DE102009043207B4

DE102009043207B4 - Motorsteuermodul und Verfahren zum Schützen einer Turbine vor temperaturbedingten Beschädigungen

Info

Publication number: DE102009043207B4
Application number: DE102009043207.8A
Authority: DE
Inventors: Robert J. Sutschek; Steven J. Andrasko; Christopher J. Kalebjian; Yun Xiao; Thomas L. Bahensky
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: DE102009043207A1; CN101713346A; US20100082221A1; US8255140B2

Abstract

Motorsteuermodul (32), das umfasst:ein Leistungsmodul (82), das die Motorausgangsleistung auf der Basis einer Turbinentemperatur steuert; undein Turbinentemperaturmodul (80), das die Turbinentemperatur bestimmt;dadurch gekennzeichnet , dassdas Leistungsmodul (82) die Motorausgangsleistung durch Verringern des Ladedrucks verringert, wenn die Turbinentemperatur größer als eine oder gleich einer vorbestimmten Schwellentemperatur ist; und dassdas Turbinentemperaturmodul (80) die Turbinentemperatur auf der Basis einer stationären Motorkalibrierung und entweder der Temperatur der Abgase im Auslasskrümmer oder der Temperatur der Abgase bestimmt, die in die Turbine eintreten.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Motorsteuersysteme und insbesondere auf ein Motorsteuermodul und ein Verfahren zum Schützen einer Turbine vor temperaturbedingten Beschädigungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11, wie beispielsweise aus der DE 199 24 274 A1 bekannt.
Ferner ist es aus der DE 10 2005 048 692 A1 bekannt, zum Schutz der Turbine vor Überhitzung den Ladedruck zu reduzieren.
HINTERGRUND
Dieselmotorsysteme verwenden Turbolader, um die Motorleistung und den Motorwirkungsgrad zu erhöhen. Turbolader umfassen eine Turbinenstufe, die mit einem Kompressor verbunden ist. Die Turbinenstufe umfasst eine Turbine und empfängt Motorabgase durch einen Turbineneinlass. Die Abgase bewirken, dass sich die Turbine mit einer Turbinendrehzahl dreht. Die sich drehende Turbine treibt den Kompressor an, um Umgebungsluft anzusaugen. Der Kompressor komprimiert die Umgebungsluft und liefert die komprimierte Umgebungsluft zu einem Einlasskrümmer mit einem erhöhten Druck, der Ladedruck genannt wird. Auf Grund des erhöhten Drucks im Einlasskrümmer tritt während eines Einlasshubs eine größere Luftmasse in einen Zylinder ein. Die größere Luftmasse kann mit einer größeren Menge an Kraftstoff vermischt werden, um die Motorleistung zu erhöhen.
Ein Motor-Controller kann die Turbinendrehzahl und den Ladedruck in verschiedenen Weisen steuern. Der Motor-Controller kann die Turbinendrehzahl durch Öffnen eines Ladedruckbegrenzers, der die Abgase von der Turbine weg lenkt, senken. Alternativ kann der Motor-Controller die Schaufeln einer Turbine mit verstellbarer Düse steuern, um die Strömung der Abgase durch die Turbine selektiv zu drosseln.
Der Turbolader-Wirkungsgrad wird bei hohen Höhen über dem Meeresspiegel auf Grund einer Verringerung der Luftdichte verringert. Der Motor-Controller kompensiert hohe Höhen über dem Meeresspiegel durch Erhöhen der Turbinendrehzahl. Die Turbinendrehzahl wird durch Erhöhen eines Auslassdrucks erhöht, was wiederum eine Auslasstemperatur erhöht. Die Erhöhung der Auslasstemperatur erhitzt die Turbine. Die Auslasstemperatur kann auch während eines Übergangsmotorbetriebs, wenn der Motor mit einer erhöhten Last beaufschlagt wird, zunehmen. Hohe Auslasstemperaturen können die Turbine beschädigen und einen Ausfall des Turboladers verursachen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Motorsteuermodul umfasst erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1.
Ein Verfahren umfasst erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 11.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur Erläuterungszwecken.

1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Dieselmotorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Motorsteuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zum Schützen einer Turbine gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft. Selbstverständlich geben in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale an. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Herkömmlich werden der Motor und der Turbolader unter Verwendung einer Steuerung betrieben, um die Turbine vor einer Beschädigung auf Grund von Wärme zu schützen. In Steuersystemen wird die durch den Motor und den Turbolader entwickelte Leistung durch eine Fehlertoleranz begrenzt. Die dem Motor und dem Turbolader während der Steuerung auferlegten Leistungsbegrenzungen führen zu einer unvollständigen Nutzung der Motorsystemressourcen, insbesondere bei hohen Höhen über dem Meeresspiegel und während einer Motorbelastung. Das Turbinenschutzsystem der vorliegenden Offenbarung schützt die Turbine durch Bestimmen einer Turbinentemperatur auf der Basis einer Sensorrückkopplung. Unter Verwendung der Sensorrückkopplung können der Motor und der Turbolader betrieben werden, um ohne das Risiko einer Turbinenbeschädigung eine größere Leistung zu liefern.
In 1 umfasst ein Dieselmotorsystem 20 nun einen Motor 22, der ein Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Luft wird durch einen Einlass 26 in einen Einlasskrümmer 24 gesaugt. Eine Drossel (nicht dargestellt) kann enthalten sein, um die Luftströmung in den Einlasskrümmer 24 zu regulieren. Luft innerhalb des Einlasskrümmers 24 wird in die Zylinder 28 verteilt. Obwohl 1 acht Zylinder darstellt, kann der Motor 22 zusätzliche oder weniger Zylinder 28 umfassen. Beispielsweise werden Motoren mit 4, 5, 6, 10, 12 und 16 Zylindern in Betracht gezogen.
Das Motorsystem 20 umfasst ein Motorsteuermodul (ECM) 32, das mit Komponenten des Motorsystems 20 kommuniziert. Die Komponenten des Motorsystems 20 können den Motor 22, Sensoren und Steuerelemente, wie hierin erörtert, umfassen. Das ECM 32 kann das Turbinenschutzsystem der vorliegenden Offenbarung implementieren.
Luft wird vom Einlass 26 durch einen Luftmassensensor (MAF-Sensor) 34 geleitet. Der MAF-Sensor 34 erzeugt ein MAF-Signal, das eine Rate der durch den MAF-Sensor 34 strömenden Luft anzeigt. Ein Krümmerdrucksensor (MAP-Sensor) 36 ist im Einlasskrümmer 24 zwischen dem Einlass 26 und dem Motor 22 angeordnet. Der MAP-Sensor 36 erzeugt ein MAP-Signal, das den Luftdruck im Einlasskrümmer 24 anzeigt. Ein Krümmerlufttemperatursensor (MAT-Sensor) 38, der sich im Einlasskrümmer 24 befindet, erzeugt ein MAT-Signal auf der Basis der Einlasslufttemperatur.
Eine Motorkurbelwelle (nicht dargestellt) dreht sich mit der Motordrehzahl oder mit einer Rate, die zur Motordrehzahl proportional ist. Ein Kurbelwellensensor 40 erfasst eine Position der Kurbelwelle und erzeugt ein Kurbelwellenpositionssignal (CSP-Signal). Das CSP-Signal kann mit der Drehzahl der Kurbelwelle und Zylinderereignissen in Zusammenhang stehen. Nur als Beispiel kann der Kurbelwellensensor 40 ein Sensor mit variabler Reluktanz sein. Die Motordrehzahl und die Zylinderereignisse können unter Verwendung von anderen geeigneten Verfahren erfasst werden.
Das ECM 32 steuert Kraftstoffeinspritzdüsen 42, um Kraftstoff in die Zylinder 28 einzuspritzen. Ein Einlassventil 44 öffnet und schließt sich selektiv, um zu ermöglichen, dass Luft in den Zylinder 28 eintritt. Eine Einlassnockenwelle (nicht dargestellt) reguliert die Einlassventilposition. Ein Kolben (nicht dargestellt) komprimiert und verbrennt das Luft/KraftstoffGemisch innerhalb des Zylinders 28. Der Kolben treibt die Kurbelwelle während eines Arbeitshubs an, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Abgase, die sich aus der Verbrennung innerhalb des Zylinders 28 ergeben, werden durch einen Auslasskrümmer 46 gedrängt, wenn sich ein Auslassventil 48 in einer offenen Position befindet. Eine Auslassnockenwelle (nicht dargestellt) reguliert die Auslassventilposition. Ein Auslasskrümmerdruck-Sensor (EMP-Sensor) 50 erzeugt ein EMP-Signal, das den Auslasskrümmer-Luftdruck anzeigt.
Die Abgase können durch einen Katalysator und einen Dieselpartikelfilter (beide nicht dargestellt) behandelt werden. Ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) mit einem AGR-Ventil 58 und einer AGR-Leitung 60 kann auch die Abgase verwenden. Das AGR-System kann eine Verbindung zwischen dem Einlasskrümmer 24 und dem Auslasskrümmer 46 schaffen. Das AGR-Ventil 58 kann am Einlasskrümmer 24 angebracht sein. Die AGR-Leitung 60 kann sich vom Auslasskrümmer 46 zum AGR-Ventil 58 erstrecken, was eine Verbindung zwischen dem Auslasskrümmer 46 und dem AGR-Ventil 58 schafft. Das ECM 32 steuert eine Position des AGR-Ventils 58.
Der Motor 22 umfasst einen Turbolader 62. Der Turbolader 62 umfasst eine Turbine 64, einen Kompressor 66 und einen Turbineneinlasstemperatur-Sensor (TTI-Sensor) 68. Die Turbine 64 kann durch die Abgase angetrieben werden, die durch einen Turbineneinlass empfangen werden. Nur als Beispiel kann die Turbine 64 eine Turbine mit verstellbarer Düse sein. Die Turbine 64 treibt den Kompressor 66 an, um die Luftströmung in den Einlasskrümmer 24 zu erhöhen. Die erhöhte Luftströmung verursacht eine Erhöhung des Einlasskrümmerdrucks (d. h. des Ladedrucks). Das ECM 32 steuert die Turbine 64, um selektiv die Strömung der Abgase zu drosseln, wodurch der Ladedruck gesteuert wird. Der TTI-Sensor 68 erzeugt ein TTI-Signal. Das TTI-Signal zeigt die Temperatur der Abgase, die in die Turbine 64 eintreten, an. Das TTI-Signal kann auch die Temperatur der Abgase im Auslasskrümmer 46 anzeigen.
In 2 umfasst das ECM 32 nun ein Turbineneinlasstemperatur-Modul (TTI-Modul) 80 und ein Leistungsmodul 82. Das ECM 32 empfängt Eingangssignale vom Dieselmotorsystem 20. Die Eingangssignale umfassen die MAF-, MAP-, MAT-, CSP- und EMP-Signale. Die Eingangssignale werden nachstehend als „Motorsystemsignale“ bezeichnet. Das ECM 32 verarbeitet die Motorsystemsignale und erzeugt zeitlich gesteuerte Motorsteuerbefehle, die an das Dieselmotorsystem 20 ausgegeben werden. Die Motorsteuerbefehle können Signale umfassen, die die Kraftstoffeinspritzdüsen 42, das AGR-Ventil 58 und die Turbine 64 steuern.
Das TTI-Modul 80 bestimmt die Turbinentemperatur auf der Basis einer stationären Motorkalibrierung und von TTI-Signalen, die vom TTI-Sensor 68 empfangen werden. Die Turbinentemperatur kann die Temperatur von Komponenten, die die Turbine 64 bilden, anzeigen. Die Turbine 64 kann beschädigt werden, wenn die Turbinentemperatur größer als oder gleich einer vorbestimmten Schwellentemperatur ist. Die vorbestimmte Schwellentemperatur wird nachstehend als „Turbinenschwellentemperatur“ bezeichnet.
Die stationäre Motorkalibrierung kann das Bestimmen von Temperaturen des Motors 22 und der Turbine 64 bei einer Vielfalt von Motorbetriebsbedingungen (z. B. Motordrehzahl als Funktion der Motorlast) umfassen. Die stationäre Motorkalibrierung kann auf dem Betreiben des Motors 22 und der Turbine 64 in einem thermisch gesättigten und stabilen Zustand, bis die Turbinentemperatur die Turbinenschwellentemperatur erreicht, basieren. Der thermisch gesättigte und stabile Zustand kann das Betreiben des Motors 22 und der Turbine 64, bis der Motor 22 und die Turbine 64 für eine Zeitdauer eine stabile Temperatur erreicht haben, umfassen.
Das TTI-Modul 80 kann auch die Turbinentemperatur auf der Basis einer Kombination der stationären Motorkalibrierung, der TTI-Signale und der Motorsystemsignale bestimmen. Der TTI-Sensor 68 kann sich im Turbineneinlass befinden. Anstelle des TTI-Sensors 68 kann ein TTI-Sensormodell, das die Funktionen des TTI-Sensors 68 simuliert, im TTI-Modul 80 implementiert werden. Das TTI-Sensormodell kann auf den Motorsystemsignalen basieren. Das TTI-Sensormodell kann auch auf der stationären Motorkalibrierung basieren.
Das Leistungsmodul 82 empfängt die Turbinentemperatur. Das Leistungsmodul 82 steuert die Turbine 64 und die Kraftstoffeinspritzdüsen 42 auf der Basis der Turbinentemperatur. Wenn die Turbinentemperatur geringer ist als die Turbinenschwellentemperatur, kann das Leistungsmodul 82 die Leistung des Motors 22 durch Erhöhen der Kraftstoffeinspritzung und/oder des Ladedrucks erhöhen. Wenn die Turbinentemperatur größer als oder gleich der Turbinenschwellentemperatur ist, verringert das Leistungsmodul 82 die Leistung des Motors 22 durch Verringern des Ladedrucks und gegebenenfalls zusätzlich durch Verringern der Kraftstoffeinspritzung.
In 3 beginnt nun ein Verfahren 100 zum Schützen einer Turbine in Schritt 101. In Schritt 102 bestimmt das TTI-Modul 80 die Turbineneinlasstemperatur auf der Basis der Signale, die vom TTI-Sensor 68 und/oder vom TTI-Sensormodell empfangen werden. In Schritt 104 bestimmt das TTI-Modul 80 die Turbinentemperatur auf der Basis der Turbineneinlasstemperatur. In Schritt 106 bestimmt das Leistungsmodul 82, ob die Turbinentemperatur größer als oder gleich der Turbinenschwellentemperatur ist. Falls dies falsch ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 108 weiter. Falls es wahr ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter. In Schritt 108 kann das Leistungsmodul 82 die Kraftstoffeinspritzung und/oder den Ladedruck erhöhen. In Schritt 110 verringert das Leistungsmodul 82 den Ladedruck und gegebenenfalls zusätzlich die Kraftstoffeinspritzung. Das Verfahren 100 endet in Schritt 112.

Claims

Motorsteuermodul (32), das umfasst: ein Leistungsmodul (82), das die Motorausgangsleistung auf der Basis einer Turbinentemperatur steuert; und ein Turbinentemperaturmodul (80), das die Turbinentemperatur bestimmt; dadurch gekennzeichnet , dass das Leistungsmodul (82) die Motorausgangsleistung durch Verringern des Ladedrucks verringert, wenn die Turbinentemperatur größer als eine oder gleich einer vorbestimmten Schwellentemperatur ist; und dass das Turbinentemperaturmodul (80) die Turbinentemperatur auf der Basis einer stationären Motorkalibrierung und entweder der Temperatur der Abgase im Auslasskrümmer oder der Temperatur der Abgase bestimmt, die in die Turbine eintreten.
Motorsteuermodul nach Anspruch 1, wobei die stationäre Motorkalibrierung das Betreiben eines Motors (22) und einer Turbine (64) in einem thermisch gesättigten und stabilen Zustand umfasst.
Motorsteuermodul nach Anspruch 1, wobei die Turbineneinlasstemperatur durch einen Turbineneinlasstemperatur-Sensor (68) erfasst wird.
Motorsteuermodul nach Anspruch 1, wobei das Turbinentemperaturmodul (80) die Turbineneinlasstemperatur auf der Basis eines Turbineneinlasstemperatur-Sensormodells bestimmt.
Motorsteuermodul nach Anspruch 4, wobei das Turbineneinlasstemperatur-Sensormodell auf einer stationären Motorkalibrierung basiert.
Motorsteuermodul nach Anspruch 5, wobei die stationäre Motorkalibrierung das Betreiben eines Motors (22) und einer Turbine (64) in einem thermisch gesättigten und stabilen Zustand umfasst.
Motorsteuermodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungsmodul (82) die Motorausgangsleistung durch Erhöhen der Kraftstoffeinspritzung erhöht, wenn die Turbinentemperatur geringer ist als die vorbestimmte Schwellentemperatur.
Motorsteuermodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungsmodul (82) die Motorausgangsleistung durch Verringern der Kraftstoffeinspritzung verringert, wenn die Turbinentemperatur größer als oder gleich der vorbestimmten Schwellentemperatur ist.
Motorsteuermodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungsmodul (82) die Motorausgangsleistung durch Steuern einer Drehzahl einer Turbine (64) steuert.
Motorsteuermodul nach Anspruch 9, wobei die Turbine (64) eine Turbine mit verstellbarer Düse umfasst.
Verfahren, das umfasst: Steuern der Motorausgangsleistung auf der Basis einer Turbinentemperatur; und Bestimmen der Turbinentemperatur; gekennzeichnet durch Verringern der Motorausgangsleistung durch Verringern des Ladedrucks, wenn die Turbinentemperatur größer als oder gleich einer vorbestimmten Schwellentemperatur ist; und durch Bestimmen der Turbinentemperatur auf der Basis einer stationären Motorkalibrierung und entweder der Temperatur der Abgase im Auslasskrümmer oder der Temperatur der Abgase, die in die Turbine eintreten.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Bestimmen der Turbinentemperatur auf der Basis des Betreibens eines Motors (22) und einer Turbine (64) in einem thermisch gesättigten und stabilen Zustand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Erfassen der Turbineneinlasstemperatur unter Verwendung eines Turbineneinlasstemperatur-Sensors (68) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Bestimmen der Turbineneinlasstemperatur auf der Basis eines Turbineneinlasstemperatur-Sensormodells umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Bestimmen der Turbineneinlasstemperatur auf der Basis einer stationären Motorkalibrierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Bestimmen der Turbineneinlasstemperatur auf der Basis des Betreibens eines Motors (22) und einer Turbine (64) in einem thermisch gesättigten und stabilen Zustand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Erhöhen der Motorausgangsleistung durch Erhöhen der Kraftstoffeinspritzung umfasst, wenn die Turbinentemperatur geringer ist als die vorbestimmte Schwellentemperatur.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Verringern der Motorausgangsleistung durch Verringern der Kraftstoffeinspritzung umfasst, wenn die Turbinentemperatur größer als oder gleich der vorbestimmten Schwellentemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Steuern der Motorausgangsleistung durch Steuern einer Drehzahl einer Turbine (64) umfasst.