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HINTGERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Regelungs- und Steuerungsvorrichtung und
ein Regelungs- und Steuerungsverfahren für eine mehrstufige Aufladeeinrichtung
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
eine so genannte mehrstufige Aufladeeinrichtung vorgeschlagen, die
aus mehreren in Reihe geschalteten Turboladern gebildet ist. Bei
solch einer mehrstufigen Aufladeeinrichtung wird der endgültige Ladedruck
durch mehrere Verdichter erzielt. Ohne eine angemessene Regelung
und Steuerung kann aber Antriebsleistung vergeudet werden oder der Systemwirkungsgrad
sinken.
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Daher
wurden verschiedene Regelungs- und Steuerungsvorrichtungen vorgeschlagen,
die auf eine angemessene Regelung und Steuerung solch einer mehrstufigen
Aufladeeinrichtung abzielen. Zu den vorgeschlagenen Vorrichtungen
zählt die
aus der JP 11-315725 A bekannte Vorrichtung.
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Die
in der JP 11-315725 A 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 JP 11-315725 A 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 Rege lungshysterese beeinträchtigt,
woraus sich eine starke Schwankung im Ladedruck ergibt.
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Die
EP 0 747 585 B1 beschreibt
ein Verfahren zum Einstellen des Ladedrucks eines Turboladers mit
veriabler Turbinengeometrie einer Brennkraftmaschine mit zuschaltbarer
Abgasrückführung. Um
in weiten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine eine verbesserte
Leistung, ein erhöhtes
Drehmoment und einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu erhalten,
wird vorgeschlagen, in einem ersten Lastbereich, in dem der Ladedruck
gesteuert wird, die Abgasrückführung geregelt
zuzuschalten und in einem zweiten Lastbereich, in dem der Ladedruck
geregelt wird, die Abgasrückführung abzuschalten.
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Aus
der
EP 1 101 917 A2 ist
ein Turboladersystem bekannt, das eine hochstufige und einer niederstufige
Turbine aufweist, die in Reihe in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine
angeordnet sind, einen hochstufigen und eine niederstufigen Kompressor,
die in Reihe in einer Ansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordnet
sind, wobei der hochstufige Kompressor von der hochstufigen Turbine
und der niederstufige Kompressor von der niederstufigen Turbine
angetrieben wird, eine Umgehungsleitung, die die hochstufige Turbine
umgeht und in der ein Umgehungsventil angeordnet ist, und eine Steuerungsvorrichtung
zum Steuern des Umgehungsventils und dadurch der Druckverhältnisse
am hochstufigen und niederstufigen Kompressor.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Ausgehend
von der JP 11-315725 A oder
EP 1
101 917 A2 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Regelungs- und Steuerungsvorrichtung
für eine
mehrstufige Aufladeeinrichtung zu schaffen, die einen stabilen Betrieb
der Turbolader 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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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird das durch den wenigstens einen Turbolader erzielte Druckverhältnis auf
ein Soll-Druckverhältnis geregelt.
Der wenigstens eine andere Turbolader wird so geregelt, dass ein
in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelter Soll-Ladedruck erhalten
wird. Hierdurch wird eine stabile Regelung der Aufladeeinrichtung
insgesamt erreicht.
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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 liegen.
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Der
wenigstens eine Turbolader, der mit einer höheren Priorität als der
wenigstens eine andere Turbolader in der Weise geregelt wird, ist
vorzugsweise ein Hochdruckturbolader.
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Der
wenigstens eine Turbolader, der mit einer höheren Priorität als der
wenigstens eine andere Turbolader geregelt wird, kann aber auch
ein Niederdruckturbolader sein.
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In
einem der beiden Steuerungsbereiche werden die mehreren Turbolader
des Weiteren vorzugsweise in Abhän gigkeit
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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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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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-
und Steuerungsvorrichtung für
eine mehrstufige Aufladeeinrichtung 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- und Steuerungsvorrichtung für die mehrstufige Aufladeinrichtung
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 der mehrstufigen Aufladeeinrichtung 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-
und Steuerungsvorrichtung für
eine mehrstufige Aufladeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt. 1 zeigt ein Beispiel, in dem
die Erfindung an einer mehrstufigen Aufladeeinrichtung 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-/Steuerungseinrichtung 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 Brenn kraftmaschine 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-/Steuerungseinrichtung 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-/Steuerungseinrichtung 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 beschrieben,
das zur Wahl eines Regelungs-/Steuerungsbereich und zur Regelung/Steuerung
der verstellbaren Leitschaufeln VNH und VNL verwendet wird. Im Strömungsquerschnittseinstellkennfeld
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
ist in der Regelungs-/Steuerungseinrichtung 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,
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 maximalen 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 Strö mungsquerschnitt
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-/Steuerungseinrichtung 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 die
mehrstufige Aufladeeinrichtung 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-/Steuerungseinrichtung 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-/Steuerungseinrichtung 40 gespeichert
ist. Anschließend
geht der Prozess zum Schritt S3. Im Schritt S3 bestimmt die Bereichauswahleinrichtung,
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 bestimmt
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
Hoch druckstufenverdichters 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-/Steuerungseinrichtung 40 gelesen. Im
Schritt S6 wird als nächstes
von der Regelungs-/Steuerungseinrichtung 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
geöff net
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 Brennkraftmaschinendrehzahl 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-/Steuerungseinrichtung 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-/Steuerungseinrichtung 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-/Steuerungseinrichtung 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 der mehrstufigen Aufladeeinrichtung
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
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 voll ständig
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
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 eine mehrstufige Aufladeeinrichtung 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.