DE10160934A1 - Regelung der Pumpgrenze von Abgasturboladern - Google Patents

Regelung der Pumpgrenze von Abgasturboladern

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader 1 für eine Brennkraftmaschine, der über ein Stellglied 2 mit einem Regelkreis 3 verbunden ist, der mindestens einen Sensor 4 für mindestens einen Betriebsparameter aufweist, wobei der Sensor 4 als Schwingungsaufnehmer für Gas und/oder Festkörper ausgebildet und im Bereich eines Turboladerkanals 1.1 angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine, der über ein Stellglied mit einem Regelkreis verbunden ist, wobei der Regelkreis mindestens einen Sensor für mindestens einen Betriebsparameter aufweist.
  • Es ist bereits eine Steuervorrichtung für Ladedruck einer Brennkraftmaschine mit Turbolader aus der DE 33 03 350 Steuerfläche (A1) bekannt, bei der der Ladedruck in Abhängigkeit der Signale wenigstens eines Klopfsensors absenkbar ist. In Abhängigkeit der Parameter Last und Drehzahl wird der Ladedruck über eine Stellvorrichtung eingestellt. Diese Einstellung erfolgt elektronisch, insbesondere über ein in einem Speicher gespeichertes Ladedruckkennfeld. Zur Absenkung des Ladedrucks bei auftretenden Klopfsignalen wird vorzugsweise das Ausgangssignal einer Klopfregelungsstufe für die Zündung der Brennkraftmaschine herangezogen, um einen einfachen Aufbau der elektronischen Vorrichtung zu erreichen. Durch die exakte elektronische Einstellung des Ladedrucks wird neben einer Optimierung der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine auch schon von vornherein ein klopfender Betrieb weitgehend vermieden.
  • Aus der EP 0 347 756 B1 ist ein Turbolader bekannt, der ein Stellglied für die Schaufelanordnung aufweist. Das Stellglied ist hierbei in einen durch die verschiedenen Motorparameter Drehzahl, Ladezustand, Klopfen, Drossel- oder Kurbelwellenstellung gesteuerten Regelkreis eingebunden und beeinflußt bzw. verändert die Winkelstellung der Schaufelanordnung des Turboladers, um Klopfen und Ladedruckschwankungen zu vermeiden.
  • Radialverdichter weisen in der Nähe der Pumpgrenze nicht den günstigsten Wirkungsgrad auf. Die Pumpgrenze stellt dabei das Ende des stabilen Betriebsbereichs dar. Mit dem Anstreben des günstigsten Wirkungsgrads des Turboladers wird zwangsläufig der kritische Betriebspunkt erreicht, der keine Variabilität der Brennkraftmaschinen-Kennlinie zuläßt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader derart auszubilden und anzuordnen, daß ein optimaler Betriebspunkt mit optimalem Abstand zur Pumpgrenze gewährleistet ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Sensor als Schwingungsaufnehmer für Gas und/oder Festkörper ausgebildet und im Bereich eines Turboladerkanals angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, daß ein kritischer Betriebspunkt vor Erreichen der Pumpgrenze des Turboladers erfaßt werden kann, d. h. bevor der Betriebspunkt des Turboladers aufgrund von Druckschwankungen, generiert durch die Verbrennungsmaschine, in den Bereich der Pumpgrenze des Turboladers verschoben wird oder diese sogar überschreitet, kann eine günstige Verschiebung des Betriebspunkts erreicht werden. Das Eintreten des kritischen Betriebspunkts bzw. Strömungszustands wird durch erkennbare Schwingungen der Luftsäule begleitet, die durch den erfindungsgemäßen Sensor erfaßt und zur Regelung verwendet werden.
  • Hierzu ist es vorteilhaft, daß der Sensor als Grenzschichtfühler ausgebildet und in einem Ansaugkanal und/oder in einem Druckkanal des Turboladers angeordnet ist, und daß mindestens ein Sensor im Ansaugkanal, im Druckkanal und/oder in einem Zwischenkanal zwischen Ansaugkanal und Druckkanal vorgesehen ist. Die Ausbildung als Grenzschichtfühler verhindert einen störenden Einfluß auf die Gasströmung innerhalb des Turboladers, da der Sensor in der Gehäusewand teilweise versenkt angeordnet ist. Durch den Sensor soll im Wesentlichen keine Verschiebung des Betriebspunkts erfolgen. Der Sensor kann hierbei innerhalb einer Gehäusewand oder in diese versenkt angeordnet sein.
  • Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, daß der Regelreis einen Sollwert- und/oder Grenzwertspeicher für den Meßwert des Sensors aufweist und der Regelkreis ein Ist- Sollwertvergleichsglied sowie einen Proportional-, I- PI-, PD- und/oder PID-Regler aufweist. Dadurch kann ein Regelkreis gewährleistet werden, der entsprechend des vorgegebenen Istwertes der Luftsäule einen geregelten Differenzwert an das Stellglied abgibt. Der P-Regler gewährleistet hierbei ein schnelles, der Abweichung proportionales Ausregeln, der I- Regler ein stetiges, langsames Beseitigen der Regelabweichung. Ein PD-Regler bringt einen stabilisierenden Einfluß, der jedoch keine Totzeit zulässt und der PID-Regler gewährleistet ein frühes Erfassen und ein schnelles Ausregeln der Abweichung. Je nach Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine bzw. je nach Beanspruchungsprofil kann demnach der optimale Regelkreis geschaltet werden.
  • Vorteilhaft ist es hierzu auch, daß das Stellglied eine pneumatische, elektrische und/oder hydraulische Wirkungsweise aufweist, wobei der Turbolader verstellbare Leitschaufeln und/oder eine verstellbare Drossel im Ansaugkanal und/oder im Druckkanal aufweist. Somit ist ein Regeln des Turboladers bzw. seines Betriebspunkts möglich, so daß dieser im kritischen Fall entsprechend dem aktuellen Kennfeld beeinflußt werden kann. Ein Druckabfall durch eine verminderte Drosselung hat z. B. eine günstige Verschiebung des Betriebspunkts innerhalb des Kennfeldes zur Folge.
  • Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß ein Istwert des Sensors mit einem Sollwert verglichen und ein Differenzwert ermittelt wird, wobei der Differenzwert durch den Regler bewertet und anschließend dem Stellglied zugeführt wird, das diesen Reglerwert in eine Stellbewegung der Turboladerleitschaufel und/oder der Drossel umsetzt.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
  • Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Turboladers mit Sensor,
  • Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Regelkreises für den Turbolader.
  • In Fig. 1 ist ein Turbolader 1 mit einer vorderen Gehäusewand 1.6 und einer hinteren Gehäusewand 1.5. Innerhalb der hinteren Gehäusewand 1.5. ist eine Welle 1.8 angeordnet, die mehrere Leitschaufeln 1.9 trägt. Die vordere Gehäusewand 1.6 und die hintere Gehäusewand 1.5 sind über eine Schraubverbindung 1.7 gegeneinander verschraubt.
  • Die vordere Gehäusewand 1.6 bildet einen zur Welle koaxial angeordneten Ansaugkanal 1.2. Der Ansaugkanal 1.2 ist im Querschnitt konisch ausgebildet. Im Bereich der hinteren Gehäusewand 1.5 verbreitert sich der Ansaugkanal zu einem tellerartigen Übergangskanal 1.4, der zwischen vorderer Gehäusewand 1.6 und hinterer Gehäusewand 1.5 zu einem Druckkanal 1.1 führt. Der Druckkanal 1.1 ist ringförmig, im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und führt das verdichtete Gasgemisch zu einem nicht dargestellten Einlaßkanal einer Brennkraftmaschine. Die Leitschaufeln sind hierbei im Querschnitt an den Ansaugkanal 1.2 bzw. den Übergang zum Druckkanal angepaßt.
  • Innerhalb des Ansaugkanals 1.2 ist ein dritter und ein vierter Schwingungssensor 4.2, 4.3 angeordnet, wobei der vierte Schwingungssensor 4.3 in einer Gehäusewand vorgesehen ist.
  • Innerhalb des Übergangskanals 1.4 ist ein erster und ein zweiter Schwingungssensor 4, 4.1 angeordnet, wobei der zweite Schwingungssensor 4.1 in einer Gehäusewand vorgesehen ist.
  • In Fig. 2 ist ein Regelkreis 3 dargestellt, der neben dem ersten Sensor 4 einen Sollwertspeicher 3.1, ein Ist- Sollwertvergleichsglied 6, einen PID-Regler 5, ein Stellglied 2 und den Turbolader 1 aufweist.
  • Der im Turbolader 1 generierte Ist-Wert der Gasströmung wird vom Sensor 4 erfaßt und über das Sollwertvergleichsglied 6 mit einem Sollwert aus dem Sollwertspeicher 3.1 verglichen. Der so ermittelte Differenzwert bzw. die Abweichung wird über den PID- Regler 5 entsprechend dem aktuellen Fahrprofil bewertet bzw. ausgeregelt und an das Stellglied weitergeleitet. Das Stellglied 2 setzt dieses Signal in eine Stellbewegung des Turboladers bzw. seiner Leitschaufeln 1.9 und/oder seiner nicht dargestellten Drosseln um. Das in diesem neuen Betriebszustand bzw. Betriebspunkt generierte Signal wird wieder vom Sensor 4 erfaßt.

Claims (8)

1. Turbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, der über ein Stellglied (2) mit einem Regelkreis (3) verbunden ist, wobei der Regelkreis (3) mindestens einen Sensor (4) für mindestens einen Betriebsparameter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) als Schwingungsaufnehmer für Gas und/oder Festkörper ausgebildet und im Bereich eines Turboladerkanals (1.1) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (4) als Grenzschichtfühler ausgebildet und in einem Ansaugkanal (1.2) und/oder in dem Druckkanal (1.1) des Turboladers (1) angeordnet ist, wobei der Sensor (4) innerhalb einer Gehäusewand wahlweise versenkt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (4) im Ansaugkanal (1.2), im Druckkanal (1.1) und/oder in einem Übergangskanal (1.4) zwischen Ansaugkanal (1.2) und Druckkanal (1.1) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelreis (3) einen Sollwert- und/oder Grenzwertspeicher (3.1) aufweist, der mindestens den Sollwert und/oder Istwert des Sensors (4) speichert.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis (3) ein Ist-Sollwertvergleichsglied (6) sowie einen Proportional-, I-, PI-, PD- und/oder PID-Regler (5) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (2) eine pneumatisch, elektrisch und/oder hydraulisch betätigte Stelleinrichtung aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbolader verstellbare Leitschaufeln und/oder eine verstellbare Drossel aufweist, wobei die Leitschaufeln und/oder die Drossel wahlweise im Ansaugkanal (1.2) und/oder im Druckkanal (1.1) vorgesehen sind.
8. Verfahren zum Regeln eines Turboladers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Ein Istwert des Sensors (4) wird mit einem Sollwert des Sensors (4) verglichen und ein Differenzwert ermittelt,
b) der Differenzwert wird durch den Regler (5) bewertet,
c) der bewertete Differenzwert wird dem Stellglied (2) als Reglerwert zugeführt,
d) das Stellglied (2) setzt den Reglerwert in eine Stellbewegung der Turboladerleitschaufel und/oder der Drossel um.
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