Ziffern gekennzeichnet sind, also vor dem Verdichter 4, nach dem Verdichter 4 und knapp vor dem Motor M. Diese Parameter lassen sich mit verhältnismässig einfachen Sensoren, die dem Fachmann bekannt sind und daher der übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt sind, erfassen.
Wie die Fig. 2 zeigt, können über diese Parameter die für die Regelung benutzten Grössen des Gasstromes dV/dt und das VerdichterDruckverhältnis Po+-/Plt ermittelt werden. Auf der Basis dieser beiden Grössen und einem in einem Speicher 14 abgespeicherten Sollzusammenhang zwischen diesen beiden Grössen erfolgt dann über das Regelglied 15 und die Steuerleitung 12 die eigentliche Regelung des Stellgliedes (Ventil 10).
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Einrichtung 16 zum Erfassen des Gasstromes dV/dt neben Sensoren
<Desc/Clms Page number 5>
für die Drehzahl n, die Temperatur T3 vor dem Motor und dem statischen Druck, P3 vor dem Motor eine Recheneinheit, die daraus aus einem vorbekannten formelmässigen Zusammenhang den Gasstrom (Durchsatz) durch den Motor ermittelt. Es ist nämlich bekannt, dass dieser Gasstrom direkt eine Funktion der von den eingezeichneten Sensoren gemessenen Signale sowie von abspeicherbaren festen Motordaten ist. Dies stellt natürlich nur eine von vielen Möglichkeiten dar, den Gasstrom dV/dt zu erfassen. Grundsätzlich sind natürlich auch direkte Luft- bzw. Gasdurchsatzmessungen denkbar und möglich. Wesentlich ist, dass als Ergebnis ein Wert des Gasstromes dV/dt auf der Leitung 17 zur Verfügung steht.
Dabei kann der Gasstrom, wie es auf dem Gebiet der Verdichter üblich ist, normiert werden, beispielsweise auf eine Standardtemperatur von 300 K und einem Standarddruck von 1013 mbar. Auch die im Speicher 14 abgespeicherten dV/dt-Werte wird man günstigerweise so wie die vom Verdichter-Hersteller gelieferten Verdichter-Kennfelder normieren.
Was das totale Druckverhältnis P2t/Plt über dem Verdichter betrifft, so kann dieses aus den Drücken und Temperaturen vor und hinter dem Verdichter sowie dem ermittelten Gasdurchsatz dV/dt und den bekannten Verdichter-Querschnitten ermittelt werden. Dabei ist
EMI5.1
Drücken P1 und P2 kann man dann die totalen Drücke P1t und P2t daraus deren Verhältnis ermitteln, welches dann auf Leitung 18 am Ausgang der Einrichtung 19 zur Ermittelung des Verdichter-Druckverhältnisses zur Verfügung steht.
In Fig. 4a ist dargestellt, wie die Regelung im Betriebsmodus funktioniert. Zunächst ist ersichtlich, dass der Sollzusammenhang zwischen Verdichter-Druckverhältnis und Gasstrom im Speicher 14 als Wertepaare 20 (diskrete Punkte im Diagramm) abgelegt ist. Dazwischen wird gemäss den eingezeichneten geraden Strecken linear interpoliert. Mit 21 ist die Pumpgrenze bezeichnet, oberhalb derer das unerwünschte Pumpen des Motors auftritt. Befindet sich der Motor in einem Betriebszustand, bei dem der Betriebspunkt 22 oberhalb der durch die Punkte 20 festgelegten Sollwertkurve liegt, regelt das Regelglied 15 vorzugsweis ein eine Richtung senkrecht auf
<Desc/Clms Page number 6>
die Sollwertkurve über eine Verstellung des Ventils 10 die Grössen Pot/Pit und dV/dt auf einen Punkt 23 auf der Sollwertkurve zurück.
Dabei ist es im Detail nicht wesentlich, wo genau auf der Sollwertkurve dieser Punkt liegt. Wesentlich ist die Tatsache, dass der Punkt 23 auf der Sollwertkurve liegt. Bei unterschiedlicher Last bzw. Leistung (unterschiedlicher Stellung der Drosselklappe 6) wird dieser Punkt 23 als tatsächlicher Betriebspunkt auf der Sollwertkurve auf-und abfahren.
Über längere Zeiträume und bei stark variierenden äusseren Bedingungen, wie z. B. bei Verschmutzen des Verdichters, kann sich aber die Lage der tatsächlichen Pumpgrenze 21 verändern. Um auch über längere Zeit eine präzise Regelung zu ermöglichen, die sich möglichst knapp unter der tatsächlichen Pumpgrenze 21 bewegt, ist nunmehr erfindungsgemäss eine adaptive Verdichter-Regelung mit einem Lernmodus vorgesehen. Die Grundidee besteht dabei darin, den abgespeicherten Sollzusammenhang zwischen Verdichter-Druckverhältnis und Gasstrom, auf dem im Betriebsmodus die Regelung basiert, automatisch zu verändern, und zwar in Abhängigkeit von einer tatsächlich erfassten Pumpgrenze.
Es wird bei verschiedenen Gasstromwerten und Verdichterdruckverhältnisswerten erfasst, ob Pumpen im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors auftritt und der genannte Sollzusammenhang in Abhängigkeit von der derart erfassten tatsächlichen Pumpgrenze in einem Sicherheitsabstand unterhalb dieser festgelegt und im Speicher 14 abgespeichert. Einrichtungsmässig ist dazu eine Pumperfassungseinrichtung 24 zum Erfassen von Pumpen im Einlasstrakt des Verbrennungsmotors M und eine Einrichtung 25 (beispielsweise Mikroprozessor MP) zum automatischen Verändern des im Speicher 14 abgespeicherten Sollzusammenhang zwischen Gasstrom dV/dt und Verdichter-Druckverhältnis Pof/Pi auf einen neuen Sollzusammenhang unterhalb der von der Pumperfassungseinrichtung 24 erfassten tatsächlichen Pumpgrenze vorgesehen.
Die Pumperfassungseinrichtung dient dazu, auf ihren Ausgang 26 ein vorzugsweise binäres Singal abzugeben, welches anzeigt, ob im Einlasstrakt des Motors Pumpen vorliegt oder nicht. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, das Pumpen zu erfassen. Grundsatzlich wäre es z. B. denkbar, über einen Piezosenor die dadurch auftretenden Vibrationen im Einlasstrakt zu erfassen und auszuwerten. Beim dargestellten
<Desc/Clms Page number 7>
Ausführungsbeispiel wird allerdings die Pumperfassung auf der Basis eines Drucksignals vorgenommen, welches ein Drucksensor im bzw. vor dem Verdichter im Ansaugtrakt des Motors M abgibt. Es wird also der Druckverlauf des Druckes p.. ausgewertet. In Fig. 3 ist im ersten Block 27 dieser Druckverlauf beim Auftreten von Pumpen schematisch dargestellt.
Dieses Drucksignal wird dann über einen Bandpassfilter 28 in eine Vergleichsstufe 29 geleitet, wo es mit einem einstellbaren Vergleichssignal verglichen wird. Am Ausgang 26 hat man dann ein binäres Signal, das Pumpen anzeigt, sobald der gefilterte Druckwert über dem Vergleichssignal liegt. Alternativ könnten auch Druckschwankungen direkt im Verdichter als Mass für das Auftreten von Pumpen herangezogen werden.
Es ist eine Umschalteinrichtung 30 zum Umschalten vom Betriebsmodus auf den Lernmodus vorgesehen, in welchem der Sollzusammenhang im Speicher adaptiv angepasst wird. Diese Umschalteinrichtung 30 lässt sich beispielsweise über einen externen, vorzugsweise händisch bedienbaren Schalter 31 aktivieren. Beim Drücken dieses Schalters 31 werden über die Steuerleitung 32 die Relaisschalter Si und S2 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung umgeschaltet und damit vom eigentlichen Regelglied 15 für den Betriebsmodus getrennt. Es stehen dann die Verdichter-Luftverhältnis- und Gasstromsignale an der Einrichtung 25 zur Verfügung. Ausserdem gibt die Umschalteinrichtung ein Startsignal an den Starteingang S der Einrichtung 25.
Diese bewegt dann zunächst über die Steuerleitung 13 die Drosselklappe 6 in eine erste Stellung und verändert daraufhin über die Leitung 12 die Stellung des Ventils 10 bis Pumpen auftritt, was am Ausgang 26 der Pumperfassungseinrichtung 24 für die Einrichtung 25 erkennbar ist. Die Einrichtung 25 legt dann in einem vorgegebenen Sicherheitsabstand unterhalb dieses Pumpgrenzwertes das Sollwertpaar aus Verdichter-Druckverhältnis und Gasstrom fest und speichert es über die Schreibleitung 33 als Wertepaar im Speicher 14 ab.
Daraufhin steuert die Einrichtung 25 über die Leitung 13 die Drosselklappe auf einen weiteren Wert an. Durch Verstellen des Ventils 10 wird daraufhin wiederum festgestellt, wo die Pumpgrenze liegt.
Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Sollzusammenhang von Gasstrom und Verdichter-Druckverhältnis im Speicher 14 als Folge von
<Desc/Clms Page number 8>
Wertepaaren 20 unterhalb der tatsächlichen Pumpgrenze 21 festgelegt ist, wie dies in Fig. 4b gezeigt ist. Nach dem Abschluss dieses Lernvorganges kann die Einrichtung 25 über den Ausgang E und die Leitung 34 der Umschalteinrichtung 30 das Ende des Lernmodus anzeigen, worauf die Umschalteinrichtung 30 die Schalter Si und S2 wieder in die in Fig. 2 gezeigte Betriebsmodusstellung zurückschaltet.
Neben dem beschriebenen händischen Aktivieren des Lernmodus über den externen Schalter 31, der natürlich grundsätzlich auch fernsteuerbar ist, kann der Lernmodus auch auf weitere Arten aktiviert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht beispielsweise darin, dass die Umschalteinrichtung 30 von der Pumperfassungseinrichtung 24 angesteuert wird, d. h. dass jedenfalls dann, wenn im normalen Betriebsmodus Pumpen auftritt (was eigentlich nicht der Fall sein sollte) automatisch der Lernmodus aktiviert wird, um einen neuen richtigen Sollwertzusammenhang im Speicher 14 festzulegen. Diese Ansteuerung erfolgt über die Leitung 35. Es kann auch vorgesehen sein, dass im Lernmodus nicht der gesamte Sollwertzusammenhang, sondern beispielsweise nur der Bereich um den Betriebspunkt, bei dem Pumpen auftritt, korrigiert wird. Dies kann sogar ohne Unterbrechung des Betriebsmodus geschehen, wenn dieser Teil-Lernmodus nicht alternativ, sondern parallel zum Betriebsmodus abläuft.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Umschalteinrichtung 30 eine Speichereinheit für Umgebungs- und/oder Motorparameter bzw. deren Mittelwerte aufweist. Ausserdem können Sensoren zur Erfassung dieser Werte sowie eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der aktuell gemessenen Werte mit den gespeicherten Werten vorgesehen sein. Es ist dabei möglich, sich beispielsweise die mittlere Umgebungstemperatur während des Lernmodus zu merken. Wenn die mittlere Umgebungstemperatur im Lauf der Zeit um einen bestimmten Betrag, beispielsweise um 20 C von jener Temperatur abweicht, bei der der Lernmodus erfolgt ist, kann automatisch ein neuer Lernmodus über die Umschalteinrichtung 30 gestartet werden.
Es ist auch möglich, dass die Umschalteinrichtung 30 eine Umschaltuhr aufweist, die in vorgebbaren Zeitabständen automatisch in den Lernmodus umschaltet.
<Desc/Clms Page number 9>
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel war die Stelleinrichtung ein Ventil 10 in einer Rückführleitung 9. Grundsätzlich ist es auch möglich, als Stelleinrichtung Drosselventile vor bzw. nach dem Verdichter 4 sowie Ablassventil vorzusehen. Im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad scheint aber die Stelleinrichtung 10 als Ventil in der Rückführleitung 9 derzeit am günstigsten zu sein.
Zu erwähnen wäre noch, dass der Sollwertzusammenhang im Speicher 14 auch über eine externe Schnittstelle 36 und die Schreibleitung 33, beispielsweise beim Initialisieren des Systems abspeicherbar ist.
Die erfindungsgemässe Regelung lässt sich grundsätzlich hardwaremässig realisieren, wobei insbesondere die in Fig. 2 getrennt dargestellten Komponenten natürlich auch zusammengefasst werden können. Es ist natürlich auch möglich und sinnvoll, die Komponenten insgesamt in einem programmierbaren Rechner anzuordnen und die einzelnen Funktionen im wesentlichen durch Software zu realisieren, insbesondere im Rahmen der bei grösseren Motoren ohnehin vorgesehenen Motormanagementregelung.