DE10054843B4

DE10054843B4 - Verfahren zur Begrenzung des Ladedrucks

Info

Publication number: DE10054843B4
Application number: DE10054843A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Haupt; Lothar Dipl.-Ing. Schmid
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-11-04
Filing date: 2000-11-04
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2020-11-05
Also published as: US6584772B2; ITRM20010650A1; DE10054843A1; US20020088226A1; FR2816362B1; FR2816362A1; ITRM20010650A0

Abstract

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, wobei der Grenzwert (P_2max) einem Kennfeldspeicher (11) in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auslesen des Grenzwertes (P_2max) aus dem Kennfeldspeicher (11) Messwerte der Temperatur (T₁, T₂) und des Druckes (P₁, P₂) jeweils in Durchströmungsrichtung vor und nach einem Verdichter (7) des Abgasturboladers (5) herangezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung des Ladedrucks einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen 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 Abgasstromes vor der Turbine wird von dem Turbolader entsprechend dem Druckübersetzungsverhältnis zwischen Turbine und Verdichter in Ladedruck übersetzt. Ein höherer Ladedruck führt zu einem größeren Luftdurchsatz der Brennkraftmaschine, wodurch deren Leistungsabgabe ansteigt. Der Ladedruck 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 Kennfeldspeicher in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Betriebszustandes der Brennkraftmaschine entnommen. Das Datenfeld für den zulässigen Ladedruck wird im voraus bestimmt und ist in dem Kennfeldspeicher zur bedarfsweisen Entnahme durch die Reglereinheit abgelegt.

Bei dem bekannten Verfahren sind die applizierten Ladedruck-Sollwerte mit einem größeren Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze des Verdichters bzw. Drehzahlgrenze des Abgasturboladers bestimmt, um ein Überschreiten der Grenzen zu verhindern. Eine ungewünschte Annäherung an die Grenzwerte des Abgasturboladers kann sich bei einer Vielzahl von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ergeben, beispielsweise bei verändertem Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine, unterschiedlichen Lufttemperaturen oder bei einer Zusetzung des Luftfilters mit Partikeln nach längerer Betriebszeit. Um zu verhindern, dass der Turbolader aufgrund eines verstopften Luftfilters im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine seine Grenzwerte überschreitet und Schaden nimmt, sind bisher konstruktive Maßnahmen erforderlich gewesen. So schlägt etwa die DE 196 04 344 A1 einen Bypass zum Luftfilter vor, der in Abhängigkeit des Ansaugdruckes stromab des Luftfilters geöffnet werden soll.

Aus der Offenlegungsschrift DE 37 39 244 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Ladedruckes eines Abgasturboladers bekannt, wobei das Verfahren in eine geschlossenschleifige Regelung und eine offenschleifige Regelung gegliedert ist. Die geschlossenschleifige Regelung dient zur Regelung des Ladedrucks im stationären Betriebsbereich des Abgasturboladers, wobei eine Regelung entsprechend einer Rückkopplungsregelung vorgesehen ist. Die offenschleifige Regelung ist zur Regelung des Ladedruckes im instationären Betrieb des Abgasturboladers vorgesehen, wobei hier die Regelung mit Hilfe einer Tabellensteuerung durchgeführt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Begrenzung des Ladedrucks der gattungsgemäßen 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 Regelgröße 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 relevanten Größe kann der maximal mögliche Wert der Regelgröße mit geringerem Sicherheitsabstand als bisher vorgegeben werden.

Vorteilhaft werden die Messwerte der Temperatur und die Messwerte des Druckes jeweils in Relation zueinander gesetzt und der Grenzwert der Regelgröße anhand der so gebildeten Verhältnisgrößen aus dem Kennfeldspeicher bestimmt. Zweckmäßig 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 maximalen Laderdrehzahl oder Pumpgrenze des Abgasturboladers sichergestellt werden, dass der Einfluss von unterschiedlichen Lufttemperaturen, einer möglichen Partikelbeladung des Luftfilters und anderen Größen mit Einfluss auf das Betriebsverhalten und den Abstand zu den Ladergrenzen erfasst und berücksichtigt wird.

Vorteilhaft werden der Druck und die Temperatur der Ansaugluft in einer Luftleitung zum Verdichter gemessen. Die Messung erfolgt dabei in Durchströmungsrichtung nach einem in der Reinluftleitung angeordneten Luftfilter. Bei Messung am größten Querschnitt der Luftleitung ist der dynamische Anteil des Druckmesswertes vernachlässigbar klein. Der Druckverlust zwischen der Messtelle und dem Eingang des Verdich ters hat kaum Einfluß auf die Bestimmung des maximal möglichen Ladedruckes und hebt sich als näherungsweise Funktion des Volumenstroms bei der Bestimmung der maximalen Ladedruckwerte selbst auf.

Zum Auslesen des Grenzwertes der Regelgröße aus dem Kennfeldspeicher 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 Kennfeldspeichers anhand des Adreßwertes wird vorteilhaft der Meßwert des Druckes vor dem Verdichter, also der Ansaugdruck nach dem Luftfilter berücksichtigt. Die Regelgröße bildet in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen 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 drehzahlabhängig und wird selbsttätig mit dem jeweils vorliegenden Volumenstrom der Ladeluft für die Brennkraftmaschine bewertet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine,
2 ein Schaltbild zur Bestimmung des maximal zulässigen Ladedrucks.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die von einem Abgasturbolader 5 aufgeladen wird. Eine Turbine 6 des Abgasturboladers 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 Brennkraftmaschine 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 Ladedruckes mit einem vorgegebenen Sollwert durchführt. Der Istwert des Ladedruckes wird von einem Meßfühler 15 im Einlaßtrakt 13 der Brennkraftmaschine 1 gemessen. Die Reglereinheit 10 steuert ein auf den Ladedruck wirkendes Stellglied an, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine variabel einstellbare Turbinengeometrie 18 der Turbine 6 des Abgasturboladers 5 ist. Alternativ hierzu ist die Realisierung der Erfindung auch mit einer Waste gate geregelten Turbine möglich. Abhängig von dem Ergebnis des Ist-/Sollwert-Vergleichs des Ladedruckes erzeugt die Reglereinheit 10 Steuersignale 19 für einen Stellantrieb 17 der variabel 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 Ladedruckgrenzwert 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 Durchströmungsrichtung vor und nach dem Verdichter 7 heran. Zur Bestimmung des Druckes P₂ und der Temperatur T₂ der Ladeluft ist in dem Einlasstrakt 3 der Brennkraftmaschine 1 ein Messfühler 15 in Durchströmungsrichtung hinter dem Ladeluftkühler 9 angeordnet, der signalübertragend mit der Reglereinheit 10 verbunden ist. Ein weiterer Messfühler 16 ist in der Einlassleitung 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 2 erläutert. In dem Kennfeldspeicher ist ein Datenfeld abgelegt, in dem der auszulesende Sollwert des maximalen Ladedruckes P_2max in Beziehung mit einem Adresswert A und des Druckes vor dem Verdichter in Beziehung gesetzt ist. Zur Bestimmung des Wertes verfügt die Reglereinheit über ein druckbezogenes Kennfeld 20, ein temperaturbezogenes Kennfeld 21 und eine Drehzahlkennlinie 22, deren Ausgangsgrößen gemeinsam den Adresswert A bilden. Ausgangsgrößen des Druckkennfeldes 20 und des Temperaturkennfeldes 21 sind dabei Verhältnisgrößen P₂/P₁, T₁/T₂, die aus dem Quotienten der jeweiligen Messwerte gebildet sind. Aus dem Druck vor dem Verdichter und dem Ladedruck P₂ wird aus dem Druckkennfeld 20 eine Verhältnisgröße 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 erforderlichen Luftaufwand der Brennkraftmaschine entsprechen. Das Wertetripel des Luftaufwandes nach Drehzahlkennlinie 22, der Druckverhältnisgröße P₂/P₁ und der Temperaturverhältnisgröße T₁/T₂ werden mittels Verknüpfungsgliedern 23 zum Adreßwert A gefügt.

Claims

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, wobei der Grenzwert (P_2max) einem Kennfeldspeicher (11) in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auslesen des Grenzwertes (P_2max) aus dem Kennfeldspeicher (11) Messwerte der Temperatur (T₁, T₂) und des Druckes (P₁, P₂) jeweils in Durchströmungsrichtung vor und nach einem Verdichter (7) des Abgasturboladers (5) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (T₁, T₂) der Temperatur und die Messwerte (P₁, P₂) des Druckes jeweils in Relation zueinander gesetzt werden und die Verhältnisgrößen (P₂/P₁, T₁/T₂) aus den Quotienten der jeweiligen Messwerte (P₁, P₂, T₁, T₂) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (P_2max) der Regelgröße anhand der Verhältnisgrößen (P₂/P₁, T₁/T₂) aus dem Kennfeldspeicher bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P₁) und die Temperatur (T₁) der Ansaugluft (12) in einer Luftleitung (14) stromauf des Verdichters (7) gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adreßwert (A) zum Auslesen 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.
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.