DE102007024119A1 - Turboladersteuersystem - Google Patents

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Abstract

Ein System zur Steuerung des Ladedruckes auf unterschiedlichen Betriebshöhen eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors weist ein Auslassventil, eine Betätigungsvorrichtung und eine Steuervorrichtung auf. Signale, die von einem Motordrehzahlsensor, von einem Ladedruckwandler, von einem barometrischen Drucksensor bzw. Außendrucksensor und einem Turboladerdrehzahlsensor geliefert werden, werden in der Steuervorrichtung verarbeitet. Ein Steuersignal, welches von der Steuervorrichtung zur Betätigungsvorrichtung geliefert wird, steuert die Position des Auslassventils, die Überleitung von Abgasen und die Drehzahl des Turboladers. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um die Turboladerdrehzahl mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und das Steuersignal basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf ein Turboladersteuersystem und insbesondere auf ein Steuersystem zur Steuerung der Luftmenge, die von dem Turbolader zu einem Verbrennungsmotor auf unterschiedlichen Betriebshöhen des Motors geliefert wird.
  • Hintergrund
  • Turboaufgeladene Motoren der Bauart, die typischerweise bei Geländelastwägen verwendet wird, haben oft ein pneumatisch betätigtes Auslassventil bzw. Ableitungsventil zur Steuerung der Turboladerdrehzahl und somit des Ladedruckes, der zur Einlasssammelleitung des Motors geliefert wird. Das Auslassventil ist normalerweise in dem Auslasssystem des Motors angeordnet und steuert die Drehzahl des Turboladers durch Modifizieren des Volumens der Abgase, die zum Turbinenabschnitt des Turboladers geleitet werden.
  • Das US-Patent 4,697,421 vom 6. Oktober 1987 von Yutaka Otobe u.A. offenbart ein Auslassventil zum Umleiten eines Motorabgasflusses von dem Turbinenabschnitt und zur Steuerung des Ladedruckes dadurch. Das Auslassventil wird durch eine pneumatische Betätigungsvorrichtung bewegt, die durch ein Steuerventil gesteuert wird, welches den Auslassventilöffnungsdruck variiert, und zwar basierend auf dem Ladedruck und der Einlasssammelleitungstemperatur. Das Halten des Ladedruckes auf einem Zieldruck kann die Motorbetriebsbedingungen verbessern und das Motorklopfen auf einer gegebenen Höhe verringern. Da es jedoch keine Kompensation für den Betrieb auf unterschiedlichen Höhen gibt, kann jedoch der Verlust der Aufladung bei hohen Höhen und eine übermäßige Aufladung bei niedrigeren Höhen und Umgebungstemperaturen auftreten. Der optimale Betrieb für den Motor wird nicht erreicht.
  • Auslassventile sind beim Schützen des Motors vor einer übermäßigen Aufladung (Spitzenzylinderdruck) bei niedrigen Höhen (Umgebungstemperaturen) erfolgreich gewesen, konnten jedoch nicht in Situationen erfolgreich verwendet werden, wo eine präzise Modulation des Auslassventils erforderlich ist. Strömungsmittelbetriebene Auslasssteuersysteme des Standes der Technik haben unzureichendes Ansprechen und unzureichende Genauigkeit, die für eine gute Modulation erforderlich sind. Um ein höheres Ausmaß an Optimierung eines Auslassventilbetriebes vorzusehen, muss daher ein schneller ansprechendes und genaueres Steuersystem vorgesehen werden.
  • Um die Auslasssteuerung zu optimieren, um niedrigere Abgastemperaturen aufrechtzuerhalten, und um das richtige Ausmaß einer Aufladung bei verschiedenen Luftdichten vorzusehen (bei unterschiedlichen Höhen und unterschiedlichen Umgebungslufttemperaturen) ist es nötig, ein Steuersystem vorzusehen, welches verschiedene in Beziehung stehende Steuerparameter berücksichtigt. Gegenwärtig ist ein solches Steuersystem noch nicht vorhanden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Steuersystem zur Steuerung des Turboladeraufladungsdruckes eines Verbrennungsmotors bei verschiedenen unterschiedlichen Höhen wird vorgesehen Der Motor hat eine Einlasssammelleitung und eine Auslasssammelleitung, die jeweils mit einem Kompressorabschnitt und einem Turbinenabschnitt eines Turboladers verbunden sind. Ein Auslassventil, welches zwischen der Auslasssammelleitung und dem Turbinenabschnitt angeschlossen ist, ist bewegbar zwischen einer offenen Position, in der ein Strömungsmittelfluss, der aus dem Motor ausgestoßen wird, frei an der Turbine vorbeilaufen kann, und einer geschlossenen Position, in der ein Strömungsmittelfluss, der vom Motor ausgestoßen wird, davon abgehalten wird, an der Turbine vorbeizulaufen. Ein erster Sensor fühlt die Drehzahl des Motors ab und liefert ein darauf ansprechendes Drehzahlsignal. Ein zweiter Sensor fühlt einen Lade druck des Motors ab und liefert ein darauf ansprechendes Lade- bzw. Ladedrucksignal. Ein dritter Sensor fühlt eine Zahnstangenposition des Motors ab und liefert ein darauf folgendes Zahnstangenpositionssignal. Ein vierter Sensor fühlt einen barometrischen Druck ab und liefert ein darauf ansprechendes barometrisches Drucksignal. Ein fünfter Sensor fühlt eine Drehzahl des Turboladers ab und liefert ein darauf ansprechendes Turboladerdrehzahlsignal. Eine Steuervorrichtung, die mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Sensoren verbunden ist, nimmt die Drehzahl, den Ladedruck, die Zahnstangen- bzw. Brennstoffzumessposition (Rack-Position) und die barometrischen Drucksignale ab, bestimmt einen Ladedruckfehler, basierend auf dem Drehzahlsignal, dem Ladedrucksignal, dem Rack- bzw. Zahnstangenpositionssignal und dem barometrischen Drucksignal, und liefert ein darauf ansprechendes Steuersignal. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um die Turboladerdrehzahl mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und das Steuersignal basierend auf dem Vergleich zu bestimmen. Eine Betätigungsvorrichtung nimmt das Steuersignal auf, bewegt darauf ansprechend das Auslassventil zu einer der offenen und geschlossenen Positionen und verändert die Größe des Ladedruckes, der vom Turbolader zur Einlasssammelleitung des Motors geliefert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels, welches einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor, ein Abgas- bzw. Auslassventil und ein Steuersystem zur Steuerung des Auslassventils zeigt;
  • 2 ist ein Flussdiagramm, welches die Steuersystemsteuerlogik gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt;
  • 3 ist eine Kurvendarstellung, die die Ladedruckversetzung gegenüber der Höhe bei einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt,
  • 4 ist eine Kurvendarstellung, die den Soll-Ladedruck gegenüber der Höhe bei einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt;
  • 5 ist eine Kurvendarstellung, die die Turboladerdrehzahl gegenüber der Höhe bei einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt;
  • 6 ist eine Kurvendarstellung, die die Abgastemperatur gegenüber der Höhe bei einer Motordrehzahl von 1750 U/min zeigt;
  • 7 ist ein dreidimensionales Ladedruckkennfeld mit Ladedruck, Motordrehzahl und Rack- bzw. Zahnstangenposition als Koordinaten; und
  • 8 ist ein Flussdiagramm, welches die Steuersystemsteuerlogik gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 ist ein Steuersystem 10 zur Steuerung des Ladedruckes eines Turboladers 12 eines Verbrennungsmotors 14, beispielsweise eines Dieselmotors, auf verschiedenen unterschiedlichen Höhen gezeigt. Der Motor 14 hat eine Einlasssammelleitung 16 und eine Auslasssammelleitung 18, die jeweils mit einem Kompressorabschnitt 20 und einem Turbinenabschnitt 22 des Turboladers 12 verbunden sind. Der Turbolader 12 des speziellen Ausführungsbeispiels besteht aus zwei Turboladern, die in Reihe verbunden sind, einem Niederdruckturbolader 24 und einem Hochdruckturbolader 26, die jeweils einen Kompressorabschnitt 20 und einen Turbinenabschnitt 22 haben. Wie in der Technik wohl bekannt ist, sind, um einen vollen Bereich von Motorbetriebsanforderungen abzudecken, wie beispielsweise unterschiedliche Höhen und Temperaturen, die die Ladedruckanforderungen des Motors beeinflussen, oft zwei Turbolader vorgesehen.
  • Ein Auslass- bzw. Abgasventil 28, welches zwischen der Auslasssammelleitung 18 und dem Turbinenabschnitt 22 angeschlossen ist, ist bewegbar zwischen einer offenen Position 30, in der ein Strömungsmittelfluss, der aus dem Motor 14 ausgestoßen wird, frei an der Turbine 22 vorbeilaufen kann, und einer geschlossenen Position 32, in der ein Strömungsmittelfluss, der vom Motor 14 ausgestoßen wird, davon abgehalten wird, an der Turbine 22 vorbeizulaufen. Das Auslassventil 28 leitet einen Abgasströmungsmittelfluss in der offenen Position und in Positionen zwischen der offenen Position 30 und der geschlossenen Position 32 vorbei. Da das Auslassventil stufenlos variabel ist, bestimmen Positionen zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position unterschiedliche Bypass- bzw. Überleitungscharakteristiken. Es sei bemerkt, dass in der geschlossenen Position 32 das Auslassventil 28 nicht vollständig geschlossen sein kann, und dass ein Teil der Abgase an dem Turbinenabschnitt 22 vorbeilaufen kann. In ähnlicher Weise kann in der offenen Position das Auslassventil 28 nicht vollständig offen sein, um alle Abgase vorbeizuleiten. Die offenen und geschlossenen Positionen können mit zwei unterschiedlichen Zumessöffnungsgrößen verbunden sein, wobei Zwischenzumessöffnungsgrößen an Stellen dazwischen vorgesehen sind.
  • Das Abgasventil 28 ist derart gezeigt, dass es eine linear bewegbare Scheibe 34 und einen festen Sitz 36 hat, jedoch sind andere Konfigurationen, wie beispielsweise ein Butterfly- bzw. Drossel- und Klappenventile äquivalente Ausführungen und innerhalb des Umfangs der Offenbarung. Das Auslassventil 28 ist in einer Bypass- bzw. Überleitungsleitung 38 angeordnet, die in die Auslassleitung 40 zwischen der Auslasssammelleitung 18 und dem Turbinenabschnitt 22 eingefügt ist. Die Überleitungsleitung 38 ist mit der Auslasssammelleitung 18 parallel mit dem Turbinenabschnitt 22 verbunden. Abgase, die von dem Auslassventil 28 umgeleitet werden, werden durch die Bypass- bzw. Überleitungsleitung zum Schalldämpfer 42 geleitet, der in der Abgasleitung angeordnet ist.
  • Auslasssensormittel 31 können verwendet werden, um zu bestimmen, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet. Beispielsweise fühlen die Auslasssensormittel 31 die Position des Auslassventils 28 ab und liefern ein entsprechendes Signal über einen Leiter 33, der zwischen dem Auslassventil 28 und den Steuermitteln 58 angeschlossen ist. Die Steuermittel 58 können bestimmen, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, und zwar basierend auf einem Vergleich der Position des Auslassventils 28 und einem Steuersignal, welches verwendet wird, um das Auslassventil 28 zu positionieren.
  • Erste Mittel 44 fühlen die Drehzahl der Kurbelwelle 46 des Motors 14 ab und liefern ein darauf ansprechendes digitales Drehzahlsignal über einen Leiter 48. Die ersten Mittel 44 können irgendeinen geeigneten Wandler aufweisen, beispielsweise einen Magnetaufnehmer und ein benachbartes Zahnrad. Der Wandler ist mit dem Motor verbunden und das Zahnrad ist an der Motorkurbelwelle 46 befestigt.
  • Zweite Mittel 50 fühlen den Ladedruck des Motors ab und liefern ein darauf ansprechendes Ladedrucksignal über den Leiter 52. Die zweiten Mittel 50 können einen Druckwandler von irgendeiner geeigneten kommerziell verfügbaren Bauart aufweisen, die mit der Einlasssammelleitung 16 verbunden ist und darin angeordnet ist. Das Ladedrucksignal ist analog und entspricht bezüglich der Größe dem Ladedruck an der Einlasssammelleitung.
  • Dritte Mittel 54 fühlen eine Zahnstangen- bzw. Einspritzmengenposition (Rack-Position) des Motors ab und liefern ein darauf ansprechendes Zahnstangenpositionssignal über den Leiter 56. Dem Fachmann sagt der Ausdruck Zahnstange bzw. Rack, wenn er in Verbindung mit Verbrennungsmotoren verwendet wird, die elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtungen haben, dass dies eine ausgewählte Menge an Brennstoff anzeigt, die zum Motor geliefert wird. Diese ausgewählte Brennstoffmenge basiert beispielsweise auf einer Bedienereingabe. Die dritten Mittel 54 können eine Bedienerbefehlseingabevorrichtung der analogen oder digitalen Bauart aufweisen. Beispielsweise kann die Position auf einer Bedienereingabe eines Hebels oder eines Pedals basieren, die mit einem Potentiometer oder einem Encoder bzw. einem Codierer verbunden ist. Die analoge oder digitale Vorrichtung richtet die Motorleistung ein, die vom Fahrzeugbediener angefordert wird, und weist Steuermittel 58 an, eine Motorzahnstangenposition einzurichten. Es sei bemerkt, dass das Zahnstangenpositionssignal direkt von den Steuermitteln erhalten werden kann. Dies ist äquivalent und innerhalb des Kerns der Bedeutung der dritten Mittel 54.
  • Vierte Mittel 60 fühlen einen barometrischen Druck bzw. Außendruck der Motorumgebung ab und liefern ein darauf ansprechendes barometrisches Drucksignal entweder von analoger oder von digitaler Art über den Leiter 62. Die vierten Mittel 60 können irgendeinen geeigneten kommerziell erhältlichen barometrischen Drucksensor aufweisen. Wie dies dem Fachmann bekannt ist, variiert der barometrische Druck bzw. Außendruck mit der Höhe und ist somit proportional dazu. Das barometrische Drucksignal kann aus Verarbeitungsgründen in eine Höhe umgewandelt werden.
  • Fünfte Mittel 61 fühlen eine Drehzahl des Turboladers 12 und liefern ein darauf ansprechendes Turboladerdrehzahlsignal über den Leiter 63. Die fünften Mittel 61 können einen oder mehrere geeignete Drehzahlsensoren aufweisen, die mit dem Turbolader 12 verbunden sind. Alternativ können die fünften Mittel 61 ein oder mehrere virtuelle Sensoren aufweisen, um einen Turboladerdrehzahlwert basierend auf Werten von Eingangsparametern zu erzeugen, die von einem oder mehreren physischen Sensoren abgefühlt werden.
  • Ein Brennstoffeinspritzsystem 64, welches eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 66 von irgendeiner geeigneten Konstruktion aufweist (von denen nur eine gezeigt ist) verteilt Brennstoff zum Antrieb des Motors 14. Das Brennstoffeinspritzsystem 66 ist mit den Steuermitteln 58 über den Leiter 68 und unter elektronischer Steuerung davon verbunden. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 66 werden vorzugsweise durch kommerziell erhältliche elektrohydraulische Ventile 70 gesteuert (von denen nur eins gezeigt ist), die Signalen entsprechen, die von den Steuermitteln 58 geliefert werden. Die Einspritzvorrichtungen liefern Brennstoff zum Motor basierend auf Steuersignalen von den Steuermitteln 58.
  • Die Steuermittel 58 sind mit den ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Abfühlmitteln 44, 50, 54, 60 und 61 über Leiter 48, 52, 56, 62 und 63 zum Aufnehmen des Motordrehzahlsignals, des Ladedrucksignals, des Rack- bzw. Zahnstangenpositionssignals und des barometrischen Drucksignals oder des Turboladerdrehzahlsignals verbunden. Die Steuermittel 58 weisen einen Prozessor 72, einen Speicher 74 und einen Analog/Digital-Wandler 76 auf, um Analogsignale umzuwandeln, falls erforderlich, und einen Treiber 78 zum Antreiben von Betätigungsvorrichtungsmitteln 80. Die Steuermittel 58 sprechen auf diese Steuersignale zur Bestimmung eines Ladedruckfehlers an, und zwar basierend auf dem Drehzahlsignal, dem Ladedrucksignal, dem Zahnstangenpositionssignal und dem barometrischen Drucksignal oder dem Turboladerdrehzahlsignal, und sie liefern ein darauf ansprechendes Steuersignal.
  • Die Betätigungsvorrichtungsmittel 80 nehmen das Steuersignal über den Leiter 82 auf, der zwischen den Steuermitteln und den Betätigungsvorrichtungsmitteln 80 angeschlossen ist, und bewegen darauf ansprechend das Auslassventil 28 zu einer der offenen und geschlossenen Positionen und verändern dadurch das Ausmaß des Ladedruckes, welches vom Turbolader 12 zur Einlasssammelleitung 16 des Motors 14 geliefert wird.
  • Wie am Besten in 2 zu sehen, ist die Logik zur Steuerung des Auslassventils 28 detailliert gezeigt. Der Prozessor 72 bestimmt beispielsweise den Ladedruck durch Auswahl eines Ladedruckwertes aus einer Ladedruckkarte bzw. einem Ladedruckkennfeld 150 (oder einer Nachschautabelle) basierend auf den Motordrehzahl- und Zahnstangenpositionssignalen.
  • Die Steuervorrichtung 72 bestimmt eine Ladedruckversetzung, beispielsweise durch Auswahl eines Ladedruckversetzungswertes bzw. Ladedruck-Offset-Wertes aus einem Ladedruckversetzungskennfeld 52 (oder aus einer Nachschautabelle) basierend auf der Motordrehzahl und dem barometrischen Druck. Es sei bemerkt, dass der Prozessor den barometrischen Druck in Höhe umwandeln kann. In solchen Fällen basiert die Ladedruckversetzungskarte auf der Drehzahl und der Höhe.
  • Der Prozessor kombiniert die Ladedruckversetzung und die Ladedruckwerte im Kasten 154, um einen Soll-Ladedruckwert zu erhalten. Der Ladedruckfehler im Kasten 156 wird als eine Differenz zwischen den Ist- und Soll-Ladedruckwerten bestimmt (LadedruckIst – LadedruckSoll = LadedruckFehler). Der tatsächliche Ladedruck bzw. Ist-Ladedruck, Kasten 158, ist der Ladedruck, der von den zweiten Mitteln 50 abgefühlt wird und zum Prozessor 72 geliefert wird. Zusätzliche Informationen bezüglich der Logik der Auslassventilsteuerung werden im Folgenden besprochen.
  • Wie in 3 gezeigt, variiert der Ladedruckversetzungswert bei 1750 U/min, wie von der Kurve 220 gezeigt, mit der Höhe zwischen ungefähr –5 und 65 kPa. Durch eine Betrachtung der Kurve 220, und wie man erwarten kann, ist die Veränderung der Ladedruckversetzung am größten zwischen 5000 und 12500 Fuß. Eine Schar von getrennten Ladedruckversetzungskurven existiert für die anderen Motordrehzahlen. Der Ladedruckversetzungswert im Kasten 152, 2, wird aus einem Ladedruckversetzungskennfeld, aus einer Nachschautabelle oder Ähnlichem für die abgefühlte Motordrehzahl und den barometrischen Druck ausgewählt.
  • Mit Bezug auf 7 ist ein dreidimensionales Ladedruckkennfeld detailliert gezeigt. Der Ladedruckwert für eine spezielle Motordrehzahl und eine Zahnstangenposition kann leicht bestimmt werden. Wie im Kasten 150 gezeigt, wird der Ladedruckwert für eine abgefühlte Motordrehzahl und eine Zahnstangenposition bestimmt, wie beispielsweise aus einem Ladedruckkennfeld, einer Nachschautabelle usw. Der Ladedruckwert wird darauf folgend bei der Bestimmung des Soll-Ladedruckes verwendet.
  • Wie in 4 gezeigt, variiert der Soll-Ladedruckwert bei 1750 U/min, wie von der Kurve 222 gezeigt, mit der Höhe zwischen ungefähr 275–350 kPa. Aus einer Betrachtung der Kurve 222, und wie man erwarten kann, ist die Veränderung der Ladedruckversetzung am größten zwischen 5000 und 12500 Fuß. Eine Schar von getrennten Soll-Ladedruckkurven existiert für die anderen Motordrehzahlen. Der Soll-Ladedruckwert im Kasten 154, 2, wird aus einem Soll-Ladedruckkennfeld, aus einer Nachschautabelle oder Ähnlichem ausgewählt, und zwar basierend auf dem Ladedruck und der Ladedruckversetzung, wie in den Kästen 150 bzw. 152 bestimmt.
  • Wie in den Kurvendarstellungen der 5 und 6 gezeigt, sind die Turboladerdrehzahl und die Motorauslasstemperatur jeweils mit Bezug auf die Höhe aufgezeichnet. Wie in 5 zu sehen, steigt bei einer Motordrehzahl von 1750 U/min die Turboladerdrehzahlkurve 224 mit der Höhe bis ungefähr 7500 Fuß. Steigerungen der Turboladerdrehzahl über 7500 Fuß werden verhindert. In ähnlicher Weise, wie in 6 zu sehen ist, steigt bei einer Motordrehzahl von 1750 U/min die Abgastemperaturkurve 226 mit der Höhe, bis sie sich 12500 Fuß annähert. Wie zu sehen ist, werden Einschränkungen bezüglich der Turboladerdrehzahl und der Motorabgastemperaturen eingerichtet, um eine vorzeitige Abnutzung und einen Schaden am Turbolader und am Motor zu verhindern. Wie oben besprochen, gibt es eine Kurvenschar, die mit den Kurven 224, 226 in Beziehung stehen, für andere Motordrehzahlen.
  • Es sei bemerkt, dass die Steuermittel 58 den Turboladerbetrieb absichern, und zwar indem sie verhindern, dass der Turbolader die Drehzahl- und Temperaturgrenzen überschreitet, auch wenn ein zusätzlicher Ladedruck die Leistung steigern würde.
  • Mit Bezug auf 1 weisen die Betätigungsvorrichtungsmittel eine lineare Betätigungsvorrichtung 84 mit einem zylindrischen rohrförmigen Gehäuse 86, einem Kolben 87 und einer Stange 88 auf, die mit dem Kolben 87 und dem Auslassventil 28 verbunden ist. Die Stange 88 ist axial verschiebbar bewegbar mit dem Gehäuse 86 verbunden. Das Gehäuse 86 hat erste und zweite Enden 90, 92. Die lineare Betätigungsvorrichtung 84 hat eine Membran 94, die mit der Kolbenstange 88 und dem Gehäuse 86 an einer Stelle zwischen den ersten und zweiten Gehäuseenden 90, 92 verbunden ist. Die Membran 94 ist in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse 86 und der Stange 88 und definiert eine Kammer 96 in dem Gehäuse 86. Das erste Ende 90 hat eine abgedichtete Öffnung 98 von ausgewähltem Durchmesser darin. Die Stange 88 hat einen vorgewählten Durchmesser und erstreckt sich durch die Öffnung 98. Der Durchmesser der Stange 88 ist kleiner als der Durchmesser der abgedichteten Öffnung 98 und definiert ein vorbestimmtes Spiel dazwischen. Das vorbestimmte Spiel definiert einen gesteuerten Leckagepfad zwischen der Kammer 96 und der Atmosphäre. Eine Feder 100 ist vorgesehen, um das Auslassventil zu einer vorbestimmten Neutralposition hin zu drücken. Die Neutralposition ist derart gezeichnet, dass sie zwischen der geöffneten Position 30 und der geschlossenen Position 32 ist, jedoch können andere Positionen als die offene und die geschlossene Position ausgewählt werden, um die Betriebscharakteristiken vorzusehen, die in der neutralen Position erwünscht sind.
  • Die Betätigungsvorrichtungsmittel 80 weisen ein Proportionalventil 102 auf. Das Proportionalventil 102 ist mit einer Quelle 104 für unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss durch eine erste Leitung 106 und mit dem Gehäuse 86 durch eine zweite Leitung 108 verbunden. Die erste Leitung 106 liefert einen unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss von der Quelle 104 zum Proportionalventil 102, und die zweite Leitung 108 liefert einen unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss vom Proportionalventil 102 zur Kammer 96. Das Proportionalventil 102 ist vorzugsweise ein elektromagnetbetriebenes Proportionalluftventil von herkömmlicher Konstruktion und ist mit den Steuermitteln 58 durch den Leiter 82 verbunden. Das Proportionalventil 102 nimmt Steuersignale auf, die von den Steuermitteln 58 geliefert werden, und zwar durch den Leiter 82, und moduliert darauf ansprechend den unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss, der von der Quelle 104 des unter Druck gesetzten Strömungsmittelflusses zum Gehäuse 86 geliefert wird.
  • Die Quelle 104 des unter Druck gesetzten Strömungsmittelflusses kann einerseits eine unabhängige Luftversorgung sein, beispielsweise ein Luftkompressor 110. Alternativ kann die Einlassluft, die zum Motor 14 geliefert wird, die Quelle 104 für einen unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss sein. Die Leitung 108 verbindet entweder den Kompressor 110 mit dem Proportio nalventil 102 oder die Einlasssammelleitung 16 mit dem Proportionalventil 102.
  • Eine feste Zumessöffnung 112 von vorbestimmter Größe ist mit der zweiten Leitung 108 verbunden, und in paralleler Strömungsmittel durchlassender Beziehung mit der zweiten Leitung 108. Die feste Zumessöffnung 112 leitet einen Teil des unter Druck gesetzten Strömungsmittelflusses ab, der zu der zweiten Leitung 108 durch das Proportionalventil 102 geliefert wird, und richtet eine Steuerflussrate in Kombination mit dem unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss ein, der durch das Proportionalventil 102 geleitet wird.
  • Der Strömungsmitteldruck in der zweiten Leitung 108 und in der Kammer 96 wirkt auf den Kolben 87 und die Membran 94 und bewirkt, dass die Stange 88 sich relativ zu dem Gehäuse 86 bewegt. Diese Bewegung der Stange 88 bewirkt, dass das Auslassventil 28 sich zwischen den offenen und geschlossenen Positionen bewegt. Der Unterschied zwischen der Kraft, die durch den Strömungsmitteldruck verursacht wird, der auf den Kolben 87 und die Membran 94 wirkt, und der Kraft der Feder 100 bestimmt die Lage der Stange 87 und die Position des Auslassventils 28. Die Kombination der Zumessöffnung 80 und des Proportionalventils 102 ermöglicht eine genaue Positionierung des Auslassventils 28. Die Steuermittel 58 bestimmen einen Steuerdruck in der Kammer 96, indem sie ein Steuersignal über die Leitung 82 zum Proportionalventil 102 liefern, und bestimmen dadurch die Auslassventilposition.
  • Wie in 2 gezeigt, ist das gelieferte Steuersignal in Beziehung zum Ladedruckfehler, Kasten 156. Als eine Folge wird das gelieferte Steuersignal verwendet, um ein geeignetes Proportionalventilsignal zu bestimmen, Kasten 160, um die Betätigung des Proportionalventils 102 zu steuern.
  • Als nächstes wird die Turboladerdrehzahl durch die fünften Mittel 61 abgefühlt und zum Prozessor 72 geliefert, Kasten 162. Die Turboladerdrehzahl wird mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen, Kasten 164. Wie oben bemerkt, kann die Turboladerdrehzahl die Drehzahl des Niederdruck turboladers 24 oder des Hochdruckturboladers 26 sein. Alternativ kann die Turboladerdrehzahl ein Wert entsprechend den Drehzahlen von beiden Turboladern 24, 26 sein. Wenn die Turboladerdrehzahl geringer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, dann wird das Proportionalventilsignal, welches im Kasten 160 bestimmt wurde, verwendet, um das Proportionalventil 102 zu bewegen, Kasten 166, und zwar um eine Größe, die ausreicht, um eine Strömungsmittelflussrate einzurichten, die adäquat ist, um die Stange 88 zu einer Position zu bewegen, in der eine geeignete Menge an Abgasfluss durch das Auslassventil 28 übergeleitet wird, Kasten 170. Die Strömungsmittelversorgung 104 für einen im Wesentlichen konstanten Druck, Kasten 168, wird durch das Proportionalventil 102 geregelt, um das Auslassventil 28 zu positionieren.
  • Wenn jedoch im Kasten 164 die Turboladerdrehzahl größer oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist, dann nehmen die Steuermittel 58 eine Bestimmung dahingehend vor, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, Kasten 172. Wenn beispielsweise die Steuermittel 58 bestimmen, dass die Turboladerdrehzahl den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, können die Steuermittel 58 einen Fehlerwert berechnen, der der Unterschied zwischen einer tatsächlichen Auslassventilposition und einer erwünschen Auslassventilposition ist, oder alternativ die Differenz zwischen einer durchschnittlichen tatsächlichen bzw. Ist-Auslassventilposition und einer durchschnittlichen erwünschten bzw. Soll-Auslassventilposition über eine gewisse Zeitperiode. Wenn der Fehlerwert eine vorbestimmte Fehlerschwelle überschreitet, dann arbeitet das Auslassventil 28 nicht ordnungsgemäß. Die Auslasssensormittel 83 können verwendet werden, um die tatsächliche Auslassventilposition zu bestimmen und die erwünschte Auslassventilposition kann basierend auf dem Steuersignal bestimmt werden, welches verwendet wird, um das Auslassventil 28 zu positionieren.
  • Wenn das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, dann wird ein geeignetes Proportionalventilsignal bestimmt, Kasten 174, welches auf oder unter dem vorbestimmten Schwellenwert ist, der im Kasten 164 verwendet wird.
  • Das Proportionalventilsignal wird verwendet, um das Proportionalventil 102 zu bewegen, Kasten 176, und zwar um ein Ausmaß, welches ausreicht, um eine Strömungsmittelflussrate einzurichten, die geeignet ist, um die Stange 88 zu einer Position zu bewegen, in der eine geeignete Abgasflussmenge durch das Auslassventil 28 übergeleitet wird, Kasten 180. Die Strömungsmittelversorgung 104 mit einem im Wesentlichen konstanten Druck, Kasten 178, wird durch das Proportionalventil 102 geregelt, um das Auslassventil 28 zu positionieren. Wenn jedoch im Kasten 172 das Auslassventil 28 nicht ordnungsgemäß arbeitet, dann arbeiten die Steuermittel 58 dahingehend, dass sie den Motor 14 bezüglich der Leistung herunterregeln, beispielsweise durch Verringerung der Brennstoffmenge, die zum Motor 14 geliefert wird.
  • In Situationen, wo eine große Ladedrucksteigerung erforderlich ist, ist das Steuersignal, welches geliefert wird, um das Proportionalventil 102 zu bewegen, von größerer Größe, als wenn eine kleine Ladedrucksteigerung erforderlich ist. Dies hat eine proportionale Ansprechzeit bei der Ventilöffnung des Auslassventils 28 zur Folge. Das Steuersignal ist vorzugsweise ein analoges Signal mit einer Größe proportional zur erwünschten Position des Proportionalventils 102.
  • Alternativ, wie in 8 gezeigt, kann der Prozessor 72 die Ladedruckversetzung bestimmen durch Auswählen des Ladedruckversetzungswertes aus dem Ladedruckversetzungskennfeld 152 (oder aus einer Nachschautabelle), und zwar basierend auf der Drehzahl und der Turboladerdrehzahl anstelle basierend auf der Drehzahl und dem barometrischen Druck, wie oben in Verbindung mit dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das Steuersystem 10 optimiert die Größe des Turboladerladedruckes, der zum Motor 14 bei verschiedenen unterschiedlichen Höhen geliefert wird, ohne Temperatur- und Turboladerdrehzahlgrenzen zu überschreiten.
  • Das Steuersystem erreicht unter Verwendung des barometrischen Druckes (Höhe) als einem der Steuerparameter eine verbesserte Leistung des Motors 14 bei unterschiedlichen Höhen und überwindet die Probleme, die mit unzureichender oder übermäßiger Aufladung assoziiert sind.
  • Im Betrieb steuert das Steuersystem 10 den Ladedruck der Einlasssammelleitung 16 des turboaufgeladenen Verbrennungsmotors 14 auf unterschiedlichen Höhen durch Abfühlen der Motordrehzahl, des Ladedrucks, der Zahnstangenposition bzw. Benzinzumessposition und dem barometrischen Druck oder der Turboladerdrehzahl und steuert das Auslassventil 28 basierend auf diesen Signalen und gemäß vorprogrammierten Anweisungen.
  • Die Steuermittel 58 bestimmen den Soll-Ladedruckwert basierend auf der Motordrehzahl, der Zahnstangenposition und der Höhe oder der Turboladerdrehzahl, den Ladedruckfehler zwischen dem tatsächlich abgefühlten Ladedruckwert und dem Soll-Ladedruckwert und Veränderungen der Größe des Ladedruckes, der vom Turbolader zur Einlasssammelleitung geliefert wird, und zwar ansprechend auf den Ladedruckfehler durch Steuerung der Auslassventilposition und der Überleitung der Abgase.
  • Bei der Bestimmung des Soll-Ladedruckes wählen die Steuermittel 58 einen Ladedruckwert aus einem Ladedruckkennfeld aus, einen Ladedruckversetzungswert aus einem Ladedruckversetzungskennfeld, kombinieren die ausgewählten Ladedruck- und Ladedruckversetzungswerte und bestimmen einen Soll-Ladedruckwert aus den ausgewählten Ladedruck- und Ladedruckversetzungswerten. Der Ladedruckfehler wird bestimmt durch Verringerung des abgefühlten tatsächlichen Ladedruckwertes durch den Soll-Ladedruckwert.
  • Wenn der Ladedruckfehler negativ ist, kann das Steuersignal, welches von den Steuermitteln 58 zum Proportionalventil 102 geliefert wird, bewirken, dass das Proportionalventil 102 den Strömungsmittelfluss verringert, der zur Leitung 108 geleitet wird, und kann dadurch Strömungsmittel von der Kammer 96 ableiten und bewirken, dass das Auslassventil 28 sich zur geschlossenen Position bewegt. Wenn der Ableitungsfehler positiv ist, kann das Steuersignal, welches von den Steuermitteln 58 zum Proportionalventil 102 geliefert wird, bewirken, dass das Proportionalventil 102 den Strömungsmittelfluss steigert, der zur Leitung 108 geleitet wird, und dadurch Strömungsmittel zur Kammer 96 hinzufügen und bewirken, dass sich das Ableitungsventil zur offenen Position hin bewegt.
  • Nach der Bestimmung des Ladedruckfehlers und der assoziierten Bestimmung eines geeigneten Proportionalventilsignals wird die Turboladerdrehzahl überprüft. Wenn die Turboladerdrehzahl unter der vorbestimmten Schwelle ist, wird das Proportionalventilsignal ausgesandt, um das Proportionalventil 102 zu steuern. Wenn jedoch die Turboladerdrehzahl über der vorbestimmten Schwelle ist, bestimmen die Steuermittel 58, ob das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet. Wenn das Auslassventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, dann wird ein neues Proportionalventilsignal entsprechend dem Schwellenwert gesendet, um das Proportionalventil 102 zu steuern. Wenn das Auslassventil 28 nicht ordnungsgemäß arbeitet, dann wird der Motor 14 bezüglich der Leistung heruntergeregelt.
  • Die zuvor erwähnte Steuerung des Auslassventils durch die Steuermittel 58 und die Betätigungsvorrichtungsmittel 80 hat eine genaue und ansprechende Steuerung des Motorladedrucks zur Folge.
  • Andere Aspekte, Ziele und Vorteile können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche gewonnen werden.

Claims (7)

  1. Steuersystem zur Steuerung eines Turboladerladedruckes eines Verbrennungsmotors auf unterschiedlichen Höhen, wobei der Motor eine Einlasssammelleitung und eine Auslasssammelleitung hat, die jeweils mit einem Kompressorabschnitt und einem Turbinenabschnitt eines Turboladers verbunden sind, wobei das Steuersystem Folgendes aufweist: ein Auslassventil, welches zwischen der Auslasssammelleitung und dem Turbinenabschnitt angeschlossen ist, wobei das Auslassventil bewegbar ist zwischen einer offenen Position, in der ein Strömungsmittelfluss, der vom Motor ausgelassen wird, frei an der Turbine vorbeilaufen kann, und einer geschlossenen Position, in der der Strömungsmittelfluss, der vom Motor ausgestoßen wird, davon abgehalten wird, an der Turbine vorbeizulaufen; erste Mittel zum Abfühlen einer Drehzahl des Motors und zum Liefern eines entsprechenden Drehzahlsignals; zweite Mittel zum Abfühlen eines Ladedrucks des Motors und zum Liefern eines darauf ansprechenden Ladedrucksignals; dritte Mittel zum Abfühlen einer Benzinzumess- bzw. Zahnstangenposition des Motors und zum Liefern eines darauf ansprechenden Benzinzumess- bzw. Zahnstangenpositionssignals; vierte Mittel zum Abfühlen eines barometrischen Drucks und zum Liefern eines entsprechenden barometrischen Drucksignals; fünfte Mittel zum Abfühlen einer Drehzahl des Turboladers und zum Liefern eines darauf ansprechenden Turboladerdrehzahlsignals; Steuermittel, die mit den ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Abfühlmitteln verbunden sind, um das Drehzahlsignal, das Ladedrucksignal, das Benzinzumess- bzw. Zahnstangenpositionssignal, das barometrische Drucksignal und das Turboladerdrehzahlsignal aufzunehmen, um einen Ladedruckfehler basierend auf den Ist- und Soll-Ladedruckwerten für das Drehzahl-, Ladedruck-, Zahnstangenpositi ons- und barometrische Drucksignal zu bestimmen, und zum Liefern eines darauf ansprechenden Steuersignals; wobei die Steuermittel einen Prozessor aufweisen, wobei der Prozessor einen Soll-Ladedruckwert basierend auf dem Drehzahlsignal, dem Zahnstangenpositionssignal und dem abgefühlten barometrischen Drucksignal bestimmt, wobei der Prozessor einen Ladedruckwert aus einem Ladedruckkennfeld und einen Ladedruckversetzungswert aus einem Ladedruckversetzungskennfeld auswählt und die ausgewählten Ladedruck- und Ladedruckversetzungswerte kombiniert, um den Soll-Ladedruckwert zu bestimmen, wobei der Ladedruckkennfeldwert eine Funktion der Motordrehzahl und der Benzinzumess- bzw. Zahnstangenposition ist, und wobei der Ladedruckversetzungswert eine Funktion der Motordrehzahl und des barometrischen Drucks ist; wobei die Steuermittel konfiguriert sind, um die Turboladerdrehzahl mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und das Steuersignal basierend auf dem Vergleich zu bestimmen; und Betätigungsvorrichtungsmittel zur Aufnahme des Steuersignals, um darauf ansprechend das Auslassventil zu der offenen oder der geschlossenen Position zu bewegen, und zu einer Position zwischen der offenen und der geschlossenen Position.
  2. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der Ladedruckfehler eine Differenz zwischen dem abgefühlten Ladedruck und dem Soll-Ladedruck ist.
  3. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuermittel konfiguriert sind, um zu bestimmen, ob das Auslassventil ordnungsgemäß arbeitet; und wobei die Steuermittel ein Signal liefern, um den Motor bezüglich der Leistung herunterzuregeln, wenn die Steuermittel bestimmen, dass das Auslassventil nicht ordnungsgemäß arbeitet.
  4. Steuersystem zur Steuerung des Turboladerladedrucks eines Verbrennungsmotors auf verschiedenen unterschiedlichen Höhen, wobei der Motor eine Einlasssammelleitung und eine Auslasssammelleitung hat, die jeweils mit einem Kompressorabschnitt und einem Turbinenabschnitt eines Turboladers verbunden sind, wobei das Steuersystem Folgendes aufweist: ein Auslassventil, welches zwischen der Auslasssammelleitung und dem Turbinenabschnitt angeschlossen ist, wobei das Auslassventil bewegbar ist zwischen einer offenen Position, in der ein Strömungsmittelfluss, der vom Motor ausgelassen wird, frei an der Turbine vorbeilaufen kann, und einer geschlossenen Position, in der der Strömungsmittelfluss, der vom Motor ausgestoßen wird, davon abgehalten wird, an der Turbine vorbeizulaufen; erste Mittel zum Abfühlen einer Drehzahl des Motors und zum Liefern eines entsprechenden Drehzahlsignals; zweite Mittel zum Abfühlen eines Ladedruckes des Motors und zum Liefern eines darauf ansprechenden Ladedrucksignals; dritte Mittel zum Abfühlen einer Benzinzumess- bzw. Zahnstangenposition des Motors und zum Liefern eines entsprechenden Benzinzumess- bzw. Zahnstangenpositionssignals; vierte Mittel zum Abfühlen einer Drehzahl des Turboladers und zum Liefern eines darauf ansprechenden Turboladerdrehzahlsignals; Steuermittel, die mit den ersten, zweiten, dritten, und vierten Abfühlmitteln verbunden sind, um das Drehzahlsignal, das Ladedrucksignal, das Benzinzumess- bzw. Zahnstangenpositionssignal und das Turboladerdrehzahlsignal abzufühlen, um einen Ladedruckfehler basierend auf den Ist- und Soll-Ladedruckwerten für das Drehzahlsignal, das Ladedrucksignal, das Zahnstangenpositionssignal und das Turboladerdrehzahlsignal zu bestimmen, und ein darauf ansprechendes Steuersignal zu liefern; wobei die Steuermittel einen Prozessor aufweisen, wobei der Prozessor einen Soll-Ladedruckwert basierend auf dem Drehzahlsignal, dem Benzinzumess- bzw. Zahnstangenpositionssignal und dem abgefühl ten Turboladerdrehzahlsignal bestimmt, wobei der Prozessor einen Ladedruckwert aus einem Ladedruckkennfeld und einen Ladedruckversetzungswert aus einem Ladedruckversetzungskennfeld auswählt und die ausgewählten Ladedruck- und Ladedruckversetzungswerte kombiniert, um den Soll-Ladedruckwert zu bestimmen, wobei der Ladedruckkennfeldwert eine Funktion der Motordrehzahl und der Zahnstangenposition ist, und wobei der Ladedruckversetzungswert eine Funktion der Motordrehzahl und der Turboladerdrehzahl ist; und Betätigungsvorrichtungsmittel zur Aufnahme des Steuersignals, um darauf ansprechend das Auslassventil zu der offenen Position oder der geschlossenen Position hin zu bewegen, und zu einer Position zwischen der offenen und der geschlossenen Position.
  5. Steuersystem nach Anspruch 4, wobei der Ladedruckfehler eine Differenz zwischen dem abgefühlten Ladedruck und dem Soll-Ladedruck ist.
  6. Steuersystem nach Anspruch 4, wobei die Steuermittel konfiguriert sind, um die Turboladerdrehzahl mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen, und das Steuersignal basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
  7. Steuersystem nach Anspruch 4, wobei die Steuermittel konfiguriert sind, um zu bestimmen, ob das Auslassventil ordnungsgemäß arbeitet; und wobei die Steuermittel ein Signal liefern, um den Motor bezüglich der Leistung herunterzuregeln, wenn die Steuermittel bestimmen, dass das Auslassventil nicht ordnungsgemäß arbeitet.
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