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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1.
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
und ein Regelungs-/Steuerungsverfahren
für einen
mehrstufigen Turbolader einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer
Brennkraftmaschine für
ein Fahrzeug.
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Um der Forderung nach einer Verringerung des
Kraftstoffverbrauchs und gleichzeitig einer Erhöhung der Ausgangsleistung einer
Brennkraftmaschine nachzukommen, wird seit einigen Jahren der Ladedruck
tendenziell erhöht,
im Besonderen auf den höchstmöglichen
Pegel angehoben, den die Brennkraftmaschine unter dem Gesichtspunkt
der Festigkeit aushalten kann. Um den Ladedruck zu erhöhen, wird
ein so genannter mehrstufiger Turbolader vorgeschlagen, der aus
mehreren in Reihe geschalteten Turboladern gebildet ist. Bei solch
einem mehrstufigen Turbolader wird der endgültige Ladedruck durch mehrere
Verdichter erzielt. Ohne eine angemessene Regelung/Steuerung kann
aber Antriebsleistung vergeudet werden oder der Systemwirkungsgrad
sinken.
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Daher werden verschiedene Regelungs-/Steuerungsvorrichtungen
vorgeschlagen, die auf eine angemessene Regelung/Steuerung solch
eines mehrstufigen Turboladers abzielen. Zu den vorgeschlagenen
Vorrichtungen zählt
die aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr.
JP 11-315725 A (1999) bekannte
Vorrichtung.
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Die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr.
JP 11-315725 A (1999) offenbarte
Vorrichtung umfasst: Hoch-, Mittel- und Niederdruckstufenturbinen
sowie Hoch-, Mittel- und Niederdruckstufenverdichter, die von der
jeweiligen Turbine in der Abgasleitung angetrieben werden; eine
turbinenseitige Bypass-Leitung, die das Abgas unmittelbar von der Stromaufwärtsseite
zur Stromabwärtsseite
der Turbinen an den Turbinen vorbei strömen lässt; eine verdichterseitige
Bypass-Leitung, die die Ansaugluft von der Stromabwärtsseite
zur Stromaufwärtsseite
der Verdichter an den Verdichtern vorbei zurückströmen lässt; ein Wastegate-Ventil,
das die in die turbinenseitige Bypass-Leitung strömende Abgasmenge regelt; und
ein Umluftventil, das die in die verdichterseitige Bypass-Leitung
strömende
Ansaugluftmenge regelt. Um einen vorgegebenen Ladedruck zu erhalten,
werden das Wastegate-Ventil und das Umluftventil durch Anlegen eines
Signals von einem an der Stromabwärtsseite des Verdichters vorgesehenen
Drucksensor so angesteuert, dass die Druckverhältnisse des Hoch-, Mittel-
und Niederdruckstufenverdichters aneinander angeglichen werden.
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Die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr.
JP 11-315725 A (1999) offenbarte
Vorrichtung ist jedoch für
eine Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein Flugzeug konzipiert,
das in einer Höhe
von 25 km oder höher
fliegen kann. Dementsprechend werden mit einer Regelung, die darin
besteht, die Druckverhältnisse
des Hoch-, Mittel- und
Niederdruckstufenverdichters aneinander anzugleichen, bei einer Brennkraftmaschine
für ein
Kraftfahrzeug, das auf dem Erdboden fährt, nicht so viele Vorteile
erzielt. Vielmehr kann eine Regelung in der Weise, dass die Druckverhältnisse
des Hoch-, Mittel- und Niederdruckstufenverdichters aneinander angeglichen
werden, das Fahrverhalten beeinträchtigen. Beispielsweise wird
im Fall einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, bei dem
die Last aufgrund der Gaspedalbetätigung stark schwankt, die
Regelungsstabilität infolge
einer Regelungshysterese beeinträchtigt,
woraus sich eine starke Schwankung im Ladedruck ergibt.
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Die Erfindung geht von dem vorstehend
genannten Problem aus. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung für einen mehrstufigen Turbolader
zu schaffen, die ein Regelungs-/Steuerungssystem
stabil betreiben kann, ein Pumpen des Verdichters verhindert und
einen Betrieb der Turbine in einem hohen Wirkungsgradbereich ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterentwicklungen
sind Gegenstand abhängiger
Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen mehrstufigen
Turbolader bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Turboladern
umfasst: eine Betriebszustandserfassungseinrichtung zum Erfassen des
Betriebszustands einer Brennkraftmaschine; eine Regelungs-/Steuerungsbereichauswahleinrichtung
zum Wählen
eines Regelungs-/Steuerungsbereichs in Abhängigkeit von dem Ergebnis der
Erfassung der Betriebszustandserfassungseinrichtung; und eine Regelungseinrichtung
zum Regeln/Steuern wenigstens eines Turboladers mit einer höheren Priorität als den
anderen Turbolader in der Weise, dass das durch den wenigstens einen
Turbolader erzielte Druckverhältnis
in dem von der Regelungs-/Steuerungsbereichauswahleinrichtung
gewählten
Regelungsbereich im Wesentlichen konstant ist, und zum Regeln des
anderen Turboladers in Abhängigkeit
von einem Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck.
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Das erfindungsgemäße Verfahren für einen mehrstufigen
Turbolader gebildet aus mehreren in Reihe geschalteten Turboladern
weist die folgenden Schritte auf: Erfassen des Betriebszustands
einer Brennkraftmaschine; Wählen
eines Regelungs-/Steuerungsbereichs in Abhängigkeit von dem Ergebnis der
Erfassung des Betriebszustands; Regeln/Steuern wenigstens eines
Turboladers mit einer höheren
Priorität
als den anderen Turbolader in der Weise, dass das durch den wenigstens
einen Turbolader erzielte Druckverhältnis in dem von der Regelungs-/Steuerungsbereichauswahleinrichtung
gewählten
Regelungsbereich im Wesentlichen konstant ist; und Regeln des anderen
Turboladers in Abhängigkeit
von einem Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck.
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Mit dieser Vorrichtung bzw. diesem
Verfahren lässt
sich die Zahl der zu regelnden/steuernden Elemente vermindern und
das System stabil betreiben.
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Die mehreren Turbolader sind vorzugsweise Turbolader
mit verstellbarer Leistung, die jeweils einen Strömungsmengenänderungsmechanismus
in einem Turbinenleitschaufelbereich aufweisen.
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Der Regelungsbereich ist vorzugsweise
ein Bereich, in dem die Brennkraftmaschinendrehzahl auf oder über einem
vorgegebenen Wert und die Forderung (Last) nach einer Erhöhung des
Ausgangsdrehmoments der Brennkraftmaschine auf oder über einem
vorgegebenen Wert liegt.
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Der Turbolader, der mit einer höheren Priorität als der
andere Turbolader in der Weise geregelt/gesteuert wird, dass das
Druckverhältnis
im Wesentlichen konstant ist, ist vorzugsweise ein Hochdruckturbolader.
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Der Turbolader, der mit einer höheren Priorität als der
andere Turbolader in der Weise geregelt/gesteuert wird, dass das
Druckverhältnis
im Wesentlichen konstant ist, kann aber auch ein Niederdruckturbolader
sein.
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In einem anderen Bereich als dem
Regelungsbereich werden die mehreren Turbolader des Weiteren vorzugsweise
in Abhängigkeit
von einem eingestellten und in einem Kennfeld gespeicherten Steuerungswert
gesteuert, um einen vorgegebenen Ladedruck entsprechend dem Betriebszustand
der Brennkraftmaschine zu erhalten.
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Die vorstehend genannte beispielhafte
Ausführungsform
und andere beispielhafte Ausführungsformen,
Gegenstände,
Merkmale, Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutsamkeit
dieser Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verständlicher,
in denen:
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1 ein
Blockdiagramm ist, das eine schematische Konfiguration einer Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
für einen
mehrstufigen Turbolader gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 ein
Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
zum Wählen
eines Regelungs-/Steuerungsbereichs und zum Regeln der verstellbaren
Leitschaufeln VNH und VNL in der Regelung/Steuerung gemäß der Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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3 ein
Flussschema ist, das ein Beispiel für die von der Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
für den
mehrstufigen Turbolader durchgeführte
Regelung/Steuerung gemäß der Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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4 eine
grafische Darstellung ist, die die Strömungsquerschnitte der verstellbaren
Leitschaufeln VNH und VNL des mehrstufigen Turboladers gemäß der Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen wird die Erfindung im Folgenden an beispielhaften Ausführungsformen
ausführlich
beschrieben.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
für einen
mehrstufigen Turbolader gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt. 1 zeigt
ein Beispiel, in dem die Erfindung an einem mehrstufigen Turbolader
bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Turboladern verstellbarer
Leistung mit jeweils verstellbaren Leitschaufeln (Düsen) angewendet
wird.
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Wie es in der Figur gezeigt ist,
sind in der Abgasleitung 12 einer Brennkraftmaschine 10 in
Abgasströmungsrichtung
eine Hochdruckstufenturbine 14 und eine Niederdruckstufenturbine 16 in
Reihe und in einem Abstand vorgesehen. In der Saugleitung 18 der
Brennkraftmaschine 10 sind in Ansaugluftströmungsrichtung
ein Hochdruckstufenverdichter 20 und ein Niederdruckstufenverdichter 22 in
Reihe und in einem Abstand vorgesehen. Der Hochdruckstufenverdichter 20 und
die Hochdruckstufenturbine 14 sind über eine Drehwelle 24 miteinander
gekoppelt und bilden damit einen Hochdruckturbolader 26.
Der Niederdruckstufenverdichter 22 und die Niederdruckstufenturbine 16 sind über eine
Drehwelle 28 miteinander gekoppelt und bilden damit einen
Niederdruckturbolader 30.
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Zwischen dem Niederdruckstufenverdichter 22 und
dem Hochdruckstufenverdichter 20 ist in der Saugleitung 18 ein
erster Ladeluftkühler 32 vorgesehen.
Zwischen dem Hochdruckstufenverdichter 20 und der Brennkraftmaschine 10 ist
in der Saugleitung 18 ein zweiter Ladeluftkühler 34 vorgesehen.
Der erste Ladeluftkühler 32 und
der zweite Ladeluftkühler 34 haben
die Funktion, die Ansaugluft zu kühlen, deren Temperatur infolge
der Verdichtung angestiegen ist. Der erste Ladeluftkühler 32 und
der zweite Ladeluftkühler 34 sind
für die
Erfindung aber nicht unbedingt erforderlich. Daher kann auch nur
der erste Ladeluftkühler 32 oder
nur der zweite Ladeluftkühler 34 vorgesehen
sein. Des weiteren kann auch weder der erste Ladeluftkühler 32 noch
der zweite Ladeluftkühler 34 vorgesehen
sein.
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In der Abgasleitung 12 ist
eine Bypass-Leitung 36 vorgesehen, die zwischen der Stromaufwärtsseite
der Hochdruckstufenturbine 14 und der Stromabwärtsseite
der Niederdruckstufenturbine 16 geschaltet ist, um die
Hochdruckstufenturbine 14 und die Niederdruckstufenturbine 16 zu überbrücken. In der
Bypass-Leitung 36 ist ein Bypass-Ventil 38 vorgesehen. Der Strömungsquerschnitt
des Bypass-Ventils 38 wird mittels eines (nicht gezeigten)
Aktuators verstellt, um die in die Bypass-Leitung 36 strömende Abgasmenge
zu regeln. Die Arbeitsweise des Aktuators wird mittels einer Regelungs-/Steuerungseinheit 40 geregelt/gesteuert,
wie es nachstehend noch beschrieben wird.
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Ein erster Drucksensor 42,
der den Atmosphärendruck
P1 erfasst, ist in der Saugleitung 18 stromaufwärts des
Niederdruckstufenverdichters 22 vorgesehen. Ein zweiter
Drucksensor 44, der den Eintrittsdruck P2 des Hochdruckstufenverdichters 20 erfasst,
ist in der Saugleitung 18 zwischen dem Hochdruckstufenverdichter 20 und
dem ersten Ladeluftkühler 32 vorgesehen.
Ein dritter Drucksensor 46, der den Austrittsdruck P3 des
Hochdruckstufenverdichters 20 erfasst, ist in der Saugleitung 18 zwischen dem
Hochdruckstufenverdichter 20 und dem zweiten Ladeluftkühler 34 vorgesehen.
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Die Brennkraftmaschine 10 weist
des Weiteren einen Drehzahlsensor 48 auf, der die Drehzahl Ne
der Brennkraftmaschine 10 erfasst, und einen Gaspedalstellungssensor 50,
der die Last (die Gaspedalstellung A) erfasst. Der erste Drucksensor 42, der
zweite Drucksensor 44, der dritte Drucksensor 46,
der Drehzahlsensor 48 und der Gaspedalstellungssensor 50 stehen
in Verbindung mit der Regelungs-/Steuerungseinheit 40,
an die die Ausgangssignale der Sensoren übertragen werden.
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Die Hochdruckstufenturbine 14 des
Hochdruckturboladers 26 und die Niederdruckstufenturbine 16 des
Niederdruckturboladers 30 weisen verstellbare Leitschaufeln
VNH bzw. VNL als Strömungsmengenänderungsmechanismen
in den Turbinenleitschaufelbereichen auf. Die Regelungs-/Steuerungseinheit 40,
die einen Mikrocomputer und dergleichen umfasst, stellt die verstellbaren
Leitschaufeln VNH und VNL in Abhängigkeit
von den Werten der von den Sensoren übertragenen Ausgangssignale
ein, um einen bestimmten Ladedruck zu erhalten.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird im Folgenden ein Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M beschrieben, das zur Wahl eines Regelungs-/Steuerungsbereich und
zur Regelung/Steuerung der verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL
verwendet wird. Im Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M zeigt die vertikale Achse die Gaspedalstellung A, die die an der
Brennkraftmaschine anliegende Last angibt, und die horizontale Achse
die Brennkraftmaschinendrehzahl Ne. Das Kennfeld zeigt, die von
den verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL geforderten Strömungsquerschnitte
im Steuerungsbereich im Vergleich zum Regelungsbereich des Betriebsbereichs
der Brennkraftmaschine 10. Der Regelungs-/Steuerungswert
ist der optimale Wert, der in Abhängigkeit von der Kennlinie
der geforderten Brennkraftmaschinenausgangsleistung beispielsweise
experimentell ermittelt wird. Das Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M ist in der Regelungs-/Steuerungseinheit 40 in
einer Tabelle gespeichert.
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In der Ausführungsform werden die beiden verstellbaren
Leitschaufeln VNH und VNL im linken Bereich des Strömungsquerschnittseinstellkennfelds M,
d.h. in einem Bereich R1, in dem die Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 relativ
niedrig ist, so eingestellt, dass sie vollständig geschlossen sind. In einem Bereich
R2, in dem die an der Brennkraftmaschine 10 anliegende
Last auf oder unter einem im wesentlichen mittleren Lastniveau und
die Brennkraftmaschinendrehzahl im mittleren oder hohen Drehzahlbereich
liegt, werden die verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL des Weiteren
so eingestellt, dass deren Strömungsquerschnitte
mit einem Anstieg der Brennkraftmaschinendrehzahl Ne und einer Abnahme
der Gaspedalstellung A nach und nach von einem mittelgradig geöffneten
Zustand bis zu dem vollständig
geöffneten
Zustand ansteigen. Die Grenze zwischen dem Bereich R1 und dem Bereich
R2 weist eine Stufe auf, da in dem Bereich, in dem die an der Brennkraftmaschine 10 anliegende
Last niedrig ist und die Brennkraftmaschinendrehzahl im mittleren Drehzahlbereich
liegt (der rechte Bereich des Bereichs R1), durch ein vollständiges,
Schließen
der verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL der Gegendruck erhöht und eine
Abgasrückführung (AGR) zum
Saugsystem durchgeführt
wird.
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Der "vollständig geschlossene" Zustand der verstellbaren
Leitschaufeln bezeichnet in diesem Fall den Zustand, in dem der
Strömungsquerschnitt
der Leitschaufeln bis auf einen minimalen Strömungsquerschnitt reduziert
ist. Der "vollständig geöffnete" Zustand der verstellbaren
Leitschaufeln bezeichnet den Zustand, in dem der Strömungsquerschnitt
der Leitschaufeln bis auf einen ma ximalen Strömungsquerschnitt erhöht ist.
Der "mittelgradig
geöffnete" Zustand der verstellbaren
Leitschaufeln bezeichnet beispielsweise den Zustand, in dem eine
von einem (nicht gezeigten) Aktuator betätigte verstellbare Leitschaufel
so eingestellt ist, dass der Strömungsquerschnitt
der Leitschaufeln angemessen zwischen dem minimalen Strömungsquerschnitt
und dem maximalen Strömungsquerschnitt
eingestellt ist.
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Der Bereich, in dem die an der Brennkraftmaschine
anliegende Last hoch ist, d.h. in dem die Forderung nach einer Erhöhung des
Ausgangsdrehmoments der Brennkraftmaschine 10 auf oder über einem
vorgegebenen Wert liegt, und die Brennkraftmaschinendrehzahl im
mittleren oder hohen Drehzahl bereich liegt, ist der Bereich RFB.
In dem Bereich RFB werden die Strömungsquerschnitte der verstellbaren
Leitschaufeln VNH und VNL nicht auf vorgegebene Werte eingestellt,
sondern der Forderung entsprechend verstellt, um den Ladedruck P3
zu regeln. Im Ergebnis wird in den Bereichen R1 und R2 eine Steuerung
des Ladedrucks P3 durchgeführt.
Andererseits wird im Bereich RFB eine Regelung durchgeführt. Die
Steuerungsbereiche R1, R2 und der Regelungsbereich RFB sind nicht
feststehend; vielmehr werden die Grenzen zwischen diesen Bereichen
in Abhängigkeit
von der Kennlinie der geforderten Brennkraftmaschinenausgangsleistung
entsprechend verlegt.
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Bezugnehmend auf das in 3 gezeigte Flussschema wird
anschließend
ein Beispiel für
eine von der Regelungs-/Steuerungseinheit 40 durchgeführte Regelungs-/Steuerungsroutine
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Wenn die Brennkraftmaschine gestartet
und die Regelung/Steuerung eingeleitet wird, werden in der Regelungs-/Steuerungsroutine
für den
mehrstufigen Turbolader im Schritt S1 von der Betriebszustandserfassungseinrichtung
die Arbeitsgänge
zum Erfassen des Betriebszustands der Brennkraftmaschine durchgeführt. Im Schritt
S1 werden die momentane Brennkraftmaschinendrehzahl Ne durch den
Drehzahlsensor 48 und die momentane Gaspedalstellung A
durch den Gaspedalstellungssensor 50 erfasst und die momentane
Brennkraftmaschinendrehzahl Ne und die momentane Gaspedalstellung
A in die Regelungs-/Steuerungseinheit 40 gelesen.
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Im Schritt S2 werden die momentane
Brennkraftmaschinendrehzahl Ne und die momentane Gaspedalstellung
A, die im Schritt S1 erfasst wurden, in Beziehung zu dem in 2 gezeigten Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M gebracht, das in der Tabelle in der Regelungs-/Steuerungseinheit 40 gespeichert
ist. Anschließend
geht der Prozess zum Schritt S3. Im Schritt S3 bestimmt die Regelungs-/Steuerungsbereichauswahleinrichtung,
ob der Betriebszustand im Ladedruckregelungsbereich RFB liegt. Bei
einer negativen Bestimmung, d.h. wenn der Betriebszustand im Steuerungsbereich
R1 oder R2 liegt, geht der Prozess zum Schritt S4. Dann werden die
Strömungsquerschnitten
der verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL auf die Strömungsquerschnitte
gesteuert, die im Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M dem Betriebszustand entsprechend vorgegeben sind. Durch eine Steuerung
der Strömungsquerschnitte
der verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL unter Bezugnahme auf
die vorgegebenen Strömungsquerschnitten,
die im Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M eingestellt sind, wird die Abgasströmungsmengenkennlinie der Hochdruckstufenturbine 14 und
der Niederdruckstufenturbine 16 dem Betriebszustand der
Brennkraftmaschine 10 entsprechend gesteuert. Somit lässt sich
mittels des Hochdruckstufenverdichters 20 und des Niederdruckstufenverdichters 22 der
optimale Ladedruck für
den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 erhalten.
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Andererseits geht der Prozess als
Folge der Bestimmung im Schritt S3, ob der Betriebszustand im Ladedruckregelungsbereich
RFB liegt, wenn positiv be stimmt wird, zum Schritt S5. Dann führt die
Regelungseinrichtung eine Regelung durch. Im Schritt S5 werden zunächst der
Atmosphärendruck
P1, der Druck P2 stromabwärts
des Niederdruckstufenverdichters 22, d.h. stromaufwärts des
Hochdruckstufenverdichters 20, und der Druck P3 stromabwärts des
Hochdruckstufenverdichters 20, d.h. der Ladedruck, durch
den ersten Drucksensor 42, den zweiten Drucksensor 44 bzw.
den dritten Drucksensor 46 erfasst. Anschließend werden
die erfassten Werte in die Regelungs-/Steuerungseinheit 40 gelesen.
Im Schritt S6 wird als nächstes
von der Regelungs-/Steuerungseinheit 40 in Abhängigkeit
von der momentanen Brennkraftmaschinendrehzahl Ne und der momentanen
Gaspedalstellung A, die bereits im Schritt S1 in die Regelungs-/Steuerungseinheit 40 gelesen
wurden, ein Soll-Ladedruck f(Ne, A) berechnet. Dann geht der Prozess
zum Schritt S7. Im Schritt S7 wird bestimmt, ob der momentane Ist-Ladedruck P3 über dem
Soll-Ladedruck f(Ne, A) liegt.
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Bei einer positiven Bestimmung im
Schritt S7, d.h. wenn der momentane Ist-Ladedruck P3 über dem
Soll-Ladedruck f(Ne, A) liegt, geht der Prozess zum Schritt S8.
Im Schritt S8 wird bestimmt, ob die verstellbaren Leitschaufeln
VNH und VNL vollständig geöffnet sind.
Die momentanen Strömungsquerschnitte
der verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL lassen sich anhand der
Erfassungssignale (nicht gezeigter) Strömungsquerschnittssensoren, die
in den verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL vorgesehen sind,
oder anhand der in der vorhergehenden Regelungs-/Steuerungsroutine verwendeten Daten
der Strömungsquerschnittseinstellwerte
bestimmen. Wenn die verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL bereits
vollständig
geöffnet
sind, geht der Prozess zum Schritt S9. Dann wird eine Regelung/Steuerung
des Inhalts ausgeführt,
dass das Bypass-Ventil 38 um
einen vorgegebenen Betrag in Öffnungsrichtung
verstellt wird, die in die zur Hochdruckstufenturbine 14 und
Niederdruckstufenturbine 16 strömende Abgasmenge verringert
wird, und der Ladedruck P3 vermindert wird.
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Wenn im Schritt S8 bestimmt wird,
dass die verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL nicht vollständig geöffnet sind,
obwohl der momentane Ladedruck P3 über dem Soll-Ladedruck f(Ne,
A) liegt, geht der Prozess zum Schritt S10. Im Schritt S10 werden das
Druckverhältnis
P3/P2 durch den Hochdruckstufenverdichter 20 des Hochdruckturboladers 26 und auf
der Grundlage der momentanen Brennkraftmaschinendrehzahl Ne und
der Gaspedalstellung A ein Soll-Druckverhältnis g(Ne, A) für den momentanen Betriebszustand
berechnet.
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Als nächstes wird im Schritt S11
das momentane Druckverhältnis
P3/P2 durch den Hochdruckstufenverdichter 20 mit dem Soll-Druckverhältnis g(Ne, A)
verglichen. Wenn bestimmt wird, dass das Druckverhältnis P3/P2
durch den Hochdruckturbolader größer ist
als das Soll-Druckverhältnis
g(Ne, A), geht der Prozess zum Schritt S12. Im Schritt S12 führt die Regelungs-/Steuerungseinheit 40 eine
Regelung zur Vergrößerung des
Strömungsquerschnitts
der verstellbaren Leitschaufeln VNH des Hochdruckturboladers 26 durch.
Wenn andererseits bestimmt wird, dass das Druckverhältnis P3/P2
durch den Hochdruckturbolader auf oder unter dem Soll-Druckverhältnis g(Ne,
A) liegt, geht der Prozess zum Schritt S13. Im Schritt S13 führt die
Regelungs-/Steuerungseinheit 40 eine Regelung zur Vergrößerung des
Strömungsquerschnitts
der verstellbaren Leitschaufeln VNL des Niederdruckturboladers 30 durch.
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Bei einer negativen Bestimmung im
Schritt S7, d.h. wenn der momentane Ladedruck P3 auf oder unter
dem Soll-Ladedruck
f(Ne, A) liegt, geht der Prozess zum Schritt S14. Ebenso wie im
Schritt S10 werden im Schritt S14 das Druckverhältnis P3/P2 durch den Hochdruckturbolader 26 und
auf der Grundlage der momentanen Brennkraftmaschinen drehzahl Ne und
der Gaspedalstellung A das Soll-Druckverhältnis g(Ne, A) berechnet. Weiter
wird im Schritt S15 das momentane Druckverhältnis P3/P2 durch den Hochdruckturbolader
mit dem Soll-Druckverhältnis
g(Ne, A) verglichen. Wenn bestimmt wird, dass das Druckverhältnis P3/P2
durch den Hochdruckturbolader über
dem Soll-Druckverhältnis
g(Ne, A) liegt, geht der Prozess zum Schritt S16. Im Schritt S16
führt die
Regelungs-/Steuerungseinheit 40 eine Regelung zur Verkleinerung
des Strömungsquerschnitts
der verstellbaren Leitschaufeln VNL des Niederdruckturboladers 30 durch.
Wenn bestimmt wird, dass das Druckverhältnis P3/P2 durch den Hochdruckturbolader
auf oder unter dem Soll-Druckverhältnis g(Ne, A) liegt, geht
der Prozess zum Schritt S17. Im Schritt S17 führt die Regelungs-/Steuerungseinheit 40 eine Regelung
zur Verkleinerung des Strömungsquerschnitts
der verstellbaren Leitschaufeln VNH des Hochdruckturboladers 26 durch.
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Die Regelungs-/Steuerungsroutine
durch die Regelungs-/Steuerungseinheit 40 wird
in vorgegebenen Intervallen durchgeführt. Durch die wiederholte Durchführung der
Routine wird der Ladedruck P3 in dem vorstehend genannten Ladedruckregelungsbereich
RFB auf den Soll-Ladedruck geregelt. In der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
wird das Druckverhältnis
P3/P2 durch den Hochdruckturbolader so geregelt, dass es sich dem
Soll-Druckverhältnis
g(Ne, A) nähert.
Das Druckverhältnis
durch den Hochdruckturbolader wird mit einer höheren Priorität in der
Weise geregelt, dass es im Wesentlichen konstant ist. Somit lässt sich
ein breit anwendbarer Brennkraftmaschinendrehzahlbereich erhalten.
Des Weiteren ist das Gleichgewicht (die Stabilität, die Auswuchtung) des Verdichters
und der Turbine sowohl im Hochdruckturbolader 26 als auch
im Niederdruckturbolader 30 gut. Daher lässt sich
ein hoher Turboladerwirkungsgrad in einfacher Weise erhalten.
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Im Folgenden wird die Steuerung des
mehrstufigen Tur boladers der Brennkraftmaschine 10 zusätzlich zur
vorgenannten Ladedruckregelung ausführlich beschrieben. Bei einer
Beschleunigung, bei der das Gaspedal plötzlich betätigt und die Brennkraftmaschine 10 aus
einem Betriebszustand bei niedriger Drehzahl und niedriger Last
in den Volllastzustand (oder Zustand hoher Last) geschaltet wird, beispielsweise
wenn das Fahrzeug gestartet wird, steigt die Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 bekanntlich
nicht unmittelbar an. Der Betriebszustand wird in das obere Gebiet
im Bereich R1 verschoben. Die verstellbaren Leitschaufeln VNH und
VNL werden aufgrund der Vorgabe im Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M jedoch in dem vollständig geschlossen
Zustand gehalten. Wenn das Gaspedal voll betätigt bleibt, wird der Betriebszustand
mit einem Anstieg der Brennkraftmaschinendrehzahl bei einer Brennkraftmaschinendrehzahl
im Wesentlichen gleich der Brennkraftmaschinendrehzahl Ne0 in den Ladedruckregelungsbereich
RFB geschaltet. Die Beziehung zwischen den Strömungsquerschnitten der verstellbaren
Leitschaufeln VNH und VNL und der Brennkraftmaschinendrehzahl Ne
im Ladedruckregelungsbereich RFB ist in 4 dargestellt. Die verstellbaren Leitschaufeln
VNH des Hochdruckturboladers werden mit einer höheren Priorität gegenüber den
verstellbaren Leitschaufeln VNL des Niederdruckturboladers in der
Weise geregelt, dass das Druckverhältnis P3/P2 durch den Hochdruckturbolader
im Wesentlichen konstant wird, wie es vorstehend erwähnt wurde.
Der Ladedruck der verstellbaren Leitschaufeln VNL des Niederdruckturboladers wird
geregelt. Im Ergebnis werden mit einem Anstieg der Brennkraftmaschinendrehzahl
Ne sowohl der Strömungsquerschnitt
der verstellbaren Leitschaufeln VNH des Hochdruckturboladers wie
auch der Strömungsquerschnitt
der verstellbaren Leitschaufeln VNL des Niederdruckturboladers kontinuierlich vergrößert. In
diesem Fall entspricht die Brennkraftmaschinendrehzahl Ne0 einer
Brennkraftmaschinendrehzahl in der Nähe der Grenze zwischen dem
Bereich R1 und dem Regelungsbereich RFB in 2.
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Der Betriebszustand wird dementsprechend vom
Steuerungsbereich R1 in den Regelungsbereich RFB geschaltet, während die
verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL vollständig geschlossen sind. Daher
schwankt der Ladedruck nicht stark. Da die verstellbaren Leitschaufeln
VNH und VNL mit einem Anstieg der Brennkraftmaschinendrehzahl kontinuierlich
in Öffnungsrichtung
verstellt werden, ist es weiter möglich, eine stabile Regelung/Steuerung durchzuführen. Denn,
wenn die verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL wiederholt geöffnet/geschlossen
werden, wird die Stabilität
der Regelung/Steuerung infolge einer Hysterese beeinträchtigt.
Wenn die verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL aber kontinuierlich
in die Öffnungsrichtung
verstellt werden, tritt das vorstehend genannte Problem nicht auf.
Daher kann die Regelung/Steuerung stabil ausgeführt werden. Bei einer Beschleunigung,
bei der das Gaspedalbetätigung
abrupt betätigt
und die Brennkraftmaschine 10 aus einem Zustand mittlerer Drehzahl
und mittlerer Last in den Volllastbetriebszustand oder den Betriebszustand
hoher Last geschaltet wird, wird der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 aus
dem Bereich R2 in den Regelungsbereich RFB geschoben. In diesem
Fall werden, wenn der Betriebszustand bei einer Brennkraftmaschinendrehzahl
Ne1 aus dem Bereich R2 in den Regelungsbereich RFB geschaltet wird,
im Bereich nahe der Grenze zwischen dem Bereich R2 und dem Regelungsbereich
RFB bei der Brennkraftmaschinendrehzahl Ne1 im Bereich R2, die Strömungsquerschnitte der
verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL im Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
M so eingestellt, dass sich eine Änderung während des Schaltens unterdrücken lässt. Ebenso
wie in dem Fall, in dem der Betriebszustand aus dem Bereich R1 in
den Regelungsbereich RFB geht, schwankt daher der Ladedruck nicht
stark. Des weiteren werden die verstellbaren Leitschaufeln VNH und
VNL mit einem anschließenden
Anstieg der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 kontinuierlich
in Öffnungsrichtung
verstellt. Daher lässt
sich die Regelung/Steuerung stabil durchführen.
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Vorstehend wurde eine Ausführungsform
beschrieben, bei der das Druckverhältnis P3/P2 durch den Hochdruckturbolader
mit einer höheren
Priorität in
der Weise geregelt wird, dass es dem Soll-Druckverhältnis g(Ne,
A) nahe kommt. Jedoch kann auch das Druckverhältnis P2/P1 durch den Niederdruckturbolader
mit einer höheren
Priorität
in der Weise geregelt werden, dass es dem Soll-Druckverhältnis g(Ne,
A) nahe kommt, wenngleich der Turboladerwirkungsgrad zum Teil sinkt.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform
wurde des weiteren an dem Beispiel beschrieben, in dem die Erfindung
an einem Turbolader mit verstellbarer Leistung angewendet wird,
der ein verstellbare Leitschaufeln (Düse) aufweist. Die Erfindung
lässt sich
aber gleichermaßen
auf einen mehrstufigen Turbolader mit einem Wastegate-Ventil anwenden,
indem anstelle des Strömungsquerschnitts der
verstellbaren Leitschaufeln der Strömungsquerschnitt des Wastegate-Ventils
geregelt/gesteuert wird.
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
ist das Soll-Druckverhältnis
g(Ne, A) für das
Druckverhältnis
P3/P2 durch den Hochdruckturbolader im Regelungsbereich RFB ungeachtet
der Brennkraftmaschinendrehzahl im Wesentlichen konstant, wie es
in 4 gezeigt ist. Das
Soll-Druckverhältnis g(Ne,
A) für
das Druckverhältnis
P3/P2 kann aber auch so eingestellt werden, dass es mit einem Anstieg
der Brennkraftmaschinendrehzahl nach und nach ansteigt.
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Des Weiteren wird in der vorgenannten
Ausführungsform
als Ladedruck der Hochdruckstufenaustrittsdruck P3 verwendet, der
von dem am Auslassabschnitt des Hochdruckstufenverdichters 20 vorgesehenen
Drucksensor 46 erfasst wird. Als Ladedruck kann aber auch
der Saugrohrdruck Druck Pb verwendet werden, der von einem im Saugrohr
der Brennkraftmaschine vorgesehenen Saugrohrdrucksensor erfasst
wird.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung
eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung für einen mehrstufigen Turbolader
bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Turboladern (26, 30),
mit einer Betriebszustandserfassungseinrichtung (40, 48, 50) zum
Erfassen des Betriebszustands einer Brennkraftmaschine (10),
sowie: einer Regelungs-/Steuerungsbereichauswahleinrichtung (40)
zum Wählen eines
Regelungs-/Steuerungsbereichs in Abhängigkeit von dem durch die
Ergebnis der Erfassung der Betriebszustandserfassungseinrichtung
(40, 48, 50); und einer Regelungseinrichtung
(40) zum Regeln/Steuern wenigstens eines Turboladers (26, 30) mit
einer höheren
Priorität
als den anderen Turbolader (30, 26) in der Weise,
dass das durch den wenigstens einen Turbolader (26, 30)
erzielte Druckverhältnis
in dem durch die Regelungs-/Steuerungsbereichauswahleinrichtung
(40) gewählten
vorgegebenen Regelungsbereich (RFB) im Wesentlichen konstant ist,
und zum Regeln des anderen Turboladers (30, 26)
in Abhängigkeit
von einem Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck. Auf diese weise
kann ein Pumpen im Verdichter (20, 22) des Turboladers
(26, 30) verhindert und die Turbine in einem Bereich
von hohem Wirkungsgrad betrieben werden.