DE10054843A1 - Verfahren zur Begrenzung des Ladedrucks - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung des Ladedrucks einer mittels Abgasturboladers (5) aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei eine Reglereinheit (10) einen Ist-/Sollwert-Vergleich einer Regelgröße mit einem vorgegebenen Grenzwert durchführt und Stellsignale (19) für einen Stellantrieb (17) eines auf die Regelgröße wirkenden Stellgliedes (18) erzeugt bzw. begrenzt. Der Sollwert wird einem Kennfeldspeicher (11) in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) entnommen. DOLLAR A Um einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit größtmöglichem Ladedruck und entsprechender Leistungsabgabe zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zum Auslesen des Grenzwertes aus dem Kennfeldspeicher (11) Meßwerte der Temperatur (T¶1¶, T¶2¶) und des Druckes (P¶1¶, P¶2¶) jeweils in Durchströmungsrichtung vor und nach einem Verdichter (7) des Abgasturboladers (5) heranzuziehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung des La­ dedrucks einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brenn­ kraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Gattung.

Ein Abgasturbolader besteht bekanntlich im wesentlichen aus einer vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine getriebenen Turbine und einem von der Turbine angetriebenen Verdichter, welcher abhängig von der Laderdrehzahl Frischluft für die Brennkraftmaschine vorverdichtet. Der Staudruck des Abgas­ stromes vor der Turbine wird von dem Turbolader entspre­ chend dem Druckübersetzungsverhältnis zwischen Turbine und Verdichter in Ladedruck übersetzt. Ein höherer Ladedruck führt zu einem größeren Luftdurchsatz der Brennkraftma­ schine, wodurch deren Leistungsabgabe ansteigt. Der Lade­ druck ist jedoch nicht beliebig zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine erhöhbar. Der zulässige Betriebsbereich des Laderverdichters ist begrenzt durch die Pumpgrenze und die maximal zulässige Drehzahl des Abgasturboladers.

Aus der DE 198 08 832 C2 ist ein Verfahren zur Regelung des Ladedruckes bekannt, bei dem eine Reglereinheit einen Ist- /Sollwert-Vergleich des Ladedruckes mit einem vorgegebenen Sollwert durchführt und den Istwert des Ladedruckes durch entsprechende Ansteuerung einer variabel einstellbaren Tur­ binengeometrie der Laderturbine angleicht. Der Sollwert für den Ladedruck wird bei dem bekannten Verfahren einem Kenn­ feldspeicher in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Be­ triebszustandes der Brennkraftmaschine entnommen. Das Da­ tenfeld für den zulässigen Ladedruck wird im voraus be­ stimmt und ist in dem Kennfeldspeicher zur bedarfsweisen Entnahme durch die Reglereinheit abgelegt.

Bei dem bekannten Verfahren sind die applizierten Lade­ druck-Sollwerte mit einem größeren Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze des Verdichters bzw. Drehzahlgrenze des Abgas­ turboladers bestimmt, um ein Überschreiten der Grenzen zu verhindern. Eine ungewünschte Annäherung an die Grenzwerte des Abgasturboladers kann sich bei einer Vielzahl von Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine ergeben, bei­ spielsweise bei verändertem Umgebungsdruck der Brennkraft­ maschine, unterschiedlichen Lufttemperaturen oder bei einer Zusetzung des Luftfilters mit Partikeln nach längerer Be­ triebszeit. Um zu verhindern, daß der Turbolader aufgrund eines verstopften Luftfilters im Ansaugtrakt der Brenn­ kraftmaschine seine Grenzwerte überschreitet und Schaden nimmt, sind bisher konstruktive Maßnahmen erforderlich gewesen. So schlägt etwa die DE 196 04 344 einen Bypass zum Luftfilter vor, der in Abhängigkeit des Ansaugdruckes stromab des Luftfilters geöffnet werden soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Begrenzung des Soll-Ladedrucks der gattungs­ gemäßen Art zu schaffen, mit dem die Brennkraftmaschine mit größtmöglichem Ladedruck betrieben werden kann und dabei ein Überschreiten der Ladergrenzen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß werden zum Auslesen des Grenzwertes der Re­ gelgröße aus dem Kennfeldspeicher Meßwerte der Temperatur und des Druckes jeweils in Durchströmungsrichtung vor und nach dem Verdichter des Abgasturboladers herangezogen. Es hat sich dabei herausgestellt, daß diese Temperatur- und Druckwerte maßgeblich für die Annäherung an die Pump- und Drehzahlgrenze des eingesetzten Abgasturboladers sind. Durch die konsequente Erfassung dieser physikalisch rele­ vanten Größe kann der maximal mögliche Wert der Regelgröße mit geringerem Sicherheitsabstand als bisher vorgegeben werden.

Vorteilhaft werden die Meßwerte der Temperatur und die Meß­ werte des Druckes jeweils in Relation zueinander gesetzt und der Grenzwert der Regelgröße anhand der so gebildeten Verhältnisgrößen aus dem Kennfeldspeicher bestimmt. Zweck­ mäßig sind dabei die Verhältnisgrößen aus dem Quotienten der jeweiligen Meßwerte gebildet. Auf diese Weise kann bei einem Betrieb des Motors mit maximalem Ladedruck nahe der Laderdrehzahl oder Pumpgrenze des Abgasturboladers sicher­ gestellt werden, daß der Einfluß von unterschiedlichen Lufttemperaturen, einer möglichen Partikelbeladung des Luftfilters und anderen Größen mit Einfluß auf das Be­ triebsverhalten und den Abstand zu den Ladergrenzen erfaßt und berücksichtigt wird.

Vorteilhaft werden der Druck und die Temperatur der Ansaug­ luft in einer Luftleitung zum Verdichter gemessen. Die Mes­ sung erfolgt dabei in Durchströmungsrichtung nach einem in der Reinluftleitung angeordneten Luftfilter. Bei Messung am größten Querschnitt dar Luftleitung ist der dynamische An­ teil des Druckmeßwertes vernachlässigbar klein. Der Druck­ verlust zwischen der Meßstelle und dem Eingang des Verdich­ ters hat kaum Einfluß auf die Bestimmung des maximal mögli­ chen Ladedruckes und hebt sich als näherungsweise Funktion des Volumenstroms bei der Bestimmung der maximalen Lade­ druckwerte selbst auf.

Zum Auslesen des Grenzwertes der Regelgröße aus dem Kenn­ feldspeicher wird ein Adreßwert ermittelt, der zweckmäßig aus den Verhältnisgrößen der Druck- und Temperaturmeßwerte und eines liefergradbewerteten Meßwertes der Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Beim Auslesen des Kenn­ feldspeichers anhand des Adreßwertes wird vorteilhaft der Meßwert des Druckes vor dem Verdichter, also der Ansaug­ druck nach dem Luftfilter berücksichtigt. Die Regelgröße bildet in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens der Ladedruck, wobei der maximal zulässige Ladedruck bei der erfindungsgemäßen Begrenzung als Funktion des gemessenen Druckwertes vor dem Verdichter und dem Adreßwert dargestellt wird. Der Adreßwert ist dabei dreh­ zahlabhängig und wird selbsttätig mit dem jeweils vorlie­ genden Volumenstrom der Ladeluft für die Brennkraftmaschine bewertet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Schaltbild zur Bestimmung des maximal zulässi­ gen Ladedrucks.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die von einem Ab­ gasturbolader 5 aufgeladen wird. Eine Turbine 6 des Abgas­ turboladers 5 ist im Auslaßtrakt 4 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet und wird vom gesammelten Abgas 13 aller Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 angetrieben. Die Turbine 6 treibt über eine starre Verbindung mittels einer Laderwelle 8 einen Verdichter 7 rotierend an, welcher im Einlaßtrakt 3 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. Der Verdichter 7 saugt über eine Einlaßleitung 14 Frischluft an und fördert verdichtete Ladeluft zu den Zylindern 2 der Brennkraftma­ schine 1. Im Einlaßtrakt 3 ist zwischen dem Verdichter 7 und den Zylindern 2 ein Ladeluftkühler 9 angeordnet.

Der Ladedruck wird von einer Reglereinheit 10 geregelt, welche einen Ist-/Sollwert-Vergleich des vorliegenden Lade­ druckes mit einem vorgegebenen Sollwert durchführt. Der Istwert des Ladedruckes wird von einem Meßfühler 15 im Ein­ laßtrakt 13 der Brennkraftmaschine 1 gemessen. Die Regler­ einheit 10 steuert ein auf den Ladedruck wirkendes Stell­ glied an, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine variabel einstellbare Turbinengeometrie 18 der Turbine 6 des Abgasturboladers 5 ist. Alternativ hierzu ist die Rea­ lisierung der Erfindung auch mit einer Waste-gate-geregel­ ten Turbine möglich. Abhängig von dem Ergebnis des Ist-/Sollwert- Vergleichs des Ladedruckes erzeugt die Reglerein­ heit 10 Steuersignale 19 für einen Stellantrieb 17 der va­ riabel einstellbaren Turbinengeometrie 18 zum Angleich des Ladedruckes an den vorgegebenen Sollwert. Dabei wird der Ladedruck-Sollwert durch den maximal zulässigen Ladedruck begrenzt, bei dem die Pumpgrenze und die Drehzahlgrenze des Abgasturboladers 5 noch nicht erreicht wird. Der Ladedruck­ grenzwert wird einem Kennfeldspeicher 11 entnommen, in dem Datenfelder mit optimalen Werten abgespeichert werden, die im voraus in Prüfstandsversuchen ermittelt wurden.

Zum Auslesen des Grenzwertes aus dem Kennfeldspeicher 11 zieht die Reglereinheit 10 erfindungsgemäß neben der Dreh­ zahl n der Brennkraftmaschine 1 Meßwerte der Temperatur T₁, T₂ und des Druckes P₁, P₂ jeweils in Durchströmungs­ richtung vor und nach dem Verdichter 7 heran. Zur Bestim­ mung des Druckes P₂ und der Temperatur T₂ der Ladeluft ist in dem Einlaßtrakt 3 der Brennkraftmaschine 1 ein Meßfühler 25 in Durchströmungsrichtung hinter dem Ladeluftkühler 9 angeordnet, der signalübertragend mit der Reglereinheit 10 verbunden ist. Ein weiterer Meßfühler 16 ist in der Einlaß­ leitung 14 zum Verdichter 7 angeordnet, welcher den Druck P₁ und die Temperatur T₁ der angesaugten Frischluft 12 mißt und der Reglereinheit 10 eingibt.

Die Auswertung der Eingabegrößen der Reglereinheit 10 zur Begrenzung des einzuregelnden Sollwertes des Ladedruckes wird nachstehend anhand der Fig. 2 erläutert. In dem Kenn­ feldspeicher ist ein Datenfeld abgelegt, in dem der auszu­ lesende Sollwert des maximalen Ladedruckes P_2max in Bezie­ hung mit einem Adreßwert A und des Druckes vor dem Verdich­ ter in Beziehung gesetzt ist. Zur Bestimmung des Wertes verfügt die Reglereinheit über ein druckbezogenes Kennfeld 20, ein temperaturbezogenes Kennfeld 21 und eine Drehzahl­ kennlinie 2, deren Ausgangsgrößen gemeinsam den Adreßwert A bilden. Ausgangsgrößen des Druckkennfeldes 20 und des Tem­ peraturkennfeldes 21 sind dabei Verhältnisgrößen P₂/P₁, T₁/T₂, die aus dem Quotienten der jeweiligen Meßwerte ge­ bildet sind. Aus dem Druck vor dem Verdichter und dem Lade­ druck P₂ wird aus dem Druckkennfeld 20 eine Verhältnis­ größe P₂/P₁ ausgelesen, welche mit der Verhältnisgröße T₁/T₂ verknüpft wird, das den gemessenen Temperaturwerten T₂ und T₁ entspricht. Der Einfluß der Drehzahl n auf den maximal zulässigen Ladedruck wird durch einen Kennfeldwert aus der Kennlinie 22 ausgelesen, deren Werte dem erforder­ lichen Luftaufwand der Brennkraftmaschine entspricht. Das Wertetripel des Luftaufwandes nach Drehzahlkennlinie 22, der Druckverhältnisgröße P₂/P₁ und der Temperaturverhält­ nisgröße T₁/T₂ werden mittels Verknüpfungsgliedern 23 zum Adreßwert A gefügt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Begrenzung des Ladedrucks einer mittels Abgasturbolader (5) aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), wobei eine Reglereinheit (10) einen Ist-/Sollwert- Vergleich einer Regelgröße (P₂) mit einem vorgegebenen Grenzwert (P_2max) durchführt und Stellsignale (19) für einen Stellantrieb (17) eines auf die Regelgröße (P₂) wirkenden Stellgliedes (18) erzeugt bzw. begrenzt, wobei der Grenzwert (P_2max) einem Kennfeldspeicher (11) in Abhängigkeit des je­ weils vorliegenden Betriebszustandes der Brennkraftma­ schine (1) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslesen des Grenzwer­ tes (P_2max) aus dem Kennfeldspeicher (11) Meßwerte der Temperatur (T₁, T₂) und des Druckes (P₁, P₂) je­ weils in Durchströmungsrichtung vor und nach einem Verdichter (7) des Abgasturboladers (5) herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte (T₁, T₂) der Temperatur und die Meßwerte (P₁, P₂) des Druckes je­ weils in Relation zueinander gesetzt und der Grenzwert (P_2max) der Regelgröße anhand der so gebildeten Ver­ hältnisgrößen (P₂/P₁, T₁/T₂) aus dem Kennfeldspeicher bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisgrößen (P₂/P₁, T₁/T₂) aus den Quotienten der jeweiligen Meß­ werte (P₁, P₂, T₁, T₂) gebildet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (P₁) und die Temperatur (T₁) der Ansaugluft (22) in einer Luftlei­ tung (14) zum Verdichter (7) werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adreßwert (A) zum Aus­ lesen des Grenzwertes (P_2max) der Regelgröße aus dem Kennfeldspeicher (11) aus den Verhältnisgrößen (P₂/P₁, T₁/T₂) der Druckmeßwerte (P₁, P₂) und der Temperaturmeßwerte (T₁, T₂) und eines Meßwertes (n) der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennfeldspeicher (11) auf Grundlage des Adreßwertes (A) und des Meßwertes (P₁) vor dem Verdichter (7) ausgelesen wird.