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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verdichters,
insbesondere eines Verdichters im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine,
gemäß Anspruch
1.
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Die
Druckschrift
DE 195
43 190 A1 offenbart einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit
einer Turbine, welche über
ein verstellbares Leitgitter zur variablen Einstellung der Turbinengeometrie
verfügt.
Dem Leitgitter sind Leitschaufeln zugeordnet, deren Position zur
Veränderung
des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts der Turbine eingestellt
werden kann, wodurch in Abhängigkeit
des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine unterschiedlich hohe
Abgasgegendrücke
zwischen Zylinderauslaß und
Turbine eingestellt werden können. Die
Leistung des Abgasturboladers und damit der Ladedruck können somit über die
Position der Leitschaufeln beeinflusst werden.
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Das
Betriebsverhalten von Verdichtern im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen
kann durch Kennfelder beschrieben werden, bei denen das Druckverhältnis über dem
normierten Volumen- bzw. Massenstrom dargestellt ist. Der nutzbare
Kennfeldbereich ist in Richtung reduzierter Volumen- bzw. Massenströme durch
eine Pumpgrenze im linken Kennfeldrand begrenzt, bei deren Erreichen
der Fördervorgang
durch den Verdichter unterbrochen wird. Die Pumpgrenze darf daher
bei kleiner werdenden Förderströmen nicht
unterschritten werden, es sind Maßnahmen vorzusehen, den Ver dichter
in einem stabilen Bereich oberhalb der Pumpgrenze zu betreiben.
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Die
Druckschrift
US 50 25 629 offenbart
einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie und einem
zweistufigen Verdichter, wobei in Abhängigkeit des Betriebszustandes
der Brennkraftmaschine zwischen den Stufen des Verdichters hin und her
geschaltet werden kann, um das Verdichterverhalten im Hinblick auf
die Pumpgrenze zu verändern. Über eine
Regeleinheit werden verschiedene Fahrzeugparameter und Zustandsgrößen als
Eingangssignale verarbeitet und auf der Grundlage dieser Signale
eine Einstellung sowohl der Turbine als auch des Verdichters durchgeführt. Die
Turbineneinstellung kann hierbei durch Variation der Turbinengeometrie
erfolgen.
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Um
den aktuellen Betriebspunkt des Verdichters feststellen und der
Entscheidung zu Grunde legen zu können, in welcher Stufe der
Verdichter betrieben werden soll, werden verschiedene Zustandsgrößen der
Brennkraftmaschine gemessen, beispielsweise die Last und die Geschwindigkeit.
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Die
aus der
US 50 25 629 bekannte
Einrichtung hat den Nachteil, dass eine nur verhältnismäßig grobe Unterteilung in zwei
verschiedene Betriebsweisen des Verdichters realisierbar ist. Eine
optimierte Betriebsweise nahe der Pumpgrenze kann mit dieser Einrichtung
nicht durchgeführt
werden, da eine derartige Betriebsweise exakte Messungen und Regelungen
voraussetzt, was mit den üblichen
Zustandsgrößenmessungen
in der Regel nicht mit hinreichender Genauigkeit ausgeführt werden
kann.
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Aus
der
EP 0 368 557 A2 ist
ein elektrisch angetriebener Verdichter bekannt, bei dem unterschiedliche
Betriebszustände
dadurch erkannt werden, dass der Aufnahmestrom des elektrischen
Antriebes gemessen und mit einem Sollwert verglichen wird.
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Aus
der
EP 0 685 652 A2 ist
eine Vorrichtung zur Schwankungsmessung von Zustandsgrößen von Turbomaschinen
wie beispielsweise Verdichter gezeigt. Hierbei wird die Schwankung
von Zustandsgrößen gemessen
und im Bedarfsfall nachgeregelt durch Verstellen von beispielsweise
der Leitschaufelgeometrie an einem Diffusor.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Betriebsweise eines
Abgasturboladers in einer Brennkraftmaschine nahe der Pumpgrenze
zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 oder 10 gelöst.
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Gemäß dem neuartigen
Verfahren wird die Schwankungsbreite der gemessenen Zustandsgröße, welche
das Verhalten des Verdichters beschreibt, bestimmt und als Maßstab für die Ermittlung
des aktuellen Betriebspunktes innerhalb des Verdichterkennfeldes
herangezogen. Hierfür
ist zweckmäßig eine
Messeinrichtung zur Ermittlung des Zeitverlaufs der interessierenden
Zustandsgröße und eine
Regel- und Steuereinheit vorgesehen, der die Messwerte als Eingangssignale
zuführbar
sind und in der mittels eines Vergleiches der Schwankungsbreite,
das heißt der
oberen und unteren Amplitude der Zustandsgröße, mit Referenzwerten der
aktuelle Betriebspunkt innerhalb des Verdichterkennfeldes zu bestimmen
ist.
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Diesem
Verfahren bzw. dieser Einrichtung liegt die Vorstellung zu Grunde,
dass die Schwankung einer das Verdichterverhalten beschreibenden Zustandsgröße um einen
Mittelwert herum innerhalb des Verdichterkennfelds Veränderungen
unterworfen ist, wobei jedem Punkt im Verdichterkennfeld der jeweils
betrachteten Zustandsgröße eine
definierte Soll-Schwankungsbreite zuzuordnen ist. Die Soll-Schwankungsbreite
dient als Referenzwert, mit der die gemessene bzw. ermittelte Ist-Schwankungsbreite
verglichen wird. Über
diesen Vergleich von Ist- und Soll-Schwankungsbreite kann der aktuelle
Betriebspunkt innerhalb des Verdichterkennfelds bestimmt werden,
anschließend
kann der Verdichter in der Weise manipuliert werden, dass im Betrieb
des Verdichters ein hinreichender Abstand zur Pumpgrenze eingehalten
wird, um ein Verdichterpumpen zu vermeiden; zugleich kann der Abstand
zur Pumpgrenze gefahrlos so klein wie möglich gehalten werden, wodurch
sich das Betriebsspektrum des Verdichters erweitert. Mit dem neuen
Verfahren bzw. der neuen Einrichtung können verschiedenartige Regelstrategien
umgesetzt werden, die insbesondere in einfacher Weise einen Verdichterbetrieb
im Nahbereich zur Pumpgrenze erlauben, beispielsweise einen Betrieb
parallel zur Pumpgrenze, wobei vorteilhaft ein Mindestabstand zur
Pumpgrenze vorgegeben wird und entlang dieses Mindestabstandes der Verdichter
betrieben wird.
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Zweckmäßig wird
im Verdichterkennfeld ein Bereich festgelegt, innerhalb dem in jedem
Fall der Verdichter im geregelten Betrieb gefahren wird. Dieser
Bereich wird einerseits durch die Pumpgrenze markiert, andererseits
durch eine Abstandslinie zur Pumpgrenze definiert, welche vorteilhaft
durch den Beginn einer rotierenden, abreißenden Verdichterströmung gekennzeichnet
ist. Der Beginn des rotierenden Abreißens wird bevorzugt über den
Gradienten der Ist-Schwankungsbreite der gemessenen Zustandsgröße ermittelt,
in dem der Gradient der Ist-Schwankungsbreite mit einem Soll-Gradienten verglichen
wird und bei Überschreitung
des Soll-Gradienten eine abreißende
Verdichterströmung
festgestellt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführung
genügt
es, lediglich die Ist-Schwankungsbreite
der Zustandsgröße zu ermitteln,
unabhängig
von dem tatsächlichen Mittelwert
der Zustandsgröße. Hierzu
muss eine Schwingungsperiode der Zustandsgröße ermittelt werden. Aus der
Schwingungsperiode sind das Minimum und das Maximum zu entnehmen,
deren Differenz mit der Ist-Schwankungsbreite identisch ist.
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Als
zu betrachtende Zustandsgröße können Druck
oder Temperatur sowohl stromauf als auch stromab des Verdichters
ermittelt werden, alternativ hierzu ist auch eine Betrachtung des
Verdichtermassenstromes bzw. Verdichtervolumenstromes möglich.
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Das
Verfahren und die Einrichtung eignen sich in besonderer Weise zur
Anwendung auf Abgasturbolader für
Brennkraftmaschinen, insbesondere Abgasturbolader mit variabler
Turbinengeomet rie, bei denen eine Regelung gemäß einer vorgegebenen Kennlinie
innerhalb des Verdichterkennfeldes bevorzugt dadurch realisiert
wird, dass der wirksame Turbinenströmungsquerschnitt durch Einstellung
der variablen Turbinengeometrie beeinflusst wird. Zusätzlich oder
alternativ hierzu ist aber auch eine Regelung über eine Einstellung mittels
eines Abblase- oder Bremsventils, über eine Abgasrückführung, über die
Einstellung der Rezirkulationsmenge bei Einsatz eines Verdichters
mit Kennfeldstabilisierender Maßnahme
oder über
motorische Einstellungen, insbesondere Zündzeitpunkt und Kraftstoffmenge, möglich.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit
einstellbarer Turbine und einstellbarem Verdichter,
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2 ein
Verdichterkennfeld,
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3 ein
Schaubild mit dem Verlauf der Schwankungsbreite in Abhängigkeit
vom Pumpgrenzenabstand, dargestellt für zwei verschiedene Drehzahlen.
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Der
in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist
ein Abgasturbolader 2 zugeordnet, dessen Abgasturbine 3 im
Abgasstrang 7 von den unter dem Abgasgegendruck p3 stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine
angetrieben wird, wobei die Turbinenbewegung über eine Welle 5 auf
einen Verdichter 4 des Abgasturboladers 2 übertragen
wird. Der Verdichter 4 ist im Ansaugtrakt 6 der
Brennkraftmaschine angeordnet und verdichtet die mit dem Atmosphärendruck
p1 angesaugte Verbrennungsluft auf einen
Ladedruck p2. Nach der Kühlung der verdichteten Ladeluft
in einem Lade luftkühler 8 wird
die Ladeluft mit dem Druck p2s den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Abgasseitig
werden die durch die Turbine 3 geleiteten Abgase auf den Druck
p4 entspannt und im weiteren Verlauf nach
einer katalytischen Reinigung in die Atmosphäre emittiert.
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Die
Turbine 3 des Abgasturboladers 2 ist mit einer
variablen Turbinengeometrie 9 ausgestattet, die es erlaubt,
den wirksamen Turbinenquerschnitt veränderlich einzustellen. Die
variable Turbinengeometrie 9 ist beispielsweise als axial
in den Turbinenquerschnitt einschiebbares Leitgitter oder als Gitter mit
Drehschaufeln, die rotatorisch verstellt werden können, ausgeführt. Über die
Einstellung des freien Turbinenquerschnitts können sowohl in der befeuerten
Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb durch Manipulation
des Abgasgegendrucks die gewünschten
Betriebspunkte eingestellt werden.
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Auch
der Verdichter 4 ist mit einer variabel einstellbaren Geometrie 10 zur
veränderlichen
Einstellung des wirksamen Verdichterquerschnitts ausgestattet, wobei
die variable Verdichtergeometrie zweckmäßig als Verdichter-Vorleitgitter
oder als Vario-Verdichter
mit Kennfeld-stabilisierender Maßnahme ausgeführt ist;
im letzteren Fall sind im Verdichtergehäuse Rückströmkanäle parallel zum Hauptkanal
des Verdichters vorgesehen, wobei über eine Einstellung der Rezirkulationsmenge
der Luft durch die Rückströmkanäle der Stabilitätsbereich
des Verdichters vergrößert werden
kann.
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Des
weiteren ist eine Abgasrückführung 11 vorgesehen,
welche aus einer Rückführleitung 12 mit einem
einstellbaren Ventil 13 und einem Kühler 14 zwischen dem
Abgasstrang 7 und dem Ansaugtrakt 6 besteht.
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Weiterhin
ist eine Abblaseeinrichtung in Form eines Abblasven tils 15 unmittelbar
stromab des Verdichters 4 im Ansaugtrakt 6 vorgesehen.
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Zur
Regelung und Steuerung der Betriebsweise der Brennkraftmaschine
ist eine Regel- und Steuereinheit 16 vorgesehen, die diverse
Untereinheiten 16a bis 16d umfasst, welche der
Regelung und Steuerung eines oder mehrerer der Aggregate der Brennkraftmaschine
dienen. Die Regel- und Steuereinheit 16 ist hierzu über Signalleitungen
insbesondere mit Stellorganen der Ventile der Brennkraftmaschine,
der Einspritzung der Brennkraftmaschine, des Ventils 13 der
Abgasrückführung 11,
des Abblasventils 15 im Ansaugtrakt 6, der variablen
Turbinengeometrie 9 der Turbine 3 und der variablen Verdichtergeometrie 10 des
Verdichters 4 verbunden. Der Regel- und Steuereinheit 16 ist
außerdem ein
Verdichterkennfeld 17 zugeordnet, über das das Betriebsverhalten
des verwendeten Verdichters beschrieben werden kann.
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Das
in 2 dargestellte Verdichterkennfeld zeigt das Totaldruckverhältnis πv,
definiert durch das Verhältnis
des Ladedrucks p2 unmittelbar stromab des
Verdichters zum Ansaugdruck bzw. Atmosphärendruck p1 stromauf
des Verdichters, bezogen auf einen normierten, reduzierten Massenstrom
M01red am Verdichtereintritt, wobei in dem
normierten Massenstrom Druck und Temperatur unter Normalbedingungen
berücksichtigt
sind. Der nutzbare Bereich des Verdichterkennfelds, mit dem das
Betriebsverhalten von Verdichtern beschrieben wird, ist am linken
Kennfeldrand durch die Pumpgrenze p und am rechten und oberen Kennfeldrand
durch die Stopfgrenze s bzw. die maximal zulässige Turbodrehzahl nTLmax begrenzt. Innerhalb des nutzbaren Kennfeldbereiches
sind Kennlinien für
konstante Verdichterdrehzahlen nv und für konstante
Verdichterwirkungsgrade ηv eingetragen.
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In
dem Verdichterkennfeld ist nahe zur Pumpgrenze p eine Motorschlucklinie
sl eingezeichnet, welche das Motorbetriebsverhal ten bei konstanter
Motordrehzahl charakterisiert. Auf der Motorschlucklinie sl ist
ein Betriebspunkt 0 eingezeichnet, der eine Betriebsweise
ohne Abgasrückführung (Abgasrückführventil
geschlossen) kennzeichnet. Wird im Betriebspunkt 0 das
Abgasrückführventil
geöffnet bei
unveränderter
Position der variablen Turbinengeometrie, so bewegt sich der aktuelle
Betriebszustand des Verdichters auf einer Linie a beim Betriebspunkt 0 beginnend
in Richtung des Pfeiles der Linie a zur Pumpgrenze p. Hierbei wird
eine strichpunktierte Linie ra überquert,
welche etwa parallel zur Pumpgrenze p verläuft und diejenige Grenze kennzeichnet,
bei der bei abnehmenden Massenstrom und/oder zunehmenden Totaldruckverhältnis ein
rotierendes Abreißen
der Strömung
durch den Verdichter beginnt. Mit zunehmender Abgasrückführung wird
eine weitere Linie c überquert,
welche einen Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze p kennzeichnet. Die
Betriebslinie im Verdichterkennfeld wird zweckmäßig in der Weise geregelt,
dass die Sicherheitsabstandslinie c nicht überschritten wird, indem eine
weitere Öffnung
des Abgasrückführventils
begrenzt wird.
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Anstelle
oder zusätzlich
zur Regelung über das
Abgasrückführventil
kann auch eine Regelung über
die Einstellung der variablen Turbinengeometrie angezeigt sein,
beispielsweise, um unter Berücksichtigung
beider Einstellmöglichkeiten
ein optimales Abgasverhalten herzustellen, ohne in den Pumpbereich des
Verdichters zu geraten. Daneben ist es auch möglich, maximale Motormomente
zu realisieren oder im Motorbremsbetrieb hohe Bremsleistungen zu erzielen,
jeweils ohne Pumpgefahr. Gleiches gilt für schnelle Lastrücknahmen.
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Die
Sicherheitsabstandslinie c wird zweckmäßig in keinem Fall in Richtung
Pumpgrenze p überschritten.
Andererseits kann es gegebenenfalls aber zweckmäßig sein, unterschiedliche
Regelstrategien zu verwirklichen, beispielsweise ausgehend von dem Betriebspunkt 0 bei
nahezu gleich bleibendem Massenstrom entlang der Linie b nach oben
zu verfahren. Es kann sowohl mit geschlossenem Abgasrückführventil
ausschließlich
durch Einstellung der variablen Turbinengeometrie oder ausschließlich über die
Einstellung des Abgasrückführventil
oder über
beide Komponenten geregelt werden.
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3 zeigt
ein Schaubild mit dem Verlauf der Schwankungsbreite Δb einer Zustandsgröße bzw.
eines Zustandssignals, welches das Verhalten des Verdichters kennzeichnet
und über
das die aktuelle Position innerhalb des Verdichterkennfeldes gemäß 2 bestimmbar
ist, in Abhängigkeit
des Pumpgrenzenabstandes x, welcher den Abstand der aktuellen Position
im laufenden Betrieb des Verdichters innerhalb des Verdichterkennfeldes
gemäß 2 zur
Pumpgrenze p bezeichnet. Als zu betrachtende Zustandsgröße zur Bestimmung
der aktuellen Position innerhalb des Verdichterkennfeldes kann der
Druck und/oder die Temperatur im Ansaugtrakt, insbesondere stromauf
des Verdichters, herangezogen werden; auch kann der Druck bzw. die
Temperatur stromab des Verdichters berücksichtigt werden. Alternativ
oder ergänzend
hierzu ist es auch möglich, den
Druck und/oder die Temperatur im Abgasstrang heranzuziehen. In einer
weiteren bevorzugten Ausführung
wird als Zustandsgröße der Massenstrom oder
der Volumenstrom, welcher durch den Verdichter fließt, ermittelt.
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Die
Schwankungsbreite Δb
bezeichnet die Differenz zwischen Minimum und Maximum im Signalwert
innerhalb einer Signalwert-Periode.
Mit kleiner werdendem Abstand x zur Pumpgrenze steigt die Schwankungsbreite Δb an; über Referenzmessungen
kann der in 3 dargestellte Verlauf der Schwankungsbreite Δb einer Zustandsgröße in Abhängigkeit
des Pumpgrenzenabstandes x für
verschiedene Drehzahlen für
ein spezifisches Verdichtermodell bestimmt werden und in einer Recheneinheit,
welche dem Verdichter zugeordnet ist, abgespeichert werden. Der
abgespeicherte Ver lauf der Schwankungsbreite Δb in Abhängigkeit des Pumpgrenzenabstandes
x dient als Referenz- bzw. Sollwert für die Bestimmung der aktuellen
Position innerhalb des Verdichterkennfeldes. Hierbei wird die zu betrachtende
Zustandsgröße gemessen
und durch einen Vergleich mit dem Referenzwert der aktuelle Pumpgrenzenabstand
x bestimmt. Bei der Bestimmung der Schwankungsbreite Δb kann auf
die Ermittlung des Mittelwertes der betrachteten Zustandsgröße verzichtet
werden, da die Schwankungsbreite Δb ein
hinreichend genaues Maß für die Bestimmung der
Position innerhalb des Verdichterkennfeldes bietet. Da die Zustandsgröße um ihren
Mittelwert schwingt, muss lediglich eine Schwingungsperiode für die Messung
durchschritten werden, um die Schwankungsbreite Δb der Schwingungsperiode bestimmen
zu können.
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Die
Schwankungsbreite Δb
in Abhängigkeit des
Pumpgrenzenabstandes x weist einen charakteristischen Verlauf auf
mit einem hohen Gradienten in dem Bereich, in welchem das rotierende
Abreißen der
Strömung
durch den Verdichter beginnt. Die beiden für unterschiedliche Drehzahlen
n1 und n2 des Verdichters
dargestellte Verläufe
der Schwankungsbreite Δb
weisen ihren größten Gradienten
in unterschiedlichem Pumpgrenzenabstand x auf, wobei die Kurve für die höhere Drehzahl
n2 ihren höchsten Gradienten ran1, welcher bei kleiner werdendem Pumpgrenzenabstand
x den Beginn des Abreißens
der Strömung
markiert, in einem geringerem Abstand zur Pumpgrenze hat als die
zweite Kurve für
die niedrigere Drehzahl n1. Die Strömung durch
den Verdichter beginnt abzureißen,
sobald die mit ran1 und ran2 gekennzeichneten
Abreißgrenzen
mit hohem Gradienten in Richtung kleiner werdender Pumpgrenzenabstände durchlaufen
werden.
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Im
Nahbereich zur Pumpgrenze kann eine Mindestabstands-Linie ma vorgegeben
werden, die mit Abstand Δxmin parallel zur Pumpgrenze verläuft. Die
Mindestabstands-Linie ma kennzeichnet denjenigen Abstand zur Pumpgrenze,
der im Verdichterkennfeld nicht unter schritten werden darf und dementsprechend
bei der Regelung des Verdichters bzw. der weiteren der Brennkraftmaschine
zugeordneten Aggregate berücksichtigt
werden muss.
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Die
Schwankungsbreite Δb
kann auch als Rauhigkeit der Zustandsgröße bzw. des Zustandssignals
bezeichnet werden.