DE102009053354A1

DE102009053354A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009053354A1
Application number: DE102009053354A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Schnorbus
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-05-19

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und mit einem Turbolader, sowie Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, mit einer Abgasanlage und einem Turbolader.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und mit einem Turbolader, sowie eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, mit einer Abgasanlage und einem Turbolader.
Ein hohes Potenzial zur Verringerung der Stickoxid-Emissionen bei gleichzeitiger Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei Dieselmotoren bietet die Niederdruck-Abgasrückführung. Bei den häufig durch einen Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist die Regelung des Abgasturboladers anhand des Ladedrucks im Einlasskanal und der Luft- und Abgasrückführungsmengen üblich. Die DE 197 51 977 C2 offenbart eine solche Steuerung für den Ladedruck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, deren Abgasturbolader ein Stellglied für den Ladedruck, insbesondere eine verstellbare Turbinengeometrie aufweist.
Der variable Einsatz einer äußeren Abgasrückführung, insbesondere einer Niederdruck-Abgasrückführung führt jedoch auch zu stark variierenden Wirkungsgraden des Aufladesystems. Die Steuerung des Abgasturboladers auf Basis des Ladedrucks hat besonders im transienten Fahrbetrieb den Nachteil, dass wechselnde und häufig für den Verdichterwirkungsgrad ungünstige Druckverhältnisse herrschen. Der Einsatz von Partikelfiltern verstärkt das Problem zusätzlich, da der Beladungsgrad des Partikelfilters die Druckverhältnisse des Aufladesystems ebenfalls beeinflusst, was durch eine Ladedruckregelung nicht erfasst werden kann.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und mit einem Turbolader, sowie eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, mit einer Abgasanlage und einem Turbolader anzugeben, welche eine wirkungsgradoptimierte Aufladung erlauben.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und mit einem Turbolader zur Aufladung der Ladeluft wird Abgas aus der Abgasanlage entnommen und über eine Abgasrückführung der Ladeluft zugeführt. Zu einer Regelung des Turboladers wird zumindest zeitweise ein Ist-Wert eines Spülgefälles der Brennkraftmaschine herangezogen. Unter dem Spülgefälle im Sinne der Erfindung ist die Druckdifferenz zwischen dem Ladedruck vor der Brennkraftmaschine und dem Abgasdruck oder auch Abgasgegendruck hinter der Brennkraftmaschine zu verstehen, wobei das Spülgefälle während des Spülens, also im Zeitraum der Ventilüberschneidung von Einlass- und Auslassventilen, auftritt. Das Spülgefälle ist dementsprechend ein dynamischer Druck, welcher sich im Arbeitsspiel laufend verändert. Der Turbolader wird erfindungsgemäß derart geregelt, dass das Spülgefälle einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
Diese Regelung hat den Vorteil, dass stabile Druckverhältnisse geschaffen werden, welche einen günstigen Wirkungsgrad eines Verdichters des Turboladers ermöglichen. Darüber hinaus wird die Regelung der Massenflüsse in der Abgasrückführung, beispielsweise durch ein Abgasrückführungsventil, durch die stabilen Druckverhältnisse vorteilhafterweise verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Regelung des Turboladers nach dem Ist-Wert des Spülgefälles bei einem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine, besonders bevorzugt nur bei einem transienten Fahrbetrieb. Weiterhin bevorzugt wird ein Ladedruck vor der Brennkraftmaschine als zusätzliche Regelgröße bei der Regelung des Turboladers herangezogen, nämlich insbesondere bei nicht transientem Betrieb der Brennkraftmaschine, da in diesem Fall ohnehin keine Probleme mit variierenden Druckverhältnissen am Verdichter vorliegen. Zur Regelung des Turboladers wird vorzugsweise ein Stellglied angesteuert, welches zur Einstellung einer variablen Turbinengeometrie oder eines Wastegates des Turboladers geeignet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das aus der Abgasanlage entnommene Abgas hinter einer Abgasturbine des Turboladers entnommen. Besonders bevorzugt wird das aus der Abgasanlage entnommene Abgas zum Teil hinter einer Abgasturbine des Turboladers und zum Teil vor der Abgasturbine entnommen. Durch die erfindungsgemäße Spülgefälleregelung lässt sich besonders vorteilhaft die durch Druckschwankungen bei einer kombinierten Hochdruck-/Niederdruck-Abgasrückführung hervorgerufene Minderung des Verdichterwirkungsgrads vermeiden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Istwert des Spülgefälles als Differenz aus einem gemessenen Wert eines Ladedrucks vor der Brennkraftmaschine und einem vor der Abgasturbine herrschenden Abgasgegendruck bestimmt. Besonders bevorzugt wird der Abgasgegendruck aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine modelliert und/oder gemessen. Die Messung der genannten Betriebsdrücke wird mittlerweile auch bei Serienfahrzeugen häufig bereits durchgeführt, so dass vorteilhaft kein zusätzlicher Sensor vorgesehen werden muss. Die Modellierung kann die Messung ersetzen oder zur Verifizierung dienen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, mit einer Abgasanlage und einem Turbolader, wobei eine Abgasrückführung die Abgasanlage mit einer Zuführung für Ladeluft verbindet. Eine Regelstrategie zur Regelung des Turboladers ist vorgesehen, welche zumindest zeitweise einen Ist-Wert eines Spülgefälles des Verbrennungsmotors zur Regelung des Turboladers heranzieht und wobei der Turbolader nach der Regelstrategie derart geregelt ist, dass das Spülgefälle einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Zur Regelung des Turboladers weist dieser vorzugsweise eine verstellbare Turbinengeometrie aufweist. Alternativ weist der Turbolader ein Wastegate auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abgasrückführung eine Niederdruck-Abgasrückführung. Besonders bevorzugt ist die Abgasrückführung eine kombinierte Niederdruck-/Hochdruck-Abgasrückführung. Die Abgasanlage weist insbesondere bevorzugt einen Partikelfilter auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in einer Ausführungsform anhand einer Zeichnung erläutert, wobei die Erläuterungen sich ebenso auf das erfindungsgemäße Verfahren, wie auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine beziehen. Die Ausführungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Es zeigen
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, mit einer Abgasanlage und einem Turbolader, in einer schematischen Darstellung;
2 eine schematische Darstellung einer möglichen Implementierung der Regelung bei der Ausführungsform gemäß 1, in einem Diagramm.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 8 mit einer Abgasanlage 9 und einem Turbolader 14, 15, 16 schematisch dargestellt. Ein Motorblock 11 wird über eine Luftzufuhr 12 mit Frischluft versorgt, welche durch einen Verdichter 14 auf einen Ladedruck P2 verdichtet wird. Der Ladedruck P2 wird beispielsweise mittels eines Sensors 19 gemessen. Die Abgasanlage 9 umfasst einen Abgasstrang 13, über welchen Verbrennungsabgase aus dem Motor 11 an die Umgebung abgegeben werden. Ein Sensor 20 misst den Abgasdruck P3 in einem Bereich zwischen dem Motor 11 und einer Abgasturbine 16, welche in der dargestellten Ausführungsform den Verdichter 14 über eine mechanische Verbindung 15 antreibt. Die Abgasanlage 9 kann darüber hinaus einen nicht dargestellten Partikelfilter umfassen.
Durch die unterbrochenen Linien mit den Bezugszeichen 17 und 18 sind mögliche Abgasrückführungen angedeutet, nämlich eine Niederdruck-Abgasrückführung 17, über welche in der Abgasturbine 16 bereits entspanntes Abgas zu der Luftzufuhr 12 geführt wird, sowie eine Hochdruck-Abgasrückführung 18, welche das rückzuführende Abgas bereits vor der Abgasturbine 16 abzweigt. Der Aufbau von Abgasrückführungen, insbesondere auch von kombinierten Hochdruck-/Niederdruck-Abgasrückführungen ist dem Fachmann bekannt. In der schematischen Darstellung sind daher bekanntermaßen notwendige technische Details, wie steuerbare Ventile, Luftmengenmesser oder auch ein Ladeluftkühler nicht gezeigt.
In einem Steuerblock 10 wird ein Ist-Wert des Spülgefälles aus dem Ladedruck P2 und dem Abgasdruck P3 berechnet. Zur Regelung des Spülgefälles auf einen vorgegebenen Sollwert wird durch den Steuerblock 10 ein Steller 5 angesteuert, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel eine verstellbare Turbinengeometrie der Abgasturbine 16 betätigt.
In der 2 ist schematisch eine möglichen Implementierung der Regelung durch den Steuerblock 10 in 1 in einem Diagramm dargestellt. Der Ladedruck P2 und der Abgasdruck P3 werden gemäß 1 gemessen. Durch eine Subtraktion des Abgasdrucks P3 von dem Ladedruck P2 wird der Ist-Wert des Spülgefälles in einem ersten Rechenoperator 1 ermittelt. In einem zweiten Rechenoperator 3 wird der Ist-Wert des Spülgefälles von einem Sollwert für das Spülgefälle subtrahiert. Die Differenz wird in einem Regler 4 verarbeitet, der ein Signal für den Steller 5 (vgl. 1) zur Einstellung der Abgasturbine 16 generiert, wobei das generierte Signal die Abgasturbine 16 derart verstellt, dass die Differenz am Rechenoperator 3 minimiert wird.
Der theoretische Sollwert für das Spülgefälle wird in einem Berechnungsblock für das Sollspülgefälle 6 erzeugt, wobei der theoretische Sollwert in Anhängigkeit von einer Motordrehzahl N und einer Einspritzmenge M festgelegt wird. Der festgelegte theoretische Sollwert wird in einem dritten Rechenoperator 2 mit einem Korrekturwert, welcher von einem Korrekturblock 7 geliefert wird, addiert und bildet dann den an den zweiten Rechenoperator 3 gelieferten tatsächlich Sollwert des Spülgefälles. in dem Korrekturblock 7 werden Grenzwerte ermittelt, insbesondere die zulässigen Werte für den Ladedruck P2. Dazu werden neben den Eingangsparametern Motordrehzahl N und Einspritzmenge M auch eine Sauerstoffkonzentration O, ein Luftmassendurchsatz L des Verdichters 14 und der aktuelle Ladedruck P2 herangezogen.
Bezugszeichenliste

1: Erster Rechenoperator
2: Dritter Rechenoperator
3: Zweiter Rechenoperator
4: Regler
5: Steller
6: Berechnungsblock für das Sollspülgefälle
7: Korrekturblock
8: Brennkraftmaschine
9: Abgasanlage
10: Steuerblock
11: Motor
12: Luftzufuhr
13: Abgasstrang
14: Verdichter
15: Mechanische Verbindung
16: Abgasturbine
17: Niederdruck-Abgasrückführung
18: Hochdruck-Abgasrückführung
19: Sensor für Ladedruck P2
20: Sensor für Abgasdruck P3
P2: Ladedruck
P3: Abgasdruck
L: Luftmassendurchsatz des Verdichters
N: Motordrehzahl
M: Einspritzmenge
O: Sauerstoffkonzentration

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19751977 C2 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (8) mit einer Abgasanlage (9) und mit einem Turbolader (14, 15, 16) zur Aufladung der Ladeluft, wobei Abgas aus der Abgasanlage (9) entnommen und über eine Abgasrückführung (17, 18) der Ladeluft zugeführt wird, wobei zu einer Regelung des Turboladers zumindest zeitweise ein Ist-Wert eines Spülgefälles der Brennkraftmaschine herangezogen wird und der Turbolader derart geregelt wird, dass das Spülgefälle einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Turboladers (17, 18) nach dem Ist-Wert des Spülgefälles erfolgt, wenn ein transienter Betrieb der Brennkraftmaschine (8) vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Abgasanlage (9) entnommene Abgas hinter einer Abgasturbine (16) des Turboladers entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Abgasanlage (9) entnommene Abgas zum Teil hinter einer Abgasturbine (16) des Turboladers und zum Teil vor der Abgasturbine entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Wert des Spülgefälles als Differenz aus einem gemessenen Wert eines Ladedrucks (P2) vor einem Motorblock (11) und einem vor der Abgasturbine (16) herrschenden Abgasdruck (P3) bestimmt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasdruck (P3) aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (8) modelliert wird und/oder gemessen wird.
Brennkraftmaschine (8) für ein Fahrzeug, mit einer Abgasanlage (9) und einem Turbolader (14, 15, 16), wobei eine Abgasrückführung (17, 18) die Abgasanlage (9) mit einer Zuführung (12) für Ladeluft verbindet, wobei eine Regelstrategie zur Regelung des Turboladers vorgesehen ist, welche zumindest zeitweise einen Ist-Wert eines Spülgefälles der Verbrennungskraftmaschine (8) zur Regelung des Turboladers heranzieht und wobei der Turbolader nach der Regelstrategie derart geregelt ist, dass das Spülgefälle einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung (17) eine Niederdruck-Abgasrückführung ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführung (17, 18) eine kombinierte Niederdruck-/Hochdruck-Abgasrückführung ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasanlage (9) einen Partikelfilter aufweist.