DE102010010362B4

DE102010010362B4 - System und Verfahren zum Steuern des Betriebs einer Brennkraftmaschine mit einer Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie

Info

Publication number: DE102010010362B4
Application number: DE102010010362.4A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Xiaobin Li; Hongxun Gao; Ibrahim Haskara
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2030-03-06
Also published as: DE102010010362A1; US20100242470A1; US8209979B2; CN101845986B; CN101845986A

Abstract

System, das zur Regelung einer Brennkraftmaschine, die eine Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie umfasst, nützlich ist, wobei das System umfasst: eine Vielzahl von Sensoren, die Informationen mit Bezug auf einen Betrieb der Maschine bereitstellen, die eine Maschinendrehzahl, eine Maschinenlast, einen Abgasdruck, einen Ladedruck, und eine Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie umfassen; ein Steuerungsmodul mit einem Speicher, das zur Aufnahme einer Vielzahl von Eingängen ausgestaltet ist und zum Bereitstellen mindestens eines Ausgangssignals in Ansprechen auf die Eingänge ausgestaltet ist, wobei das Steuerungsmodul ferner: mindestens vier Eingänge empfängt, die aus einer Gruppe gewählt sind, die aus der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, dem Abgasdruck, dem Ladedruck, einer Abgasdruckgrenze, und einer Ladedruckgrenze besteht; eine mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für mindestens eine Maschinensystemkomponente ermittelt, die aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Umgehungsventil und einer Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie besteht, wenn die Maschine unter einer ersten Last mit einer ersten Drehzahl betrieben wird, wobei die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für das Umgehungsventil auf der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie basiert und die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für die Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie auf der Orientierung des Umgehungsventils basiert; einen Befehl zum Bewirken einer Orientierungsänderung der mindestens einen Maschinensystemkomponente ausgibt, um die erste Orientierung im Wesentlichen zu erreichen; die Information mit Bezug auf die Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie empfängt; und eine mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für mindestens eine Maschinensystemkomponente, die aus einer Gruppe gewählt ist, die aus dem Umgehungsventil und der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie besteht, in Ansprechen auf mindestens fünf Eingänge ermittelt, die aus einer Gruppe gewählt sind, die aus der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie, der Ladedruckgrenze, dem Ladedruck, der Abgasdruckgrenze und dem Abgasdruck besteht, wenn die Maschine unter einer zweiten Last bei einer zweiten Drehzahl ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein System und ein Verfahren zum Steuern des Betriebs einer Brennkraftmaschine mit einer Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie.
HINTERGRUND
Moderne Brennkraftmaschinen, die mit Systemen ausgestattet sind, welche Zwangsansaugkomponenten umfassen, wie etwa Turbolader, sind typischerweise mit Regelungssystemen ausgestattet, um deren Arbeitsweise einschließlich deren Verhaltenskennlinien zu regeln. Eine derartige Kontrolle über den Maschinenbetrieb und Abgasströme wird größtenteils durch die Platzierung verschiedener Sensortypen um die Maschinen herum ermöglicht, wobei die Sensoren Ausgänge aufweisen, die als Eingänge zu einem oder mehreren Steuerungsmodulen geleitet werden, welche wiederum in funktionaler Steuerung mit verschiedenen Maschinensteuerungsmitteln stehen, um unter anderem den Druck von Maschinenabgasen und den Turboladerladedruck zu regeln.
Bei Veränderungen von Betriebsbedingungen, wie etwa Änderungen bei der Maschinenlast und der Maschinendrehzahl, unterliegen Maschinen, die mit Zwangsansaugkomponenten ausgestattet sind, aufgrund plötzlicher transienter Abfälle beim Turbinenwirkungsgrad oft einem verringerten Wirkungsgrad und zeitweiligem Leistungsverlust.
Die Druckschrift DE 10 2008 022 083 A1 offenbart ein Verfahren zum Regeln einer Brennkraftmaschine, welches umfasst, dass die Maschine unter einer ersten Last mit einer ersten Drehzahl betrieben wird und mindestens fünf Parameter ermittelt werden, die aus einer Gruppe gewählt sind, die besteht aus einer Maschinendrehzahl, einer Maschinenlast, einem Abgasdruck, einer Abgasdruckgrenze, einem Ladedruck, einer Ladedruckgrenze und einer Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie. Es wird eine erste Orientierung für mindestens eine Maschinensystemkomponente ermittelt, die aus einer Gruppe gewählt ist, die besteht aus einem Umgehungsventil und der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie. Eine Orientierung der mindestens einen Maschinensystemkomponente wird verändert, um die erste Orientierung im Wesentlichen zu erreichen. Die Maschine wird unter einer zweiten Last mit einer zweiten Drehzahl betrieben und eine zweite Orientierung für die mindestens eine Maschinensystemkomponente wird in Ansprechen auf eine Orientierungsinformation ermittelt, welche mit mindestens fünf Parametern in Beziehung steht, die aus einer Gruppe gewählt sind, die besteht aus der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie, der Ladegrenze, dem Ladedruck, der Abgasdruckgrenze und dem Abgasdruck. Eine Orientierung der mindestens einen Maschinensystemkomponente wird verändert, um die zweite Orientierung im Wesentlichen zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren anzugeben, mit denen sich effektiv der Betrieb einer Brennkraftmaschine, die eine Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie umfasst, steuern lässt.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Brennkraftmaschine umfasst eine Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln der Brennkraftmaschine umfasst, dass die Maschine unter einer ersten Last mit einer ersten Drehzahl betrieben wird und mindestens fünf Parameter ermittelt werden, die aus einer Gruppe gewählt sind, die besteht aus einer Maschinendrehzahl, einer Maschinenlast, einem Abgasdruck, einer Abgasdruckgrenze, einem Ladedruck, einer Ladedruckgrenze und einer Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie. Es wird eine mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für mindestens eine Maschinensystemkomponente ermittelt, die aus einer Gruppe gewählt ist, die besteht aus einem Umgehungsventil und der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie, wobei die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für das Umgehungsventil auf der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie basiert und die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für die Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie auf der Orientierung des Umgehungsventils basiert. Eine Orientierung der mindestens einen Maschinensystemkomponente wird verändert, um die erste Orientierung im Wesentlichen zu erreichen. Die Maschine wird unter einer zweiten Last mit einer zweiten Drehzahl betrieben und eine mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für die mindestens eine Maschinensystemkomponente wird in Ansprechen auf eine Orientierungsinformation ermittelt, welche mit mindestens fünf Parametern in Beziehung steht, die aus einer Gruppe gewählt sind, die besteht aus der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie, der Ladegrenze, dem Ladedruck, der Abgasdruckgrenze und dem Abgasdruck, wobei die mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für das Umgehungsventil auf der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie basiert und die mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für die Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie auf der Orientierung des Umgehungsventils basiert. Eine Orientierung der mindestens einen Maschinensystemkomponente wird verändert, um die zweite Orientierung im Wesentlichen zu erreichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine und mit ihrem Betrieb verbundener Zubehöreinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist;
2 ein Blockdiagramm eines Regelungssystems zeigt, das mit einem Umgehungsventil und einer Turbine mit variabler Geometrie arbeitet und gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung nützlich ist;
3 das Ergebnis der Verwendung eines Regelungssystems gemäß 2 bei der Implementierung verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung graphisch darstellt;
4 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine 70 und mit deren Betrieb verbundener Zubehöreinrichtungen gemäß anderer Ausführungsformen der Offenbarung zeigt;
5 ein Blockdiagramm eines Regelungssystems zeigt, das mit einem Umgehungsventil und einer Turbine mit variabler Geometrie arbeitet, und gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung nützlich ist;
6 Kurven von Abgasdruck über der Zeit graphisch darstellt, die aus der Verwendung verschiedener potentieller Schemata zur Regelung eines Abgasdrucks in einer mit einem Turbolader ausgestatteten Maschine gemäß der Offenbarung resultieren; und
7 eine Kurve von Abgasdruck über der Zeit graphisch darstellt, die aus einer Verwendung einer koordinierten Regelung mit Direktsteuerung und Rückkopplung eines Umgehungsventils und der Geometrie eines Turboladers mit variabler Geometrie gemäß der Offenbarung resultiert.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, die nur zum Zweck der Veranschaulichung beispielhafter Ausführungsformen bereitgestellt sind, zeigt 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine 70 und von mit deren Betrieb verbundenen Zubehöreinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Brennkraftmaschine kann entweder eine Funkenzündungsmaschine oder eine Kompressionszündungsmaschine sein und wird bei bevorzugten Ausführungsformen von Kolben angetrieben. In dieser 1 ist eine Luftansaugleitung 3 gezeigt, durch welche Umgebungsluft auf ihrem Weg zu einem oder mehreren Maschinenzylindern hindurchgeht. Es gibt auch eine Abgasleitung 5, durch welche Abgase von der Brennkraftmaschine 70 bei deren Normalbetrieb ausgestoßen werden. Bei einigen Ausführungsformen ist ein erster Kompressor 7 bereitgestellt, um die Ansaugluft zur Erhöhung ihrer Dichte zu komprimieren, um eine höhere Sauerstoffkonzentration in der Luft bereitzustellen, die an die Maschine gespeist wird. Der erste Kompressor 7 kann von einer ersten Turbine 9 über eine Welle angetrieben werden, welche eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) sein kann, die in der Abgasleitung angeordnet ist, wie auf dem Gebiet der Turboladertechnik bekannt ist. Ein Sensor 27 für die Geometrie der VGT steht in effektivem Erfassungskontakt mit der ersten Turbine 9, wenn diese eine Turbine mit variabler Geometrie ist, um eine Echtzeitinformation bezüglich der Geometrie der VGT bereitzustellen. Es gibt auch ein Umgehungsventil 25, das einen Positionssensor 43 aufweist, der in effektiver Nähe angeordnet ist, um die Position des Umgehungsventils 25 zu erfassen. Bei einer Ausführungsform wird eine Rückführung von Abgasen (AGR) mittels eines selektiv betätigbaren Ventils 13 beeinflusst, das in einer Leitung 21 angeordnet ist, die zwischen der Luftansaugleitung 3 und der Abgasleitung 5 bereitgestellt ist. Bei derartigen Ausführungsformen ist vorzugsweise ein Kühler 15, um die Temperatur der rückgeführten Abgase zu verringern, bevor sie mit Luft vermischt werden, die durch die Luftansaugleitung 3 zugeführt wird, und ein AGR-Ventilpositionssensor 29 bereitgestellt. Vorzugsweise ist ein Kühler 11 für komprimierte Luft an der Hochdruckseite des ersten Kompressors 7, sofern vorhanden, bereitgestellt, um einen Teil der Wärme zu dissipieren, die aus der Kompression der Ansaugluft resultiert. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zusätzlich ein Nachbehandlungssystem 10 bereitgestellt, das zwischen einem Abgaskrümmer der Maschine 70 und dem Punkt an der Abgasleitung 5 angeordnet ist, an dem Abgase in die Atmosphäre freigesetzt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist ein Δp-Sensor 23 vorhanden, um die Druckdifferenz der Abgase vor und nach dem Nachbehandlungssystem bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Nachbehandlungssystem 10 Oxidations- und Reduktionskatalysatoren und ein Partikelfilter.
Obwohl die vorstehend beschriebenen verschiedenen Komponenten in einer schematischen Ansicht dargestellt sind, wird der Fachmann feststellen, dass viele der beschriebenen Elemente einschließlich der Luftansaugleitung und der Abgasleitung durch einstückige Gussteile bereitgestellt sein können, wie etwa Ansaug- und Abgaskrümmer, welche eine oder mehrere derartige Komponenten umfassen, in dem Ausmaß, in dem derartige Konfigurationen in der Technik allgemein bekannt sind. Bei einer Ausführungsform ist die Maschine 70 eine Kompressionszündungsmaschine, die unter Verwendung von Dieselanteilen, Ölen, oder Estern wie etwa „Biodiesel” als Kraftstoff arbeitet. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Maschine 70 eine Funkenzündungsmaschine, die unter Verwendung von Benzin, Ethanol, Mischungen daraus, oder anderen im Normalfall flüssigen Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltige Verbindungen als Kraftstoff betrieben wird.
Ein Betrieb der Maschine 70 kann auf vorteilhafte Weise geregelt werden, indem Sensoren 17 und Sensoren 19 an den dargestellten allgemeinen Stellen entlang der Luftansaugleitung 3, die in 1 gezeigt ist, bereitgestellt werden. Als Sensoren 17 geeignete Sensoren umfassen ohne Einschränkung Sensoren, wie etwa Luftansaugdruck- und -temperatursensoren, welche zur Messung der Temperatur und des Drucks im Ansaugkrümmer nützlich sind. Als Sensoren 19 geeignete Sensoren umfassen ohne Einschränkung Sensoren, wie etwa Luftmassenstromgeschwindigkeitssensoren, Umgebungslufttemperatursensoren und Umgebungsluftdrucksensoren. Bei bevorzugten Ausführungsformen stellen die verschiedenen vorhandenen Sensoren Eingänge an mindestens ein Steuerungsmodul, das mit verschiedenen Einrichtungen funktional verbunden ist, welche zur Regelung der Verbrennung und des Maschinenbetriebs nützlich sind, bereit, die ohne Einschränkung einen Kompressorladedruck, die Abgasrückführung, den Abgasdruck, das Seitenverhältnis eines Turboladers, wenn dieser vorhanden ist, und in einigen Fällen das Ventiltiming umfassen.
Während eines Betriebsmodus einer Brennkraftmaschine 70 einschließlich ihrer Zubehöreinrichtungen, wie sie mit Bezug auf 1 gezeigt und beschrieben sind, weisen die verschiedenen Sensoren 17, 19, 23, 27, 29 Ausgänge auf, die als Eingänge an mindestens ein Steuerungsmodul bereitgestellt werden. Dies ermöglicht eine Regelung des Betriebs und der Position des Umgehungsventils 25 und des effektiven Seitenverhältnisses der Turbine 9. Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein modellbasierter Ansatz verwendet, um einen Ladedruck des Kompressors 7 effektiv zu regeln, indem die Position des Umgehungsventils 25 und die Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie moduliert werden. Bei einer Ausführungsform wird ein Modell bereitgestellt, das eine Ladedruckrückkopplung und eine vorgewählte Ladegrenze als einen Eingang und eine Beschränkung verwendet, und die Position des Umgehungsventils 25 und die Turbinengeometrie werden als Ausgänge von einem Steuerungsmodul befohlen. Es ist hilfreich, die Ladegrenze P _im als eine Funktion der Maschinendrehzahl und –last wie folgt zu definieren: P _im = f(Drehzahl, Last) (1)
Die Gesamtmassenströmung, die Turbinendurchsatzströmung und die Umgehungsventildurchsatzströmung werden jeweils als ṁ_a, ṁ_t, und ṁ_b bezeichnet. Wenn das Umgehungsventil 25 geschlossen ist, gilt ṁ_a = ṁ_t. Ein Turbinenströmungsanteil ist als das Verhältnis einer Massenströmung durch eine Turbine mit variabler Geometrie zu einer Frischluftmassenströmung durch den Kompressor definiert und ein Schätzwert von f kann durch die folgende Gleichung bereitgestellt werden:
wobei T_am die Umgebungstemperatur darstellt, P_am den Umgebungsdruck darstellt, r das Verhältnis spezifischer Wärmen ist, η_m der mechanische Wirkungsgrad des Turboladers ist, η_c der isentrope Wirkungsgrad des Kompressors ist, η_t der isentrope Wirkungsgrad der Turbine ist, T_ex die Abgaskrümmertemperatur ist, P_ex der Abgaskrümmerdruck ist, P_s der Turbinenauslassdruck ist und gegeben ist durch P_s = P_am + ΔP, wobei ΔP die Druckdifferenz ist, die von dem Sensor 23 bereitgestellt wird. Der Turboladergesamtwirkungsgrad ist folglich auf der Grundlage der Drehzahl und der Last wie folgt einstellbar. η = η_mη_cη_t = f(Drehzahl, Last)
Wenn A_b und A_v als die äquivalente betroffene Fläche des Umgehungsventils bzw. der Schaufel der Turbine mit variabler Geometrie definiert sind, dann kann für eine vorgegebene Ladedruckgrenze ein Schätzwert eines gewünschten Turbinenströmungsanteils f bereitgestellt werden und die mit Direktsteuerung [engl.: feed forward control] geregelte Umgehungsventilposition ist durch die folgende Gleichung gegeben.
Ein auf dem Vorstehenden beruhendes Umgehungsventilregelungssystem ist in 2 in Blockform gezeigt, welche zeigt, dass die Umgehungsventilpositionsinformation und die Geometrie (die Position) der Turbine mit variabler Geometrie als ein Eingang beim Ermitteln der Position des Umgehungsventils verwendet werden, wobei die Ladegrenze und die Ladedruckrückkopplung als Eingänge verwendet werden. Auf die gleiche Weise kann die VGT-Position bei einer gegebenen Umgehungsventilposition als Eingang ermittelt werden, indem Gleichung (3) umgestellt wird, sodass sie das Folgende liefert:
Das Ergebnis der Verwendung eines Systems, wie es mit Bezug auf das Vorstehende beschrieben ist, ist in 3 graphisch gezeigt, wobei die vorstehenden Gleichungen (1), (2) und (3) verwendet werden. Bei einem Beispiel wurde unter Verwendung eines computergesteuerten Simulators ein Maschinensystem, das mit einem Turbolader ausgestattet ist, bei 2000 U/min und einem Drehmoment von 370 Nm betrieben. Zum Zeitpunkt 20 Sekunden wurde eine Erhöhung des Drehmoment auf 520 Nm angefordert, was ein Ansteigen des Ladedrucks von 214400 Pa auf 239400 Pa aufgrund der vorgeschlagenen Laständerung bewirkte. 3 zeigt die Schwankung beim Ladedruck für drei Situationen, welche durch die Kurven dargestellt sind, auf graphische Weise: Eine, bei welcher die Rückkopplung nur angewandt wird, um das Umgehungsventil zu regeln, während das Seitenverhältnis der VGT fest eingestellt gehalten wird; eine weitere Kurve, bei welcher sowohl eine Rückkopplungsregelung als auch eine Regelung mit Direktsteuerung gemäß dieser Offenbarung bereitgestellt werden, wobei das VGT-Seitenverhältnis fest eingestellt gehalten wird; und eine dritte Kurve, bei der eine koordinierte Regelung sowohl des Umgehungsventils als auch des Seitenverhältnisses der VGT vorliegt. Die Verwendung eines Systems, wie es hier bereitgestellt ist, ermöglicht ein Begrenzen des Ladedrucks auf ein gewähltes Niveau, zum Beispiel 214400 Pa, selbst unter einer befohlenen Drehmomentanforderung wie zuvor, mit einer zugehörigen Koordination der Regelung sowohl der Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie als auch des Umgehungsventils, sodass bei einem Lastwechsel Schwankungen der Ladegrenzenregelung wesentlich verringert werden, wodurch das Systemverhalten verbessert wird. Bei einer Ausführungsform wird dieses Regelungsschema optional deaktiviert, wenn die Maschinendrehzahl und -last unter vorbestimmte Kalibrierungsgrenzen fallen. Obwohl Gleichung (2) einen Schätzwert für den Turbinenumgehungsströmungsanteil f bereitstellte, ist zu verstehen, dass Gleichung (2) nur einer von vielen möglichen Strömungsanteilen ist, die gemäß dieser Offenbarung nützlich sind. Zum Beispiel wird eine andere Gleichung, die zum Bereitstellen eines Schätzwerts für den Turbinenumgehungsströmungsanteil f nützlich ist, wie folgt offengelegt: f = f(P_im/P_am, Δr.p.m., Δfueling) wobei Δr.p.m. die Maschinendrehzahlzunahme von der Grenzbedingung ab ist, wobei die Grenzregelung aktiviert ist, und Δfueling die Änderung der Rate des an die Maschine gelieferten Kraftstoffs an der Grenze ist, wobei die Grenzregelung aktiviert ist.
In 4 ist eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine 70 und von Zubehöreinrichtungen, die mit ihrem Betrieb verbunden sind, gemäß anderen Ausführungsformen der Offenbarung gezeigt. Die Maschine 70 und darin dargestellte Zubehöreinrichtungen umfassen die mit Bezug auf 1 gezeigten und beschriebenen und umfassen ferner einen zweiten Kompressor 31, der vorzugsweise von einer zweiten Turbine 33 angetrieben wird, um ein zweistufiges Turbosystem bereitzustellen. Bei einer derartigen Ausführungsform, wie sie in 4 gezeigt ist, wird aufgrund des Betriebs eines Kompressors 31 bewirkt, dass die Ansaugluft für den ersten Kompressor 7 bei einem höheren Druck liegt, als die Ansaugluft für den in 1 gezeigten ersten Kompressor 7; entsprechend kann bei dieser Ausführungsform der Kompressor 7 als ein Hochdruckkompressor bezeichnet werden, während der Kompressor 31 ein Niederdruckkompressor ist. Gleichermaßen liegt die Ansaugluft für die zweite Turbine 33 bei einem niedrigeren Drucken als die Ansaugluft für die erste Turbine 9, sodass die Turbine 33 als eine Niederdruckturbine bezeichnet werden kann und die Turbine 9 als eine Hochdruckturbine bezeichnet werden kann. In 4 sind auch ein Ansaugdrucksensor 35 des Hochdruckkompressors, ein Abgastemperatursensor 37, ein Abgasdrucksensor 39 und ein Ausgangsdrucksensor 41 der ersten Turbine gezeigt, wobei alle hier erwähnten Sensoren herkömmliche, in der Technik bekannte Sensoren umfassen können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein modellbasierter Ansatz verwendet, um eine Umgehungsventilposition bereitzustellen, die zur effektiven Regelung der Abgasdruckgrenze bei einer gegebenen VGT-Geometrie oder einer effektiven Ventilfläche in einer mit einem Turbolader ausgestatteten Maschine nützlich ist, und die Position des Umgehungsventils 25 und die Turbinengeometrie werden von einem Steuerungsmodul als Ausgänge befohlen. Es ist hilfreich, die Abgasdruckgrenze P _ex zu definieren als P _ex = f(Drehzahl, Last) (4) und die Abgasmassengesamtströmung, die Turbinendurchsatzströmung und die Umgehungsventildurchsatzströmung als ṁ_a, ṁ_t, und ṁ_b zu definieren. Wenn das Umgehungsventil 25 geschlossen ist, dann gilt ṁ_e = ṁ_t. Wenn das Umgehungsventil 25 offen ist, dann gilt
wobei P_HTo der Auslassdruck der Hochdruckturbine (9, 4) ist und R eine spezifische Gaskonstante ist. Eine Kombination der Gleichungen (5) und (6) führt zu folgendem:
Das Verhältnis der Strömungen ist proportional zu dem Verhältnis der effektiven Ventilfläche
wobei A_b und A_v wie vorstehend definiert sind. Mit der Kenntnis der Abgasströmung gilt für eine gegebene Abgasdruckgrenze
Die Abgasströmung ist gleich der Kraftstoffströmung plus der verzögerten Version der Frischluftladung durch den Kompressor, wobei τs ein Faktor ist, der die Verzögerung berücksichtigt und f . die Kraftstoffströmungsrate ist, und dann ist die effektive Ventilgesamtfläche für eine gegebene Abgasdruckgrenze durch das Folgende gegeben.
Und bei einer gegebenen VGT-Geometrie oder effektiven Ventilfläche wird die gewünschte Umgehungsventilposition zum Regeln der Abgasdruckgrenze geschätzt durch:
wobei ein zusätzlicher Kalibrierungsparameter „c” als ein Multiplikator vorgesehen ist, der für eine weitere Feinabstimmung der Direktsteuerung verwendet werden kann. Bei einer vorgegebenen Umgehungsventilposition als einem Eingang kann die VGT-Position durch die Beziehung von Gleichung (11) ermittelt werden.
Ein Schema, das zum Implementieren eines Umgehungsventilregelungssystems auf der Grundlage des Vorstehenden nützlich ist, ist in Blockform in 5 gezeigt, das analog zu dem in 2 gezeigten mit der Ausnahme ist, dass die Abgasdruckgrenze und die Abgasdruckrückkopplung als Eingänge an das System bereitgestellt sind, wobei Positionsinformationen für das Umgehungsventil und die Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie Befehlsausgänge sind. Die Positionsinformation der Turbine mit variabler Geometrie wird als ein Eingang zur Bestimmung der Position des Umgehungsventils verwendet, wobei ein Abgasdruck und eine Abgasdruckrückkopplung als Eingänge verwendet werden.
Das Ergebnis der Verwendung eines Systems, wie es mit Bezug auf das Vorstehende beschrieben ist, relativ zu der Abgasdruckgrenze ist unter Verwendung der vorstehenden Gleichungen (9) und (11) in 6 graphisch gezeigt, welches als ein Regelungsschema mit Direktsteuerung aufgefasst werden kann. Bei einem Beispiel unter Verwendung eines computergesteuerten Simulators wurde ein Maschinensystem, das mit einem zweistufigen Turbolader ausgestattet ist, bei 2000 U/min und einem Drehmoment von 370 Nm betrieben. Am Zeitpunkt 20 Sekunden wurde eine Erhöhung des Drehmoments auf 520 Nm angefordert, was einen Ladedruckanstieg von 214400 Pa auf 239400 Pa aufgrund der vorgeschlagenen Laständerung bewirkt. 6 stellt Kurven des Abgasdrucks über der Zeit dar, die aus der Verwendung verschiedener potentieller Regelungsschemata des Abgasdrucks in einer Maschine resultieren, die mit einem Turbolader ausgestattet ist, die Instanzen umfassen, bei denen nur eine PI-Regelung des Umgehungsventils verwendet wird, und eine Kurve, bei der eine Regelung mit Direktsteuerung und Rückkopplung des Umgehungsventils verwendet wird. 7 stellt eine Kurve des Abgasdrucks über der Zeit graphisch dar, die aus der Verwendung einer koordinierten Regelung mit Direktsteuerung und Rückkopplung des Umgehungsventils und der Geometrie eines Turboladers mit variabler Geometrie resultiert.
Ein System, wie es hier bereitgestellt ist, ermöglicht das Begrenzen des Abgasdrucks auf ein gewähltes Niveau, zum Beispiel 281.800 Pa, selbst bei einer wie vorstehend befohlenen Drehmomentanforderung, mit einer zugehörigen Koordination sowohl der Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie als auch der Umgehungsventilregelung, sodass Ladegrenzenregelungsschwankungen bei Lastwechseln wesentlich verringert werden, wodurch das Systemverhalten verbessert wird. Bei einer optionalen Ausführungsform wird dieses Regelungsschema deaktiviert, wenn die Maschinendrehzahl und -last unter beliebige spezielle Grenzen fallen, die von Fahrzeugkonstrukteuren oder anderen Personen gewählt sind.
Somit stellt die vorliegende Offenbarung ein koordiniertes Regelungsschema zum gleichzeitigen Einstellen einer Umgehungsventilposition und einer VGT-Position bereit, um entweder den Ladedruck oder den Abgasdruck zu begrenzen. Das Umgehungsventil wird gewöhnlich bei Bedingungen mit hoher Lasthoher Drehzahl verwendet, um eine zu hohe Ladung zu verhindern. Obwohl das Regelungssystem immer eingeschaltet sein kann, kann es folglich sein, dass es das Umgehungsventil vor einem Betrieb mit hoher Drehzahl/hoher Last nicht aktiv regelt. Da die Umgehungsventilströmung einen gewissen Anteil der Abgasströmung umleitet, der andernfalls durch die Turbine hindurchgehen würde, werden Strömungsanteile beschrieben, um ein Stellglied relativ zu dem anderen zu koordinieren, d. h. die Umgebungsventilposition und die VGT-Position. Sowohl die Ladedruckbegrenzungs- als auch die Abgasdruckbegrenzungs-Regelungsarchitektur können sowohl auf einstufige als auch auf zweistufige Systeme angewendet werden, wobei ein Unterschied darin besteht, dass einige Zwischendruckmesswerte bei Instanzen notwendig sind, bei denen zweistufige Konfigurationen verwendet werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung die Verwendung von direkten Sensormessungen beschrieben hat, wird der Fachmann nach dem Lesen dieser Beschreibung feststellen, dass virtuelle Sensoren ebenfalls verwendet werden können.

Claims

System, das zur Regelung einer Brennkraftmaschine, die eine Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie umfasst, nützlich ist, wobei das System umfasst: eine Vielzahl von Sensoren, die Informationen mit Bezug auf einen Betrieb der Maschine bereitstellen, die eine Maschinendrehzahl, eine Maschinenlast, einen Abgasdruck, einen Ladedruck, und eine Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie umfassen; ein Steuerungsmodul mit einem Speicher, das zur Aufnahme einer Vielzahl von Eingängen ausgestaltet ist und zum Bereitstellen mindestens eines Ausgangssignals in Ansprechen auf die Eingänge ausgestaltet ist, wobei das Steuerungsmodul ferner: mindestens vier Eingänge empfängt, die aus einer Gruppe gewählt sind, die aus der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, dem Abgasdruck, dem Ladedruck, einer Abgasdruckgrenze, und einer Ladedruckgrenze besteht; eine mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für mindestens eine Maschinensystemkomponente ermittelt, die aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Umgehungsventil und einer Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie besteht, wenn die Maschine unter einer ersten Last mit einer ersten Drehzahl betrieben wird, wobei die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für das Umgehungsventil auf der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie basiert und die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für die Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie auf der Orientierung des Umgehungsventils basiert; einen Befehl zum Bewirken einer Orientierungsänderung der mindestens einen Maschinensystemkomponente ausgibt, um die erste Orientierung im Wesentlichen zu erreichen; die Information mit Bezug auf die Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie empfängt; und eine mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für mindestens eine Maschinensystemkomponente, die aus einer Gruppe gewählt ist, die aus dem Umgehungsventil und der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie besteht, in Ansprechen auf mindestens fünf Eingänge ermittelt, die aus einer Gruppe gewählt sind, die aus der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie, der Ladedruckgrenze, dem Ladedruck, der Abgasdruckgrenze und dem Abgasdruck besteht, wenn die Maschine unter einer zweiten Last bei einer zweiten Drehzahl betrieben wird, wobei die mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für das Umgehungsventil auf der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie basiert und die mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für die Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie auf der Orientierung des Umgehungsventils basiert.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuerungsmodul ferner einen Befehl zum Bewirken einer Orientierungsänderung der mindestens einen Maschinensystemkomponente ausgibt, um die zweite Orientierung im Wesentlichen zu erreichen.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens vier Eingänge die Maschinendrehzahl, die Maschinenlast, den Abgasdruck, und die Abgasdruckgrenze umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens vier Eingänge die Maschinendrehzahl, die Maschinenlast, den Ladedruck und die Ladedruckgrenze umfassen.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Steuerungsmodul Befehle ausgibt, um Orientierungsänderungen bei sowohl dem Umgehungsventil als auch der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie zu bewirken.
Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer Brennkraftmaschine, die eine Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Maschine unter einer ersten Last mit einer ersten Drehzahl betrieben wird; mindestens fünf Parameter ermittelt werden, die aus einer Gruppe gewählt sind, die aus einer Maschinendrehzahl, einer Maschinenlast, einem Abgasdruck, einer Abgasdruckgrenze, einem Ladedruck, einer Ladedruckgrenze und einer Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit Variabler Geometrie besteht; eine mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für mindestens eine Maschinensystemkomponente ermittelt wird, die aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Umgehungsventil und der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie besteht, wobei die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für das Umgehungsventil auf der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie basiert und die mit Direktsteuerung geregelte erste Orientierung für die Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie auf der Orientierung des Umgehungsventils basiert; eine Orientierungsänderung bei der mindestens einen Maschinensystemkomponente bewirkt wird, um die erste Orientierung im Wesentlichen zu erreichen; die Maschine unter einer zweiten Last bei einer zweiten Drehzahl betrieben wird; eine mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für die mindestens eine Maschinensystemkomponente in Ansprechen auf Orientierungsinformationen mit Bezug auf mindestens fünf Parameter ermittelt wird, welche aus einer Gruppe gewählt sind, die aus der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie, der Ladegrenze, dem Ladedruck, der Abgasdruckgrenze und dem Abgasdruck besteht, wobei die mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für das Umgehungsventil auf der Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie basiert und die mit Direktsteuerung geregelte zweite Orientierung für die Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie auf der Orientierung des Umgehungsventils basiert; und eine Orientierungsänderung der mindestens einen Maschinensystemkomponente bewirkt wird, um die zweite Orientierung im Wesentlichen zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ermitteln von mindestens fünf Parametern, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus einer Maschinendrehzahl, einer Maschinenlast, einem Abgasdruck, einer Abgasdruckgrenze, einem Ladedruck, einer Ladedruckgrenze und einer Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie besteht, umfasst, dass die Maschinendrehzahl, die Maschinenlast, der Abgasdruck, die Abgasdruckgrenze und die Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ermitteln von mindestens fünf Parametern, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus einer Maschinendrehzahl, einer Maschinenlast, einem Abgasdruck, einer Abgasdruckgrenze, einem Ladedruck, einer Ladedruckgrenze und einer Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie besteht, umfasst, dass die Maschinendrehzahl, die Maschinenlast, der Ladedruck, die Ladedruckgrenze und die Orientierung der Zwangsansaugkomponente mit variabler Geometrie ermittelt werden.
Koordiniertes Regelungsverfahren für ein Brennkraftmaschinensystem, das mit einer Turbine mit variabler Geometrie und einem Umgehungsventil ausgestattet ist, wobei das Verfahren eine Begrenzung mindestens eines Parameters bewirkt, der aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Ladedruck und einem Abgasdruck besteht, wobei das Verfahren umfasst, dass die Position des Umgehungsventils und der Turbine mit variabler Geometrie unter Verwendung einer Regelung mit Direktsteuerung gleichzeitig eingestellt werden.
Regelungsverfahren nach Anspruch 9, wobei Strömungsanteile verwendet werden, um ein Einstellen der Position des Umgehungsventils und der Position der Turbine mit variabler Geometrie zu koordinieren, und/oder wobei das Einstellen der Position des Umgehungsventils und der Turbine mit variabler Geometrie ferner eine Rückkopplungsregelung verwendet.