DE102008044156A1

DE102008044156A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008044156A1
Application number: DE102008044156A
Authority: DE
Inventors: Simon Petrovic; Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-10
Also published as: CN101787925A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug. Ein Verfahren zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem Verdichter verbunden ist, weist folgende Schritte auf: Ermitteln eines Sollwertes für die Drehzahl der Turboladerwelle und Regeln der Drehzahl der Turboladerwelle auf diesen Sollwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug.
Strategien zur Ladedruckregelung basieren auf der Vorkalibrierung eines gewünschten Ladedruck-Einstellwertes in Funktion der Betriebsbedingungen. Der für den Gleichgewichtszustand geltende Einstell- bzw. Sollwert wird während eines transienten Betriebs dynamisch korrigiert, um beispielsweise die Steuerbarkeit zu verbessern (z. B. Ladedruckerhöhung oder ”over-boosting” in Phasen einer kurzzeitigen Beschleunigung) und/oder um transiente Emissionen zu minimieren. Hierdurch wird der Ladedruck-Sollwert als Funktion von Abweichungen im Abgasrückführungspfad angepaßt, um einen gewünschten Massenanteil (Restgas) an verbrannten Partikeln in der im Zylinder eingeschlossenen Gasmischung zu erzielen.
Bei der Einstellung des gewünschten Ladedruckes werden der Winkel der Turbinenflügelräder und/oder eine Umgehung der Turbine über eine Bypass-Leitung mittels eines Ladedruckregelventils so eingestellt, dass der gewünschte Druck eingestellt bzw. aufgebaut wird. Die Voreinstellung bzw. -steuerung basiert entweder auf einer Vorkalibrierung des Signals zur Flügelradeinstellung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen, oder es wird ein modellbasierter Ansatz angewandt, bei dem die gewünschte Flügelradposition zur Erzielung des Ladedruck-Sollwertes mittels einer Modellinversion berechnet wird. Die Regelung mit geschlossenem Regelkreis (”closed loop control”) wird typischerweise als klassische Regelung (PID-Regler) implementiert, wobei eine Rückkopplung auf Basis des gemessenen Ladedruckes erfolgt.
Um eine übermäßige Strömungsverdichtung (”surge”) des Verdichters und ein Überdrehen der Turbowelle zu vermeiden, wird der Ladedruck in Funktion der Massenströmungsrate, welche unter Verwendung eines Massenströmungssensors (MAF-Sensors) stromaufwärts des Turboladers gemessen wird, begrenzt.
Gemäß dem Stand der Technik wird somit üblicherweise eine Ladedruckregelung durch Regelung des Winkels des Turbinenflügelrades unter Messung des Ladedruckes erzielt. Diese herkömmliche Vorgehensweise reagiert jedoch empfindlich auf Zeitverzögerungen im Zusammenhang mit der Füllung des Ansaugkrümmers, wodurch insbesondere im transienten Betrieb der Schutz gegenüber einer übermäßigen Strömungsverdichtung (”surge”) des Verdichters sowie gegenüber einem Überdrehen der Turbine beeinträchtigt wird.
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches bzw. welche insbesondere im transienten Betrieb einen wirksameren Schutz gegenüber einer übermäßigen Strömungsverdichtung (”surge”) des Verdichters bzw. einem Überdrehen der Abgasturbine ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Ein Verfahren zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist, und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem Verdichter verbunden ist, weist folgende Schritte auf: Ermitteln eines Sollwertes für die Drehzahl der Turboladerwelle und Regeln der Drehzahl der Turboladerwelle auf diesen Sollwert.
Der Erfindung liegt das Konzept zugrunde, einen gewünschten Ladedruck-Einstellwert im Ansaugkrümmer in einen gewünschten Einstellwert stromabwärts des Verdichters zu übersetzen, welcher dann unter Verwendung des Verdichter-Kennfeldes in einen Sollwert für die Drehzahl der Turboladerwelle übersetzt wird. Der gewünschte Einstellwert stromabwärts des Verdichters kann als Funktion des Sollwertes für den Ladedruck im Ansaugkrümmer und der Druckverluste entlang der zwischen dem Ansaugkrümmer und dem Verdichter vorhandenen Komponenten, im Wesentlichen Zwischenkühler und Ansaugdrosselklappe, berechnet werden.
Dadurch, dass gemäß der Erfindung die Ladedruckregelung durch Regelung der Drehzahl der Turboladerwelle erfolgt, werden die obigen Nachteile z. B. infolge von Zeitverzögerungen, welche mit der Füllung des Ansaugkrümmers einhergehen, vermieden, so dass insbesondere im transienten Betrieb ein wirksamerer Schutz gegenüber einer übermäßigen Strömungsverdichtung des Verdichters bzw. einem Überdrehen der Abgasturbine erzielt werden kann. Der erfindungsgemäße Ansatz hat dabei insbesondere den Vorteil, dass die Grenzen hinsichtlich einer übermäßigen Strömungsverdichtung (”surge”) des Verdichters bzw. einem Überdrehen der Turbine in dem berechneten Wellendrehzahl-Sollwert mit berücksichtigt werden (gewissermaßen ”vererbt” oder ”mitgeschleppt” werden).
Der gewünschte Einstellwert stromabwärts des Verdichters wird in einen Sollwert für die Drehzahl der Turboladerwelle übersetzt, und zwar vorzugsweise in Abhängigkeit von bzw. als Funktion der – vorzugsweise normierten – Massenströmungsrate entlang des Verdichters und des – vorzugsweise ebenfalls normierten – Druckverhältnisses entlang des Verdichters.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die normierte Massenströmungsrate berechnet, indem die ermittelte, z. B. mit Hilfe des MAF-Sensors gemessene, Massenströmungsrate durch eine Normierungsmasse dividiert wird, welche wiederum in Funktion des Druckes und der Temperatur stromaufwärts des Turboladers berechnet wird.
Des Weiteren wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das gewünschte Druckverhältnis über den Verdichter ebenfalls bezüglich eines Wertes, welcher eine Funktion der gemessenen Drehzahl der Turboladerwelle darstellt, normiert.
Die normierte Massenströmungsrate und der normierte Sollwert des Druckverhältnisses entlang des Verdichters werden dann dazu verwendet, einen Sollwert für die Drehzahl der Welle des Verdichters unter Verwendung des Verdichterkennfeldes zu interpolieren.
Der Sollwert für die Drehzahl der Turboladerwelle wird dann realisiert, indem der Winkel des Turbinenflügelrades entsprechend eingestellt wird. Dies kann beispielsweise unter Verwendung einer modellbasierten oder einer vorkalibrierten ”Feedforward”-Flügelradposition erfolgen, wobei ein geschlossener Regelkreis (”closed loop control”) als klassische Regelung (PID-Regler) implementiert wird und wobei eine Rückkopplung auf Basis der gemessenen Drehzahl der Turboladerwelle erfolgt.
Da der Sollwert auf der Drehzahl der Turboladerwelle basiert, kann die Position des Turbinenflügelrades modellbasiert aus dem Turbinenkennfeld als Funktion der gewünschten Drehzahl, der Massenströmungsrate des Abgases und des Druckverhältnisses über der Turbine abgelesen werden.
Weitere Ausgestaltungen sind der Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Verdichterkennfeld, in welchem der normierte Sollwert für die Drehzahl der Turboladerwelle als Funktion der normierten Massenströmungsrate und des Sollwertes des Druckverhältnisses aufgetragen ist;
2 ein normiertes Verdichterkennfeld zur Erläuterung des Einflusses einer Normierung des Sollwertes des Druckverhältnisses auf den Sollwert der normierten Drehzahl der Turboladerwelle und die normierte Massenströmungsrate; und
3a–d Diagramme zur Bestimmung der Position des Flügelrades für die berechnete Massenströmungsrate (normiert) entlang der Turbine als Funktion des gemessenen Druckverhältnisses und der gewünschten Drehzahl der Turboladerwelle.
Gemäß 1 wird der Sollwert des Druckverhältnisses für eine gewünschte Massenströmungsrate verwendet, um den Sollwert für die Drehzahl der Turboladerwelle (normiert) zu bestimmen, wobei ein weiter Wertebereich für den Ladedruck bis zu 3 bar abgedeckt wird.
Gemäß 2 wird zur Verbesserung der Interpolation in dem Verdichterkennfeld das Druckverhältnis entlang des Verdichters in Abhängigkeit von der Drehzahl der Turboladerwelle normiert.
Gemäß 3 wird für die berechnete Massenströmungsrate entlang der Turbine, welche vorzugsweise in Abhängigkeit von Druck und Temperatur stromaufwärts des Turboladers normiert wird, die Position des Flügelrades als Funktion des gemessenen Druckverhältnisses und des Sollwertes der Drehzahl der Turboladerwelle bestimmt.
Zusammenfassend werden durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitgestellt, bei welchen der gewünschte Ladedruck-Einstellwert in einen Sollwert für die Drehzahl der Turboladerwelle übersetzt wird, wobei diese Drehzahl der Turboladerwelle dann unter Betätigung des Turbinenflügelrades über das Ladedruckregelventil unter Messung der Drehzahl der Turboladerwelle geregelt wird.

Claims

Verfahren zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem Verdichter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist: Ermitteln eines Sollwertes für die Drehzahl der Turboladerwelle; und Regeln der Drehzahl der Turboladerwelle auf diesen Sollwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines Sollwertes für die Drehzahl der Turboladerwelle basierend auf einem Sollwert für den Ladedruck stromabwärts des Verdichters erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines Sollwertes für die Drehzahl der Turboladerwelle in Abhängigkeit von einer Massenströmungsrate entlang des Verdichters erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln eines Sollwertes für die Drehzahl der Turboladerwelle in Abhängigkeit von einem Druckverhältnis entlang des Verdichters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Sollwertes für die Drehzahl der Turboladerwelle auf Basis eines Verdichterkennfeldes erfolgt, welches die Drehzahl der Turboladerwelle in Abhängigkeit von einer Massenströmungsrate entlang des Verdichters und von dem Druckverhältnis entlang des Verdichters angibt.
Verfahren nach einem der Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Massenströmungsrate entlang des Verdichters in Abhängigkeit von Druck und/oder Temperatur stromaufwärts des Turboladers normiert wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis entlang des Verdichters in Abhängigkeit von einem ermittelten Wert der Drehzahl der Turboladerwelle normiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln der Drehzahl der Turboladerwelle durch Einstellen der Position des Turbinenflügelrades erfolgt.
Vorrichtung zur Ladedruckregelung in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist, und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem Verdichter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.