DE10010978A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Die im Abgaskanal (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordnete Turbine (4) des Abgasturboladers weist eine veränderbare Geometrie auf. Die Regelung des Ladedrucks (pld) wird über eine Verstellung der Turbinengeometrie durchgeführt. Eine sehr schnelle Reaktion der Ladedruckregelung auf einen Lastwechsel, wobei eine den Turbolader schädigende Überschreitung des Sollwertes vermieden wird, wird dadurch erreicht, daß in Abhängigkeit von dem im Abgaskanal (3) vor der Turbine herrschenden Abgasgegendruck (pag) eine Stellgröße (vtg) für die Turbinengeometrie ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen im Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine eine veränderbare Geometrie aufweist, wobei die Regelung des Ladedrucks über eine Verstellung der Turbinengeometrie erfolgt.
Wie z. B. aus der DE 41 07 693 A1 oder der EP 04 54 943 A1 hervorgeht, erfolgt üblicherweise die Ladedruckregelung dadurch, daß ein Regler in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen einem Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck eine Stellgröße bildet. Diese Stellgröße wird entweder dazu verwendet (s. DE 41 07 693 A1), ein Ventil in einem die Turbine des Laders im Abgaskanal überbrückenden Bypass oder die verstellbaren Turbinenleitschaufeln einer Turbine mit variabler Geometrie zu steuern (s. EP 04 54 943 A1).
An Motoren werden zunehmend höhere Anforderungen bzgl. der Abgas- und Verbrauchskennwerte gestellt. Ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie erlaubt durch Verstellen der Turbinenleitschaufeln eine Anpassung an den aktuellen Motorbetriebspunkt. Mit dieser Technik kann ein verzögertes Ansprechen des Abgasturboladers (Turboloch) verringert und gleichzeitig der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden. Bei Beschleunigungsvorgängen treten oft starke Überschwinger des Ladedrucks auf, die den Turbolader mechanisch sehr stark belasten. Darüberhinaus kann ein zu starkes Schließen der variablen Turbinengeometrie in der Beschleunigungsphase zu einem unerwünscht hohen Abgasgegendruck führen, wodurch Dynamik und Wirkungsgrad des Motors negativ beeinflußt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung der eingangs genannten Art anzugeben, welche gewährleisten, daß der Ladedruck bei einem Lastwechsel dem Verlauf des gewünschten Ladedrucksollwertes möglichst schnell folgt, wobei eine Überschreitung des Ladedrucksollwertes vermieden wird, um den Abgasturbolader vor unnötig hohen Belastungen zu schützen.
Vorteile der Erfindung
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 dadurch gelöst, daß in Abhängigkeit von dem im Abgaskanal vor der Turbine herrschenden Abgasgegendruck eine Stellgröße für die Turbinengeometrie ermittelt wird. Der Abgasgegendruck reagiert erheblich schneller als der Ladedruck auf ein verändertes Verhalten der Regelstrecke - z. B. Drehzahländerung, Lastwechsel, Änderung einer Abgasrückführung - oder auf Störungen z. B. im Stellsystem. Wird nun erfindungsgemäß der Abgasgegendruck zur Herleitung einer Stellgröße verwendet, so erreicht man dadurch eine sehr schnelle Reaktion der Ladedruckregelung auf eine Veränderung des vorgegebenen Soll-Ladedrucks.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht aus den Unteransprüchen hervor. Danach wird aus der Abweichung zwischen einem Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck von einem ersten Regler ein Soll-Abgasgegendruck ermittelt, und aus der Abweichung zwischen dem Soll-Abgasgegendruck und einem gemessenen oder geschätzten Ist-Abgasgegendruck wird von einem zweiten Regler die Stellgröße für die Turbinengeometrie hergeleitet.
Zeichnung
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und
Fig. 2 ein Funktionsdiagramm für die Regelung des Ladedrucks.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
In der Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaugkanal 2 und einem Abgaskanal 3 dargestellt. Im Abgaskanal 3 ist die Turbine 4 und im Ansaugkanal 2 der Verdichter 5 eines Abgasturboladers angeordnet. Desweiteren kann die Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführkanal 6 ausgestattet sein, der den Abgaskanal 3 mit dem Saugrohr 2 verbindet. Im Abgasrückführkanal 6 befindet sich ein steuerbares Ventil 7. Im Saugrohr 2 sind ein Drucksensor 8 zur Messung des Ladedrucks pld und ein Luftmassensensor 9 zur Messung der angesaugten Luftmasse im angeordnet. Außerdem befindet sich im Saugrohr eine Drosselklappe 10. Ein Sensor 11 erfaßt die Drehzahl mmot der Brennkraftmaschine, und ein Drucksensor 12 im Abgaskanal 3 mißt den Abgasgegendruck pag vor der Turbine 4. Es ist ein Steller 13 vorhanden, der auf die Turbinengeometrie einwirkt, d. h. eine Verstellung der Turbinenleitschaufeln vornimmt. Dieser Steller 13 erhält eine Stellgröße vtg aus einem Steuergerät 14. Zur Herleitung der Stellgröße vtg für die Turbinengeometrie und einer Stellgröße arf für das Abgasrückführventil verwendet das Steuergerät 14 als Eingangsgrößen die Motordrehzahl nmot, die Drosselklappenstellung dk, die angesaugte Luftmasse lm, den Ladedruck pld und den Abgasgegendruck pag.
Wie das Steuergerät 14 aus den genannten Eingangsgrößen die Stellgröße vtg für die Turbinengeometrie herleitet, wird anhand des Funktionsdiagramms in Fig. 2 näher beschrieben. Ein Prozessor PZ ermittelt aus der Motordrehzahl nmot, der Drosselklappenstellung dk, welche den Fahrerwunsch wiedergibt, und noch eventuell anderen hier nicht erwähnten Betriebsgrößen des Motors einen Soll-Ladedruck plds. Auf die Herleitung des Soll-Ladedrucks plds wird hier nicht näher eingegangen, weil sie zum Stand der Technik gehört. In einem ersten Verknüpfungspunkt V1 wird die Abweichung Δpld zwischen dem Soll-Ladedruck plds und einem Ist-Ladedruck pld ermittelt. Der Abweichungwert Δpld für den Ladedruck wird einem ersten Regler R1 (z. B. PI oder PID-Regler) zugeführt. Die Ausgangsgröße des ersten Reglers R1 entspricht einem Sollwert pags des Abgasgegendrucks im Abgaskanal 3. In einem zweiten Verknüpfungspunkt V2 wird die Abweichung Δpag zwischen dem Soll-Abgasgegendruck pags und dem Ist- Abgasgegendruck pag bestimmt. Der Abweichungswert Δpag für den Abgasgegendruck wird einem zweiten Regler R2 zugeführt, der schließlich die Stellgröße vtg für die veränderbare Turbinengeometrie bildet.
Der Ist-Ladedruck pld kann entweder mittels des Drucksensors 8 im Saugrohr 2 gemessen werden, oder es kann ein Schätzwert für den Ist-Ladedruck vom Prozessor PZ aus verschiedenen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine hergeleitet werden. Die strichpunktierte Linie in der Fig. 2 deutet an, daß der Ist-Ladedruck pld ein vom Prozessor PZ ermittelter Schätzwert ist. Der Ist-Abgasgegendruck pag kann ein Meßwert des Drucksensors 12 im Abgaskanal 3 sein. Für den Ist- Abgasgegendruck pag kann aber auch ein vom Prozessor PZ aus Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine hergeleiteter Schätzwert sein. Die vom Prozessor PZ zum zweiten Verzweigungspunkt V2 führende strichpunktierte Linie deutet an, daß der Ist-Abgasgegendruck pag ein vom Prozessor PZ berechneter Schätzwert ist. Auf die Berechnung der Schätzwerte für den Ist-Solladedruck pld und den Ist- Abgasgegendruck pag wird hier nicht näher eingegangen, weil hier aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren verwendet werden können.
Durch Schließen der Turbinengeometrie steigt der Abgasgegendruck pag im Abgaskanal 3 vor der Turbine 4 an und damit auch die in die Turbine 4 eingekoppelte Energie. Dadurch steigt die Laderdrehzahl und gleichzeitig auch der Ladedruck pld im Saugrohr 2. Falls eine Abgasrückführung, wie in der Fig. 1 dargestellt, vorhanden ist, kann über den Abgasrückführkanal 6 durch Öffnen des Ventils 7 Abgas in das Saugrohr gelangen, wenn der Abgasgegendruck pag größer ist als der Ladedruck pld. Wird das Abgasrückführventil 7 geöffnet, so sinkt der Abgasgegendruck pag und dadurch ebenfalls der Ladedruck pld im Saugrohr 2.
Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, daß der Abgasgegendruck pag wesentlich schneller auf eine Verstellung der Turbinengeometrie reagiert als der Ladedruck pld. Der Ladedruck pld spricht erst um die Zeitkonstante des Abgasturboladers verzögert an. Daher wird die Dynamik eines Reglers für den Ladedruck wesentlich durch das Trägheitsmoment des Abgasturboladers begrenzt. Die dabei auftretende Zeitkonstante ist jedoch wesentlich größer als die Zeitkonstante einiger Störungen, die durch das zeitvariante Verhalten der Regelstrecke, durch Öffnen und Schließen des Abgasrückführventils 7 oder durch Fehler im Leitapparat der Turbine 4 auf das System wirken. Störungen des Leitapparats der Turbine, Veränderungen des Ventilhubs, des Abgasrückführventils 7 oder Veränderungen des Arbeitspunktes der Brennkraftmaschine wirken sich sehr direkt auf den Abgasgegendruck pag aus und können daher in dem unterlagerten Regelkreis mit dem Regler R2 sehr schnell ausgeglichen werden. Der überlagerte Regelkreis mit dem Regler R1 muß langsamer ausgelegt werden als der unterlagerte Regelkreis mit dem Regler R2. Da der Ladedruck pld aber ohnehin träger ist als der Abgasgegendruck pag, wird diese Bedingung automatisch erfüllt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen im Abgaskanal (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordnete Turbine (4) eine veränderbare Geometrie aufweist, wobei die Regelung des Ladedrucks über eine Verstellung der Turbinengeometrie erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem im Abgaskanal (3) vor der Turbine (4) herrschenden Abgasgegendruck (pag) eine Stellgröße (vtg) für die Turbinengeometrie ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Abweichung (Δpld) zwischen einem Soll-Ladedruck (plds) und einem Ist-Ladedruck (pld) von einem ersten Regler (R1) ein Soll-Abgasgegendruck (pags) ermittelt wird und daß aus der Abweichung (Δpag) zwischen dem Soll-Abgasgegendruck (pags) und einem gemessenen oder geschätzten Ist-Abgasgegendruck (pag) von einem zweiten Regler (R2) die Stellgröße (vdg) für die Turbinengeometrie hergeleitet wird.
3. Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen im Abgaskanal (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordnete Turbine (4) eine veränderbare Geometrie aufweist, wobei die Regelung des Ladedrucks über eine Verstellung der Turbinengeometrie erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (R2) in Abhängigkeit von dem im Abgaskanal (3) vor der Turbine (4) herrschenden Abgasgegendruck (pag) eine Stellgröße (vtg) für die Turbinengeometrie bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Regler (R1) aus der Abweichung (Δpld) zwischen einem Soll-Ladedruck (plds) und einem Ist- Ladedruck (pld) einen Soll-Abgasgegendruck (pags) ermittelt und daß ein zweiter Regler (R2) aus der Abweichung (Δpag) zwischen dem Soll-Abgasgegendruck (pags) und einem gemessenen oder geschätzten Ist- Abgasgegendruck (pag) die Stellgröße (vtg) für die Turbinengeometrie herleitet.
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