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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung eines
Dieselmotors, der einen Turbolader mit variabler Geometrie aufweist.
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Herkömmlicherweise
ist es in einem Dieselmotor sehr wichtig, eine Luftansaugmenge soweit wie
möglich
zu erhöhen,
um eine Leistungsabgabe pro Hub zu vergrößern. Deshalb verwenden viele Dieselmotoren
Turbolader mit variabler Geometrie (Turbolader mit variabler Düse), um
eine genaue Steuerung der Ansaugluftmenge durchzuführen.
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Der
Turbolader mit variabler Geometrie hat am Einlass einer Abgasturbine
eine variable Düse und
steuert die variable Düse
durch einen Aktuator, um den Düsenöffnungsgrad
zu variieren. Wenn der Aktuator unpassend gesteuert wird, erhöht sich
ein Ladedruck übermäßig und
eine Turboladerdrehzahl (eine Drehzahl der Abgasturbine und eines
Verdichters) erreicht eine Überdrehzahl.
Dies hat negative Auswirkungen auf den Turbolader.
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Als
Lösung
für das
vorstehende Problem wird in JP H10-503569 A (Patentdokument 1) und JP H05-280365
A (Patentdokument 2) ein Verfahren zur Sicherheit im Fehlerfall
beschrieben, bei dem die Turboladerdrehzahl verringert wird, wenn
sich der Ladedruck unnormal erhöht.
Das Verfahren zur Sicherheit im Fehlerfall, das in den Patentdokumenten
1 und 2 beschrieben wird, verringert eine Einspritzmenge, um die
Leistungsabgabe des Motors zu begrenzen, wenn sich der Ladedruck
unnormal erhöht.
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Folglich
wird eine Abgasmenge, welche zur Abgasturbine zugeführt wird,
verringert und die Turboladerdrehzahl wird verringert.
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Selbst
wenn jedoch das vorstehende Verfahren zur Sicherheit im Fehlerfall
die Leistungsabgabe begrenzt, indem die Einspritzmenge verringert
wird, setzt sich ein Zustand fort, bei dem eine Motordrehzahl hoch
ist (beispielsweise ein Ausrollzustand, bei dem ein Gang eingelegt
ist). Deshalb nimmt es Zeit in Anspruch, bis der Ladedruck tatsächlich abnimmt, nachdem
die Einspritzmenge verringert wird. Somit besteht die Möglichkeit,
dass ein ausreichender Effekt zum Schützen des Turboladers nicht
erreicht werden kann.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Steuervorrichtung
für einen
Dieselmotor bereitzustellen, um eine Turboladerdrehgeschwindigkeit
daran zu hindern eine Überdrehzahl
zu erreichen, um den Turbolader zu schützen, indem eine Abgasenergie,
die an eine Abgasturbine angelegt wird, schnell verringert wird,
wenn ein unnormaler Anstieg eines Ladedrucks erfasst wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein Dieselmotor einen Turbolader
mit variabler Geometrie zum Druckbeaufschlagen einer Ansaugluft
unter Verwendung von Abgasenergie, einen Abgasrückführkanal zum Rückführen eines
Teils des Abgas in ein Luftansaugsystem und ein Abgasrückführventil
zum Regulieren einer Menge des Abgases, welches durch den Abgasrückführkanal strömt. Eine
Steuervorrichtung des Dieselmotors hat eine Schutzeinrichtung zum
Ausführen
einer Turboladerschutzsteuerung zum Schützen des Turboladers wenn ein
durch den Turbolader erzeugter tatsächlicher Ladedruck einen vorherbestimmten
zulässigen Obergrenzenladedruck übersteigt.
Die Schutzeinrichtung führt
eine Steuerung zum Erhöhen
eines Öffnungsgrads
des Abgasrückführventils
in der Turboladerschutzsteuerung durch.
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Bei
dem vorstehenden Aufbau wird der Öffnungsgrad des Abgasrückführventils
erhöht
oder voll geöffnet,
wenn der tatsächliche
Ladedruck den zulässigen
Obergrenzenladedruck übersteigt.
Folglich nimmt eine Menge an Abgas, welches in das Ansaugsystem über den
Abgasrückführkanal
rückgeführt wird,
zu. Dementsprechend nimmt die Menge an Abgas, welches hin zur Abgasturbine
des Turboladers strömt,
ab und der Verdichtungsbetrieb durch den Verdichter wird unterbunden.
Folglich wird der überhöhte Zustand
des Ladedrucks eliminiert. Wenn insbesondere das Abgasrückführventil
vollständig
offen ist, kann die Menge an Abgas, welches zur Abgasturbinenseite
strömt,
schnell verringert werden. Folglich kann der überhöhte Zustand des Ladedrucks schnell
eliminiert werden. Infolgedessen kann eine Turboladerdrehzahl daran
gehindert werden eine Überdrehzahl
zu erreichen und der Turbolader kann geschützt werden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung verringert oder eliminiert
die Schutzeinrichtung in der Turboladerschutzsteuerung eine Einspritzmenge
des Kraftstoffs, der in einen Zylinder des Motors eingespritzt wird.
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Wenn
die Steuerung zur Erhöhung
des Öffnungsgrads
des Abgasrückführventils
ausgeführt wird,
wenn der tatsächliche
Ladedruck den zulässigen
Obergrenzenladedruck übersteigt,
steigt die Abgasmenge, welche in das Luftansaugsystem rückgeführt wird,
an. Infolgedessen nimmt die Sauerstoffkonzentration innerhalb des
Zylinders ab. Wenn deshalb die Einspritzmenge, die vor der Steuerung
des Öffnungsgrads
des Abgasrückführventils
bereitgestellt wird, ebenso nach der Steuerung des Öffnungsgrads
bereitgestellt wird, besteht die Möglichkeit, dass die Einspritzmenge überhöht ist und
Rauch (Graphit) erhöht
wird. Im Gegensatz dazu verringert oder eliminiert die Schutzeinrichtung
der vorliegenden Erfindung die Einspritzmenge während die Steuerung zur Erhöhung des Öffnungsgrads
des Abgasrückführventils
ausgeführt
wird. Deshalb kann eine überhöhte Einspritzmenge
verhindert werden und die Zunahme von Rauch unterdrückt werden.
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Merkmale
und Vorteile eines Ausführungsbeispiels
sowie Verfahren des Betriebs und die Funktion zugehöriger Bauteile
werden aus einem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung,
den beigefügten
Ansprüchen
und den Zeichnungen ersichtlich, die alle einen Teil dieser Anmeldung
darstellen. In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
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1 ist
ein schematisches Schaubild, welches ein Luftsystem eines Dieselmotors
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches eine Turboladerschutzsteuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel
darstellt; und
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3 ist
ein Zeitdiagramm, welches einen Steuerbetrieb gemäß diesem
Ausführungsbeispiel darstellt.
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Bezugnehmend
auf 1 ist ein Luftsystem eines Dieselmotors gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Der
Dieselmotor, der in 1 dargestellt ist, hat Injektoren 2,
die an Zylinderköpfe
der entsprechen Zylinder 1 montiert sind. Hochdruckkraftstoff, der
von einem Common-Rail
zugeführt
wird, wird in Brennräume 1a innerhalb
der Zylinder 1 über
die Injektoren 2 zugeführt.
Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 3 steuert eine Einspritzzeit
und eine Einspritzmenge der Injektoren 2 basierend auf
einer Drehzahl und einer Last (Gaspedalposition) des Dieselmotors
und dergleichen.
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Der
Dieselmotor der in 1 dargestellt ist, hat eine
EGR-Vorrichtung (eine Abgasrückführvorrichtung)
zum Rückführen eines
Teils des Abgases in einen Ansaugkanal 4 und einen Turbolader
mit einer variablen Geometrie (ein Turbolader mit variabler Düse). Eine
Drossel 5 zum Regulieren einer Luftansaugmenge ist im Ansaugkanal 4 angeordnet.
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Die
EGR-Vorrichtung hat einen EGR-Kanal 7 zum Verbinden eines
Abgaskanals 6 mit dem Ansaugkanal 4 und ein EGR-Ventil 8,
das im EGR-Kanal 7 angeordnet ist. Die EGR-Vorrichtung ändert einen Öffnungsgrad
des EGR-Ventils 8, um eine Menge des Abgases zu verändern, welches
durch den EGR-Kanal 7 strömt (eine
EGR-Gasmenge). Eine Kühlervorrichtung 9 der
Wasserkühlbauart
ist im EGR-Kanal 7 angeordnet, um das EGR-Gas (das Abgas,
welches durch den EGR-Kanal 7 strömt) zu kühlen, indem es einen Wärmeaustausch
mit dem Kühlwasser
durchführt.
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Der
Turbolader hat eine Abgasturbine 10, die im Abgaskanal 6 stromabwärts einer
Endverbindung des EGR-Kanals 7 angeordnet ist und einen
Verdichter 11, der im Ansaugkanal 4 stromaufwärts der
anderen Endverbindung des EGR-Kanals 7 angeordnet ist.
Wenn die Abgasturbine 10 durch Energie des Abgases, welches
von den Zylindern 1 ausgestoßen wird, gedreht wird, dreht
der Verdichter 11, der koaxial mit der Abgasturbine 10 verbunden
ist und druckbeaufschlagt die Ansaugluft.
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Der
Turbolader hat eine variable Düse,
die an einer Einlassseite der Abgasturbine 10 angeordnet
ist. Der Turbolader treibt die variable Düse durch einen Aktuator an,
um einen Düsenöffnungsgrad
zu regulieren. Somit kann der Turbolader die Verdichtungseigenschaften ändern.
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Die
ECU 3 steuert die EGR-Gasmenge und den Ladedruck entsprechend
Betriebszuständen
des Dieselmotors, wie beispielsweise der Motordrehzahl und der Einspritzmenge.
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Die
ECU 3 führt
eine EGR-Steuerung zum Einstellen eines Zielwertes eines EGR-Steuerbetrags
(beispielsweise einer Luftansaugmenge, einer Ansaugluftsauerstoffkonzentration,
einer Abgassauerstoffkonzentration, einer EGR-Rate und dergleichen)
basierend auf den Betriebszuständen
des Dieselmotors und zur Regelung des Öffnungsgrads des EGR-Ventils 8 entsprechend
einer Abweichung eines tatsächlichen
EGR-Steuerbetrags vom Zielwert durch.
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Die
ECU 3 führt
eine Ladedrucksteuerung zum Einstellen eines Zielladedrucks basierend
auf den Betriebszuständen
des Dieselmotors und zur Regelung des Öffnungsgrads der variablen
Düse durch
Antreiben des Aktuators entsprechend einer Abweichung eines tatsächlichen
Ladedrucks vom Zielladedruck durch.
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Im
Fall, bei dem der tatsächliche
Ladedruck einer vorherbestimmten zulässigen Obergrenzenladedruck übersteigt,
wird die Turboladerschutzsteuerung, die in
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2 dargestellt
ist, zum Schutz des Turboladers ausgeführt. Der tatsächliche
Ladedruck wird durch einen Ladedrucksensor 12, der an den
Ansaugkanal 4 montiert ist gemessen und zur ECU 3 ausgegeben.
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Als
nächstes
wird die Turboladerschutzsteuerung, die durch die ECU 3 des
Ausführungsbeispiels ausgeführt wird,
basierend auf einem Blockdiagramm, das in 2 dargestellt
ist, erklärt.
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Bei
der Turboladerschutzsteuerung, die durch die ECU 3 ausgeführt wird,
werden die zulässigen
Obergrenzenladedrücke
zweier Stufen eingestellt. Insbesondere wird die Turboladerschutzsteuerung
ausgeführt,
wenn der tatsächliche
Ladedruck einen ersten zulässigen
Obergrenzenladedruck übersteigt
und wird ausgeführt
wenn der tatsächliche
Ladedruck einen zweiten zulässigen
Obergrenzenladedruck übersteigt.
Der erste und zweite zulässige Obergrenzenladedruck
SP1, SP2 wird jeweils durch eine erste und zweite Einstelleinrichtung 101, 102, die
in 2 dargestellt sind, entsprechend den Betriebszuständen des
Dieselmotors (der Motordrehzahl NE und der Einspritzmenge Q) basierend
auf dreidimensionalen Zuordnungen eingestellt, deren Parameter die
Motordrehzahl NE, die Einspritzmenge Q und die zulässigen Obergrenzenladedrücke SP1,
SP2 sind.
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Eine
erste Vergleichseinrichtung 103 vergleicht den tatsächlichen
Ladedruck SP mit dem ersten zulässigen
Obergrenzenladedruck SP1. Beim Vergleich wird eine Hysterese α1 (beispielsweise 5kPa)
eingestellt, um ein Steuerungsnacheilen zu verhindern. Wenn bestimmt
wird, dass der tatsächliche
Ladedruck SP größer als
der erste zulässige Obergrenzenladedruck
SP1 ist, führt
die erste Schutzeinrichtung 105 die erste Schutzsteuerung
aus. Bei der ersten Schutzsteuerung wird die Einspritzmenge Q des
Injektors 2 begrenzt und der Düsenöffnungsgrad des Turboladers
wird auf einen Vollöffnungsgrad
gesteuert.
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Eine
zweite Vergleichseinrichtung 104 vergleicht den tatsächlichen
Ladedruck SP mit dem zweiten zulässigen
Obergrenzenladedruck SP2. Im Vergleich wird eine Hysterese α2 (beispielsweise 5kPa)
eingestellt, um das Steuerungsnacheilen zu verhindern. Wenn bestimmt
wird, dass der tatsächliche
Ladedruck SP größer als
der zweite zulässige Obergrenzenladedruck
SP2 ist, führt
die zweite Schutzeinrichtung 106 eine zweite Schutzsteuerung aus.
Die zweite Schutzsteuerung wird ausgeführt, wenn der tatsächliche
Ladedruck SP ansteigt und den zweiten zulässigen Obergrenzenladedruck
SP2 übersteigt,
selbst wenn der Düsenöffnungsgrad
des Turboladers in der ersten Schutzsteuerung in den Vollöffnungsgrad
gesteuert wird. Bei der zweiten Schutzsteuerung wird die Einspritzmenge
Q des Injektors 2 eliminiert und das EGR-Ventil 8 wird
so gesteuert, dass es in einem vollständig geöffneten Zustand ist. Der tatsächliche
Ladedruck SP steigt weiterhin an, selbst nachdem der Düsenöffnungsgrad des
Turboladers in den Vollöffnungsgrad
gesteuert wurde, da das Ansprechen des Turboladers langsam ist.
Genauer, da die Abgasturbine 10 und der Verdichter 11 des
Turboladers durch Massenträgheit gedreht
werden, dauert es eine Zeit, bis der Ladedruck abnimmt, selbst wenn
der Düsenöffnungsgrad
in einen Vollöffnungsgrad
gebracht wird. Deshalb besteht die Möglichkeit, dass der tatsächliche
Ladedruck SP den zweiten zulässigen
Obergrenzenladedruck SP2 übersteigt,
bevor der tatsächliche
Ladedruck SP abnimmt.
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Als
nächstes
wird eine zweite Schutzsteuerung basierend auf einem Zeitdiagramm,
das in 3 darstellt ist, erklärt.
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Die
ECU 3 liest den tatsächlichen
Ladedruck SP, der durch den Ladedrucksensor 12 gemessen wird.
Wenn zu einem Zeitpunkt t1 der tatsächliche Ladedruck SP, der durch
eine Volllinie c in 3 dargestellt ist, den zweiten
zulässigen
Obergrenzenladedruck SP2 übersteigt,
schaltet die ECU 3 einen Turboladerschutzsteuerungsbittschalter
(FLAG) ein, wie durch eine Volllinie e in 3 dargestellt
und stellt einen eingebauten Zeitzähler auf eine vorherbestimmte
Zeit (beispielsweise eine Sekunde). Folglich startet die ECU 3 sofort
die zweite Schutzsteuerung. Folglich wird die Einspritzmenge Q eliminiert,
wie durch eine Volllinie b dargestellt und der Öffnungsgrad OE des EGR-Ventils 8,
welches bis zum Zeitpunkt t1 geregelt wird, wird in den Vollöffnungsgrad gesteuert,
wie durch eine Volllinie f in 3 dargestellt.
Eine gestrichelte Linie C' in 3 kennzeichnet den
Zielladedruck.
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Wenn
das EGR-Ventil 8 in den vollständig geöffneten Zustand gesteuert wird,
nimmt die EGR-Gasmenge, die im Ansaugkanal 4 über den EGR-Kanal 7 rückgeführt wird,
rapide zu. Dementsprechend nimmt die Menge an Abgas, welches hin zur
Abgasturbine 10 im Abgaskanal 6 strömt, rapide ab.
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Infolgedessen
nimmt der Abgasdruck, der auf die Abgasturbine 10 wirkt,
stark ab. Folglich nimmt, wie durch eine Volllinie d in 3 dargestellt, die
Turboladerdrehzahl RT rapide ab, ohne eine Obergrenzendrehzahl Rtup
zu übersteigen,
unterhalb der die Zuverlässigkeit
des Turboladers aufrechterhalten werden kann.
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Wenn
das EGR-Ventil 8 in den vollständig geöffneten Zustand gesteuert wird,
nimmt die EGR-Gasmenge, die zum Ansaugkanal 4 rückgeführt wird,
zu. Infolgedessen nimmt eine Sauerstoffkonzentration innerhalb des
Zylinders 1 ab. Wenn deshalb die Einspritzmenge Q, die
vor der Steuerung des Öffnungsgrads
OE des EGR-Ventils 8 bereitgestellt wird ebenfalls nach
der Steuerung des Öffnungsgrads
OE des EGR-Ventils 8 bereitgestellt wird,
besteht die Möglichkeit,
dass die Einspritzmenge Q überhöht ist und
Rauch (Graphit) zunimmt. Im Gegensatz dazu wird in der zweiten Schutzsteuerung das
EGR-Ventil 8 in den vollständig geöffneten Zustand gesteuert und
inzwischen wird die Einspritzmenge Q eliminiert. Somit kann eine Überhöhung der Einspritzmenge
Q verhindert werden und der Anstieg an Rauch kann unterdrückt werden.
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Wenn
der Zeitzähler
auf die eingestellte Zeit (eine Sekunde) bei einem Zeitpunkt t2,
der in 3 dargestellt ist, zählt, wird der Turboladerschutzsteuerungsbittschalter
(FLAG) ausgeschaltet und die zweite Schutzsteuerung beendet.
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Danach
wird das EGR-Ventil 8 auf den Ventilöffnungsgrad geregelt, der bei
der EGR-Steuerung angewiesen wurde, wie durch die Volllinie f dargestellt.
Die Einspritzmenge Q wird fortschreitend auf eine Anweisungseinspritzmenge
zurückgebracht,
die bei der gewöhnlichen
Einspritzmengensteuerung angewiesen wird, wie durch die Volllinie
b dargestellt. Entsprechend der Veränderung der Einspritzmenge Q
verändert
sich die Motordrehzahl NE fortschreitend, wie durch eine Volllinie
a in 3 dargestellt.
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Als
nächstes
werden Wirkungen des Ausführungsbeispiels
erklärt.
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Bei
der zweiten Schutzsteuerung des vorliegenden Ausführungsbeispiels
wird das EGR-Ventil 8, sofort wenn der tatsächliche
Ladedruck SP den zweiten zulässigen
Obergrenzenladedruck SP2 übersteigt,
in den vollständig
geöffneten
Zustand gesteuert. Folglich kann die Abgasenergie, die an die Abgasturbine 10 angelegt
wird, stark verringert werden. Infolgedessen kann der überhöhte Zustand
des Ladedrucks SP schnell eliminiert werden und die Turboladerdrehzahl
RT kann daran gehindert werden, eine Überdrehzahl zu erreichen. Somit
kann der Turbolader geschützt
werden. Die Überdrehzahl
wird erreicht, wenn die Turboladerdrehzahl RT die Obergrenzendrehzahl
RTup übersteigt,
unterhalb der die Zuverlässigkeit
des Turboladers aufrechterhalten werden kann.
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Die
Einspritzmenge Q wird eliminiert während das EGR-Ventil 8 in
den vollständig
geöffneten Zustand
gesteuert wird. Deshalb kann der Überschuss bei der Einspritzmenge
Q verhindert werden und die Zunahme an Rauch kann unterbunden werden.
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Des
Weiteren wird die Einspritzmenge Q fortschreitend wiederhergestellt
nachdem die zweite Schutzsteuerung beendet wird. Somit kann eine schnelle
Veränderung
in der Leistungsabgabe des Motors verhindert werden. Deshalb kann
die Gefahr, die mit der schnellen Beschleunigung eines Fahrzeugs
einhergeht, umgangen werden und eine Verschlechterung des Fahrverhaltens
kann verhindert werden.
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Wenn
eine Maschinenfehlfunktion des Turboladers auftritt (wenn beispielsweise
die variable Düse
blockiert) kann das Verfahren (die erste Schutzsteuerung) zum Steuern
der variablen Düse
in den vollständig
geöffneten
Zustand nicht die variable Düse
steuern und kann nicht die unnormale Erhöhung des Ladedrucks SP eliminieren.
Im Gegensatz dazu wird bei der zweiten Schutzsteuerung das EGR-Ventil 8 in
den vollständig
geöffneten
Zustand gesteuert. Deshalb kann selbst wenn der Turbolader kaputt
wird, die zweite Schutzsteuerung die unnormale Erhöhung des
Ladedrucks SP eliminieren.
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(Modifikationen)
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In
dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird
als Turboladerschutzsteuerung die zweite Schutzsteuerung in dem
Fall ausgeführt,
in dem die unnormale Erhöhung
des Ladedrucks SP nicht durch die erste Schutzsteuerung eliminiert
werden kann. Alternativ kann die erste Schutzsteuerung gestrichen werden
und es kann lediglich die zweite Schutzsteuerung ausgeführt werden.
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In
der zweiten Schutzsteuerung wird die Einspritzmenge Q eliminiert
und das EGR-Ventil 8 wird in den vollständig geöffneten Zustand gesteuert.
Alternativ kann lediglich die Steuerung zum vollständigen Öffnen des
EGR-Ventils 8 ausgeführt
werden, um die unnormale Erhöhung
des Ladedrucks SP zu eliminieren. Insbesondere kann die Steuerung
zum Eliminieren der Einspritzmenge Q in der zweiten Schutzsteuerung
weggelassen werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
wird die zweite Schutzsteuerung für die Zeit ausgeführt (beispielsweise
eine Sekunde), die durch den Zeitzähler eingestellt wurde. Anstatt
dem Einstellen der Zeit zum Ausführen
der zweiten Schutzsteuerung unter Verwendung des Zeitzählers kann
die zweite Schutzsteuerung bei einem Zeitpunkt enden, wenn der tatsächliche
Ladedruck SP um einen vorherbestimmen Wert niedriger wird als der
zweite zulässige
Obergrenzenladedruck SP2.
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Die
vorliegende Erfindung sollte nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel
begrenzt sein, sondern kann auf einige andere Arten umgesetzt werden,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.
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Eine
elektronische Steuereinheit (3) führt eine zweite Schutzsteuerung
zum Schützen
eines Turboladers aus, wenn ein tatsächlicher Ladedruck einen vorherbestimmten
zweiten zulässigen
Obergrenzenladedruck übersteigt.
In der zweiten Schutzsteuerung wird eine Einspritzmenge eliminiert
und ein Öffnungsgrad
eines Abgasrückführventils
(einem EGR-Ventil) (8) wird in einen Vollöffnungsgrad
gesteuert. Folglich steigt eine EGR-Gasmenge, die in einen Ansaugkanal
(4) über
einen EGR-Kanal (7) rückgeführt wird,
schnell an und eine Abgasenergie, die an einer Abgasturbine (10)
des Turboladers angelegt wird nimmt stark ab. Dementsprechend wird ein überhöhter Zustand
des Ladedrucks schnell eliminiert und eine Turboladerdrehzahl wird
daran gehindert eine Überdrehzahl
zu erreichen. Folglich kann der Turbolader geschützt werden.