DE102009000292A1 - Method for producing control or diagnostic variable for turbocharger, involves providing variable geometry to turbocharger in internal combustion engine, where control or diagnostic variable is based on turbine output of turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Gewinnung einer Regel- und/oder Diagnosegröße für einen Turbolader mit variabler Geometrie eines Verbrennungsmotors, darauf basierende Regelungs- und Diagnostizierverfahren und -anordnungen sowie einen entsprechend eingerichteten Verbrennungsmotor.The This invention relates to a method and an assembly for recovery a control and / or diagnostic quantity for a variable geometry turbocharger of an internal combustion engine, regulatory and diagnostic methods and arrangements based thereon as well as a suitably equipped internal combustion engine.
Bei Turboladern mit variabler Geometrie, auch VNT (Variable Nozzle Turbocharger) genannt, handelt es sich um fortgeschrittene Abgasturbolader für Diesel- oder Benzinmotoren, die ebenso wie konventionelle Abgasturbolader ein Turbinen- und ein Verdichterschaufelrad besitzen, die durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind, und bei denen zusätzlich die Leitschaufeln auf der Abgasseite pneumatisch oder elektromotorisch verstellbar sind. Dadurch kann man im Betrieb entsprechend der Abgasmenge und/oder dem Ladedruckbedarf einen effizienteren Arbeitspunkt des Turboladers erreichen.at Turbochargers with variable geometry, also VNT (Variable Nozzle Turbocharger) called, are advanced exhaust gas turbocharger for Diesel or gasoline engines, as well as conventional turbochargers have a turbine and a compressor impeller by a common wave are interconnected, and where in addition, the vanes on the exhaust side pneumatically or are adjustable by electric motor. This allows you to operate according to the exhaust gas amount and / or the boost pressure demand a more efficient Reach operating point of the turbocharger.
Es sind VNT-Turbolader mit einer verbesserten Gestaltung und einem verminderten Gesamt-Trägheitsmoment bekannt, die eine verbesserte Übergangs-Betriebsleistung aufweisen, d. h., die Momentan-Betriebsleistung ist während Übergängen zwischen Motorbetriebszuständen – wie z. B. Lastwechseln – schnell veränderbar. Aufgrund einer besseren Ladedruckregelung bei Motorbeschleunigung und einer hinsichtlich der Emissionen vorteilhaften schnelleren Abgasrückführungsregelung (schnellerer Zunahme des Abgasgegendrucks) verbessert sich der Nutzfaktor eines derartigen Turboladers. Strenge Emissionsanforderungen lassen sich nur mit einem Turbolader erfüllen, der über lange Zeiträume in jedem Betriebsbereich optimal arbeitet.It are VNT turbochargers with an improved design and a Decreased total moment of inertia known to provide improved transient operating performance have, d. h., the current operating power is during transitions between engine operating conditions - such. B. load changes - quickly changeable. Due to a better charge pressure control with engine acceleration and a more advantageous in terms of emissions faster Exhaust gas recirculation control (faster increase the exhaust back pressure) improves the useful factor of such Turbocharger. Strict emission requirements can only be met Meet a turbocharger over long periods of time works optimally in every operating area.
Im Stand der Technik verwendet man entweder eine Vorwärtsregelung mittels eines offenen Regelkreises auf Basis von Drehzahl- und Drehmoment-Sollwert tabellen oder eine Regelung mittels eines geschlossenen Regelkreises auf Basis eines Ladedruck-Sollwertfehlers.in the The prior art uses either a feedforward control by means of an open loop based on speed and torque setpoint tables or closed-loop control Base of boost pressure setpoint error.
Der VNT-Turbolader selbst wird jedoch nicht direkt auf Basis des Ladedrucks, sondern auf Basis des Turbinendruckverhältnisses, der Drehzahl und des Gasstroms betrieben. Außerdem basiert die Übergangs-Betriebsleistung auf der Leistungsdifferenz zwischen dem Generator (der Turbine) und dem Kompressor. Wenn die Turbine nicht optimal auf den Kompressor abgestimmt ist, verringert sich die Betriebsleistung, da die Turbine die nötige Leistung zum Laden der ankommenden Frischluft über den Kompressor nicht erzeugen kann. Dies führt ebenfalls zu Emissionsproblemen.Of the VNT turbocharger itself is not directly based on the boost pressure, but based on the turbine pressure ratio, the speed and the gas stream operated. In addition, the transition operating performance is based on the power difference between the generator (the turbine) and the compressor. If the turbine is not optimal on the compressor is tuned, the operating power decreases as the turbine the power required to charge the incoming fresh air can not produce the compressor. This also leads to emission problems.
Wenn keine VNT-Positionsrückmeldung vorgesehen ist, kann ein Ladedruck-Fehler herangezogen werden, um eine schleppende Turbolader-Betriebsleistung zu erkennen. Jedoch ist eine derartige Diagnose langsam, und es kann viele verschiedene Ursachen für einen derartigen Ladedruckfehler geben, z. B. häufig eine blockierte oder festgeklemmte VNT-Verstellung, aber auch ein Leck im Frischluftstrang oder einen überlasteten Abgaspartikelfilter.If no VNT position feedback is provided, a Boost pressure errors are used to slow the turbocharger operating performance to recognize. However, such a diagnosis is slow, and it can have many different causes for such a boost error give, for. B. often a blocked or jammed VNT adjustment, but also a leak in the fresh air line or an overloaded Exhaust particulate filter.
Wenn eine VNT-Positionsrückmeldung vorgesehen ist, kann die Positionsregelgröße mittels eines geschlossenen Regelkreises überwacht werden. Wenn die Positionsregelgröße groß ist, wird eine VNT-Störung diagnostiziert (z. B. blockierte oder festgeklemmte VNT-Verstellung). Diese Methode hat ebenfalls Nachteile, da die ECU (Electronic Control Unit, elektronisches Steuergerät) des Motors ein zusätzliches Meßsignal als Eingangssignal benötigt, nämlich die VNT-Positionsrückmeldung, was erhöhten Aufwand erfordert, und da die reale Rückmeldung driften kann, insbesondere in der heißen und rußigen Abgasumgebung.If a VNT position feedback is provided, the Position control variable by means of a closed Control circuit to be monitored. If the position rule size is large, a VNT disorder is diagnosed (eg blocked or clamped VNT adjustment). This method also has disadvantages, since the ECU (Electronic Control Unit, electronic Control unit) of the engine an additional measurement signal required as input signal, namely the VNT position feedback, which requires increased effort, and since the real feedback drifting, especially in the hot and sooty Exhaust environment.
In
der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besser geeignete Regel- und/oder Diagnosegröße für einen Turbolader mit variabler Geometrie sowie eine darauf basierende VNT-Regelung und VNT-Diagnose bereitzustellen.Of the The invention is based on the object of providing a more suitable control and / or diagnostic size for a turbocharger with variable geometry and a VNT control based on it and to provide VNT diagnosis.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, 4 oder 6, durch eine Anordnung gemäß Anspruch 9, 10 oder 11 und durch einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 12 gelöst.These Task is achieved by a method according to claim 1, 4 or 6, by an arrangement according to claim 9, 10 or 11 and by an internal combustion engine according to claim 12 solved.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Nachteile der gegenwärtigen Situation zu potentiellen Verbesserungen führen, wenn der Motor im Sinne der benötigten Turbinenleistung (= Kompressorleistung im Gleichgewichtszustand) zusätzlich zum Ladedruck im Einlaßverteiler angesteuert wird, wodurch eine bessere Übergangs-Betriebsleistung, eine bessere und schnellere Regelung und einfachere und zuverlässigere Diagnosefunktionen realisiert werden können. Insbesondere eröffnet die erfindungsgemäße Auswertung der Winkelgeschwindigkeit des Turboladers, d. h. seiner Drehzahl, zum einen verbesserte Regelungsmöglichkeiten und zum anderen bessere Diagnosemöglichkeiten.The invention is based on the recognition that the disadvantages of the current situation lead to potential improvements, if the engine in the sense of the required turbine power (= compressor power in steady state) in addition to the boost pressure in the intake manifold is controlled, whereby a better transition operating performance, better and faster control and simpler and more reliable diagnostic functions can be realized. In particular, the evaluation according to the invention of the angular velocity of the turbocharger, ie its rotational speed, on the one hand opens up improved control possibilities and on the other hand offers better diagnostic options.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Further Embodiments of the invention are the description and the dependent claims refer to.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The Invention is described below with reference to the illustrated in the drawings Embodiment exemplified in more detail. Show it:
Im Ausführungsbeispiel enthält ein Verbrennungsmotor einen Turbolader mit variabler Geometrie, nachfolgend auch VNT genannt, einen Drehzahlmesser für die Welle des Turboladers, weitere Sensoren zur Bestimmung von zusätzlichen Messgrößen, die nachfolgend erwähnt werden, und eine ECU.in the Embodiment includes an internal combustion engine a variable geometry turbocharger, also called VNT below, a tachometer for the shaft of the turbocharger, more Sensors for determining additional measured variables, which are mentioned below, and an ECU.
Im
Gleichgewichtszustand gleicht die Kompressorleistung der Turbinenleistung,
und die Welle des Turboladers wird nicht beschleunigt. Im Allgemeinen
sind das Turbinendrehmoment TT und das Kompressordrehmoment
TC jedoch wie folgt miteinander verknüpft:
Da
es keine Pumpfluktuation gibt und die Temperaturvariation stromaufwärts
des Kompressors sehr viel kleiner als stromaufwärts der
Turbine (d. h. im Abgassammler) ist, kann die Kompressorleistung
leicht berechnet werden. Die Turbinenleistung PT kann
in Übereinstimmung mit Gleichung (2) wie folgt berechnet
werden:
Da das Trägheitsmoment J der rotierenden Teile des Turboladers bekannt ist und dessen Drehzahl ω, aus der sich auch ω . ergibt, mittels eines Drehzahlmessers gemessen wird, kann die Übergangs-Turbinenleistung aus der Kompressorleistung berechnet werden.There the moment of inertia J of the rotating parts of the turbocharger is known and whose speed ω, from which also ω. reveals Measured by a tachometer, the transition turbine power calculated from the compressor capacity.
Mittels einer Standard-Sensorausstattung auf der Frischluftseite, die bei modernen Motoren normalerweise vorgesehen ist, können der Druck und die Temperatur stromaufwärts des Kompressors, der Druck stromabwärts des Kompressors (normalerweise im Einlaßverteiler gemessen) – und somit auch das Druckverhältnis entlang des Kompressors –, der Luftmassenstrom, der Wirkungsgrad gesamt zu statisch (eine Funktion der Drehzahl und des Druckverhältnisses) sowie die Temperatur stromaufwärts des Kompressors bestimmt werden. Dann erhält man die Kompressorleistung wie folgt: mit
- ηC
- Kompressorwirkungsgrad (gesamt zu statisch (total to static)),
- πC
- Kompressordruckverhältnis,
- γ
- Verhältnis cp/cν der spezifischen Wärmekapazität der Frischluft bei konstantem Druck zur spezifischen Wärmekapazität der Frischluft bei konstantem Volumen,
- ṁcorr
- korrigierter Kompressorgasstrom und
- Tupc
- Temperatur stromaufwärts des Kompressors.
- η C
- Compressor efficiency (total to static),
- π C
- Compressor pressure ratio,
- γ
- Ratio c p / c ν of the specific heat capacity of the fresh air at constant pressure to the specific heat capacity of the fresh air at constant volume,
- corr
- corrected compressor gas flow and
- T upc
- Temperature upstream of the compressor.
Dabei setzt sich ṁcorr zusammen aus: mit:
- ṁ
- Frischluftstrom, vom Sensor oder geschätzt
- Tref
- Referenztemperatur
- PupC
- Druck aufwärts des Kompressors
- Pref
- Referenzdruck
- m '
- Fresh air flow, from the sensor or estimated
- T ref
- reference temperature
- P upC
- Pressure up the compressor
- P ref
- reference pressure
Der Kompressorwirkungsgrad ηC setzt sich wiederum zusammen aus: mit
- TdnC
- Temperatur stromabwärts des Kompressors.
- T dnC
- Temperature downstream of the compressor.
Die Turbinenleistung PT kann wie folgt verwendet werden:
- – zur Regelung mit geschlossenem Regelkreis auf Basis der Leistung für eine bessere Übergangs-Betriebsleistung, da die Differenz zwischen der Turbinenleistung und der Kompressorleistung die Übergangs-Betriebsleistung (oder Beschleunigung) darstellt;
- – zur Vorwärtsregelung mit offenem Regelkreis auf Basis der Leistung für modellbasierte Turbolader-Steuerung;
- – zur Diagnose von Turbolader-Störungen durch Schätzen der ”Effizienz” der Turbine. Wenn die Turbine mehr oder weniger Leistung erzeugt als anhand der Berechnung der Kompressorleistung erwartet, gibt es eine Störung oder ein Problem, z. B. eine blockierte Schaufelverstellung für die Leitschaufeln des Turboladers auf der Abgasseite, ein Lagerproblem, einen Ölverlust od. dgl.
- - closed-loop control based on power for better transient operating performance, as the difference between turbine power and compressor power represents transient operating power (or acceleration);
- - open-loop forward control based on model-based turbocharger control power;
- - To diagnose turbocharger malfunctions by estimating the "efficiency" of the turbine. If the turbine produces more or less power than expected from the compressor power calculation, there is a fault or problem, e.g. B. a blocked blade adjustment for the vanes of the turbocharger on the exhaust side, a storage problem, an oil loss od. Like.
In
den Blöcken
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