DE102008011415B3

DE102008011415B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102008011415B3
Application number: DE102008011415A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Burkhardt; Jürgen DINGL
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: KR20100128306A; US8087402B2; US20110010072A1; CN101960118B; CN101960118A; WO2009106404A1; KR101548908B1

Abstract

Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader wird ein Ladedruck, der stromabwärts eines Verdichters (42) des Abgasturboladers und stromaufwärts eines Zylindereinlasses der Brennkraftmaschine vorliegt, auf einen vorgegebenen Sollwert (PUT_SP) des Ladedrucks geregelt. Ein Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) eines Reglers zum Regeln des Ladedrucks auf einen Sollwert (PUT_SP) des Ladedrucks wird ermittelt. Abhängig von dem Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) und abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine wird eine Turboladerdrehzahländerung (DELTA_N_TCHA) ermittelt, die dem Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) zugeordnet ist. Ein Grenzwert (N_TCHA_MAX) der Turboladerdrehzahl wird abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung (DELTA_PWM_WG) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine hat einen Abgasturbolader.
Moderne Brennkraftmaschinen umfassen regelmäßig Abgasturbolader. Ein Abgasturbolader umfasst grundsätzlich eine Turbine, die in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und einen Verdichter, der in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist und der mit der Turbine mechanisch gekoppelt ist. Eine Drehzahl des Verdichters, die auch als Turboladerdrehzahl bezeichnet werden kann, kann beispielsweise über ein Wastegate, das in einem Bypass um die Turbine in dem Abgastrakt angeordnet ist, geregelt werden.
Das Dokument DE 10 2005 007 558 A1 offenbart ein Überwachen wenigstens einer der Variablen: Zuwachsrate, Turboladerdrehzahl und Turboladerdrehzahl zum Schützen eines mit einem Motor verbundenen Turboladers gegen ein Überdrehen in einem Fahrzeug mit einem Abgasbremsventil. Ferner wird offenbart ein Schließen einer Abgasbremse zum Reduzieren der Drehzahl des Turboladers jeweils in Antwort darauf, dass die Zuwachsrate der Turboladerdrehzahl größer oder gleich einem ersten Grenzwert ist und dass die Turboladerdrehzahl größer oder gleich einem zweiten Grenzwert ist.
Das Dokument DE 10 2004 042 272 A1 offenbart eine Steuerung oder Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit einem Verdichter in einer Luftzufuhr der Brennkraftmaschine, wobei ein Stellglied vorgesehen ist, mit dem der Ladedruck des Verdichters eingestellt wird. In Abhängigkeit von einer Drehzahl des Verdichters wird eine Stellgröße für das Stellglied ermittelt.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine einfache und sichere Regelung einer Drehzahl eines Turboladers der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine hat einen Abgasturbolader. Ein Ladedruck, der stromabwärts eines Verdichters des Abgasturboladers und stromaufwärts eines Zylindereinlasses der Brennkraftmaschine vorliegt, wird auf einen vorgegebenen Sollwert des Ladedrucks geregelt. Ein Reglerstellsignalanteil eines Reglers zum Regeln des Ladedrucks auf einen Sollwert des Ladedrucks wird ermittelt. Abhängig von dem Reglerstellsignalanteil und abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine wird eine Turboladerdrehzahländerung ermittelt, die dem Reglerstellsignalanteil zugeordnet ist. Ein Grenzwert der Turboladerdrehzahl wird abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung ermittelt.
Dies trägt einfach dazu bei, dass die Turboladerdrehzahl, insbesondere die Drehzahl des Verdichters, nicht aufgrund des Reglerstellsignalanteils in einen für den Abgasturbolader kritischen Bereich kommt. Vorzugsweise wird die Turboladerdrehzahl abhängig von dem Grenzwert der Turboladerdrehzahl begrenzt. Beispielsweise kann beim Erreichen des Grenzwerts der Turboladerdrehzahl ein Solldrehmoment der Brennkraftmaschine automatisch verringert werden. Alternativ oder zusätzlich können abhängig von dem Grenzwert der Turboladerdrehzahl weitere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden und/oder es kann beispielsweise ein Eintrag in einem Fehlerspeicher der Brennkraftmaschine vorgenommen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Turboladerdrehzahländerung so ermittelt, dass sie einer Turboladerdrehzahländerung entspricht, die aufgrund des Reglerstellsignalanteils hervorgerufen durch eine Leckage stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Zylindereinlasses auftreten kann. In anderen Worten wird jeglicher Reglerstellsignalanteil so interpretiert, dass dieser durch eine Leckage stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Zylindereinlasses hervorgerufen wird. Dabei werden zwar Reglerstellsignalanteile aufgrund von beispielsweise Fertigungstoleranzen oder Verschleiß falsch interpretiert, jedoch führt dies sicher dazu, dass der Verdichter auf keinen Fall zu hoch dreht und da mit die Turboladerdrehzahl sicher außerhalb des kritischen Bereichs der Turboladerdrehzahl bleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Grenzwert der Turboladerdrehzahl abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung ermittelt, indem ein vorgegebener Grundgrenzwert der Turboladerdrehzahl um die ermittelte Turboladerdrehzahländerung verringert wird. Dies ermöglicht einfach, den Grenzwert der Turboladerdrehzahl abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung zu ermitteln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einen Wert einer Lastgröße der Brennkraftmaschine und eine Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Brennkraftmaschine,
2 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst vorzugsweise eine Drosselklappe 5, ferner einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Brennraum 9 eines Zylinders Z1 über einen Zylinder einlass in den Motorblock 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst ferner eine Kurbelwelle 8, die über eine Pleuelstange 10 mit einem Kolben 11 des Zylinders Z1 gekoppelt ist. In dem Abgastrakt 4 ist vorzugsweise ein Abgaskatalysator 29 angeordnet, der beispielsweise als Drei-Wege-Katalysator ausgebildet ist. Neben dem Zylinder Z1 können ein oder mehrere weitere Zylinder Z2–Z4 vorgesehen sein. Ferner kann jede beliebige Anzahl von Zylindern Z1–Z4 vorgesehen sein.
Der Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit Gaswechselventilen, die Gaseinlassventile 12 und Gasauslassventile 13 sind, und diesen zugeordnete Ventilantriebe 14, 15. Der Zylinderkopf 3 umfasst ferner ein Einspritzventil 22 und eine Zündkerze 23. Falls die Brennkraftmaschine eine Diesel-Brennkraftmaschine ist, kann die Brennkraftmaschine auch keine Zündkerze 23 umfassen. Alternativ kann das Einspritzventil 22 auch in dem Saugrohr 7 angeordnet sein.
Eine Steuereinrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen die Messgrößen und von den Messgrößen abgeleitete Größen. Ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist durch mindestens einen Wert einer Betriebsgröße, vorzugsweise durch je einen Wert mehrerer Betriebsgrößen vorgegeben. Die Steuereinrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuereinrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet werden.
Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 26, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drossel klappe 5 erfasst, ein Drosselklappenstellungssensor 30, der einen Öffnungsgrad der Drosselklappe 5 erfasst, ein Ladedrucksensor 31, der einen Ladedruck stromaufwärts der Drosselklappe 5 und stromabwärts eines Verdichters 42 erfasst, ein Temperatursensor 32, der eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34, der einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellensensor 36, der einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl N (2) zugeordnet wird. Ferner kann eine Lambdasonde 43 vorgesehen sein, deren Messsignal repräsentativ für den Sauerstoffgehalt im Abgas ist und damit eine Information über die Gemischzusammensetzung der Brennkraftmaschine liefert.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
Die Stellglieder sind beispielsweise ein Drosselklappenstellglied 33 zum Verstellen der Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Einspritzventil 22, die Zündkerze 23, ein Stellglied zum Verstellen eines Verdichter-Bypassventils 44 und/oder ein Ventil-Stellglied zum Verstellen eines Turbinen-Bypassventils 50.
Der Verdichter 42 ist in dem Ansaugtrakt 1 stromaufwärts der Drosselklappe 5 und stromabwärts eines Luftfilters 38 angeordnet. Über einen Verdichter-Bypass 40 kann abhängig von einem vorgegebenen Ansteuern des Stellglieds zum Verstellen des Verdichter-Bypassventils 44 Frischluft nach Durchströmen des Verdichters 42 auf auf die Saugseite des Verdichters 42 zurück geleitet werden.
Ein Abgasturbolader umfasst den Verdichter 42 und eine Turbine 48, die zum Antreiben des Verdichters 42 mechanisch mit dem Verdichter 42 gekoppelt ist und die in dem Abgastrakt 4 so angeordnet ist, dass sie von dem Abgas aus einem Verbrennungsprozess in dem Brennraum 9 angetrieben werden kann. Das Abgas kann über einen Turbinen-Bypass 46 so an der Turbine 48 vorbei geleitet werden, dass das durch den Turbinen-Bypass 46 geleitete Abgas die Turbine 48 nicht antreibt. Das Abgas wird abhängig von einem vorgegebenen Ansteuern des Ventil-Stellglieds zum Verstellen des Turbinen-Bypassventils 50 an der Turbine 48 vorbei geleitet. Das Turbinen-Bypassventil 50 kann auch als Wastegate bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich zu dem Wastegate kann die Turbine mittels einer variablen Turbinengeometrie gesteuert werden.
Eine Turboladerdrehzahl, die vorzugsweise eine Drehzahl des Verdichters 42 repräsentiert, wird vorzugsweise durch Ansteuern des Ventil-Stellglieds zum Verstellen des Turbinen-Bypassventils 50 geregelt. Das Ansteuern des Ventil-Stellglieds zum Verstellen des Turbinen-Bypassventils 50 erfolgt vorzugsweise mittels eines Wastegate-Stellsignals PWM_WG, das von einer Vorsteuerung, insbesondere von einem Vorsteuerwert abhängt, der von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängt. Der Vorsteuerwert kann beispielsweise abhängig von dem Betriebspunkt mittels eines Kennfelds ermittelt werden, das, wie jedes weitere Kennfeld, beispielsweise an einem Motorprüfstand aufgezeichnet wird und vorzugsweise auf einem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 abgelegt wird. Ferner erfolgt das Ansteuern des Ventil-Stellglieds zum Verstellen des Turbinen-Bypassventils 50 mittels eines Reglerstellsignalanteils DELTA_PWM_WG, der hervorgerufen wird durch einen Regler zum Regeln der Turboladerdrehzahl. In anderen Worten repräsentiert der Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG eine reglerbedingte Stellsignalabweichung von dem Stellsignal aufgrund des Vorsteuerwerts. Der Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG verändert das Wastegate-Stellsignal PWM_WG aufgrund der Vorsteuerung vorzugsweise so, dass beispielsweise Fertigungstoleranzen, Verschleiß oder Fehler, beispielsweise eine Leckage, der Brennkraftmaschine ausgeglichen werden. Der Betriebspunkt umfasst beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine und einen Wert einer Lastgröße der Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Sollwert PUT_SP des Ladedrucks.
Falls stromabwärts des Verdichters 42 und stromaufwärts des Zylindereinlasses eine Leckage auftritt, so verringert sich im aufgeladenen Motorbetrieb der von dem Saugrohrdrucksensor 34 erfasste Saugrohrdruck und/oder der von dem Ladedrucksensor 31 erfasste Ladedruck bei gleich bleibender Turboladerdrehzahl. Um diesen Saugrohrdruck auf einen entsprechenden Sollwert anzuheben, erhöht der Regler mittels des Reglerstellsignalanteils DELTA_PWM_WG die Turboladerdrehzahl.
Auf dem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 ist vorzugsweise ein Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine gespeichert. Das Programm dient dazu, einen Grenzwert der Turboladerdrehzahl so zu ermitteln, dass auch bei einem hohen Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG, beispielsweise aufgrund der Leckage stromabwärts des Verdichters 42 und stromaufwärts des Zylindereinlasses die Turboladerdrehzahl unterhalb eines kritischen Bereichs der Turboladerdrehzahl bleibt.
Das Programm (2) wird vorzugsweise in einem Schritt S1 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden, beispielsweise zeitnahe einem Motorstart der Brennkraftmaschine.
In einem Schritt S2 wird der Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG abhängig von der Differenz zwischen einem Istwert PUT_AV und dem Sollwert PUT_SP des Ladedrucks und abhän gig von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ermittelt. Der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise durch den Sollwert PUT_SP des Ladedrucks und der Drehzahl N der Brennkraftmaschine vorgegeben.
In einem Schritt S3 wird abhängig von dem Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG und dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Turboladerdrehzahländerung DELTA_N_TCHA ermittelt. Dazu ist vorzugsweise ein weiteres Kennfeld auf dem Speichermedium der Steuereinrichtung 25 abgelegt, in dem die Turboladerdrehzahländerung DELTA_N_TCHA über dem Betriebspunkt und über dem Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG aufgetragen ist. Das Kennfeld wird beispielsweise an einem Motorprüfstand aufgezeichnet, indem stromabwärts des Verdichters 42 und stromaufwärts des Zylindereinlasses definierte Leckagen eingebracht werden und der Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG beobachtet wird.
In einem Schritt S4 wird abhängig von der Turboladerdrehzahländerung DELTA_N_TCHA ein Grenzwert N_TCHA_MAX der Turboladerdrehzahl ermittelt. Vorzugsweise wird der Grenzwert N_TCHA_MAX der Turboladerdrehzahl abhängig von einem Grundgrenzwert C_N_TCHA_MAX der Turboladerdrehzahl und abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung DELTA_N_TCHA ermittelt, vorzugsweise nach der in dem Schritt S4 angegebenen Berechnungsvorschrift.
In einem Schritt S5 kann das Programm beendet werden. Vorzugsweise wird das Programm jedoch regelmäßig während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet. Ferner wird vorzugsweise abhängig von dem ermittelten Grenzwert N_TCHA_MAX der Turboladerdrehzahl die Drehzahl des Turboladers, insbesondere des Verdichters 42 begrenzt. Ferner kann abhängig von dem Reglerstellsignalanteil DELTA_PWM_WG und/oder abhängig von dem Grenzwert N_TCHA_MAX der Turboladerdrehzahl zumindest eine weitere Sicherungsfunktion aktiviert werden und/oder ein Eintrag in einem Fehlerspeicher der Brennkraftmaschine vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, bei dem – ein Ladedruck, der stromabwärts eines Verdichters (42) des Abgasturboladers und stromaufwärts eines Zylindereinlasses der Brennkraftmaschine vorliegt, auf einen vorgegebenen Sollwert (PUT_SP) des Ladedrucks geregelt wird, – ein Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) eines Reglers zum Regeln des Ladedrucks auf einen Sollwert (PUT_SP) des Ladedrucks ermittelt wird, – abhängig von dem Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) und abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Turboladerdrehzahländerung (DELTA_N_TCHA) ermittelt wird, die dem Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) zugeordnet ist, – ein Grenzwert (N_TCHA_MAX) der Turboladerdrehzahl abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung (DELTA_PWM_WG) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Grenzwert (N_TCHA_MAX) der Turboladerdrehzahl abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung (DELTA_PWM_WG) ermittelt wird, indem ein vorgegebener Grundgrenzwert (C_N_TCHA_MAX) der Turboladerdrehzahl um die ermittelte Turboladerdrehzahländerung (DELTA_PWM_WG) verringert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einen Wert einer Lastgröße der Brennkraftmaschine und eine Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine umfasst.
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, – einen Ladedruck, der stromabwärts eines Verdichters (42) des Abgasturboladers und stromaufwärts eines Zylindereinlasses der Brennkraftmaschine vorliegt, auf einen vorgegebenen Sollwert (PUT_SP) des Ladedrucks zu regeln, – einen Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) eines Reglers zum Regeln des Ladedrucks auf einen Sollwert (PUT_SP) des Ladedrucks zu ermitteln, – abhängig von dem Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) und abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Turboladerdrehzahländerung (DELTA_N_TCHA) zu ermitteln, die dem Reglerstellsignalanteil (DELTA_PWM_WG) zugeordnet ist, – einen Grenzwert (N_TCHA_MAX) der Turboladerdrehzahl abhängig von der ermittelten Turboladerdrehzahländerung (DELTA_N_TCHA) zu ermitteln.