DE102018109684A1

DE102018109684A1 - Steuerung eines verbrennungsmotors mit einem wastegate-turbolader

Info

Publication number: DE102018109684A1
Application number: DE102018109684.4A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Martin Suchy; Joerg Bernards
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2018-10-25
Also published as: US20180306102A1; US10260405B2; CN108730024A

Abstract

Ein Verbrennungsmotor weist einen Zylinder auf, der zum Verbrennen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs und zum Abführen von Abgas und einen Turbolader zum Erzeugen eines Druckluftstroms zum Zylinder konfiguriert ist. Der Turbolader beinhaltet eine Turbinenschnecke, die einen Einlass und einen Auslass definiert, eine abgasbetriebene rotierende Baugruppe mit einem Turbinenrad, das innerhalb der Turbinenschnecke angeordnet ist, und ein Wastegate, das eine Öffnung definiert. Ein erster Sensor erfasst den Turbinenauslassdruck. Ein zweiter Sensor erfasst die Turbineneinlasstemperatur. Eine Steuerung ermittelt eine Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und einen Abgasmassendurchsatz. Die Steuerung ermittelt außerdem einen Turbineneinlassdruck in Reaktion auf den erfassten Turbinenauslassdruck und die Turbineneinlasstemperatur sowie die ermittelte Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und den Abgasmassendurchsatz. Die Steuerung regelt zusätzlich die Kraftstoffzufuhr zum Zylinder entsprechend dem druckbeaufschlagten Luftstrom, der durch den ermittelten Turbineneinlassdruck beeinflusst wird.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System und Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem Wastegate-Turbolader.
Verbrennungsmotoren (ICE) werden oftmals dazu herangezogen, ein erhebliches Leistungsniveau über längere Zeiträume auf zuverlässiger Grundlage zu erzeugen. Bei vielen solcher ICE-Einheiten wird ein Aufladegerät eingesetzt, wie ein von einer Abgasturbine angetriebener Turbolader, der den Luftstrom komprimiert, bevor er in den Einlassverteiler des Motors eintritt, um Leistung und Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.
Im Einzelnen ist ein Turbolader ein Zentrifugal-Gaskompressor, der mehr Luft und damit mehr Sauerstoff in die Verbrennungskammern des ICE presst, als andernfalls mit normalem Umgebungsluftdruck erreichbar ist. Die zusätzliche Masse sauerstoffhaltiger Luft, die in den ICE gepresst wird, verbessert den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors, indem dieser mehr Kraftstoff in einem gegebenen Zyklus verbrennen kann und dadurch mehr Leistung erzeugt. Häufig werden solche Turbolader von den Abgasen des Motors angetrieben.
Ein typischer abgasgetriebener Turbolader beinhaltet eine zentrale Welle, die mit einem oder mehreren Lagern gelagert ist und eine Drehbewegung zwischen einem Turbinenrad und einem Luftverdichterrad überträgt. Turbine und Verdichterrad sind an der Welle befestigt, die in Kombination mit verschiedenen Lagerkomponenten die Turbolader-Drehbaugruppe bilden. Bei Turboladern werden häufig Wastegate-Ventile zum Begrenzen der Arbeitsdrehzahlen der drehenden Baugruppe verwendet, um Turbolader-Boost innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen aufrechtzuerhalten und eine überhöhte Drehzahl der drehenden Baugruppe zu verhindern.
KURZDARSTELLUNG
Eine Ausführungsform der Offenbarung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder, der dazu konfiguriert ist, ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff für die Verbrennung darin aufzunehmen und ein Abgas nach der Verbrennung auszustoßen, und eine Kraftstoffeinspritzdüse, die dazu konfiguriert ist, den Kraftstoff zuzuführen. Der Motor beinhaltet auch einen Turbolader, der dazu konfiguriert ist, Umgebungsluft aufzunehmen und einen Druckluftstrom für die Zuführung zum Zylinder zu erzeugen. Der Turbolader beinhaltet eine Turbinenschnecke, eine Turbinenschnecke, die einen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass definiert, eine rotierende Baugruppe, die von dem Abgas angetrieben wird und ein Turbinenrad, das innerhalb der Turbinenschnecke angeordnet ist, und ein Verdichterrad, das innerhalb der Turbinenschnecke angeordnet ist, aufweist, und ein Wastegate, das eine Öffnung definiert, die dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil des Abgases selektiv zum Turbinenauslass umzuleiten, d. h. um das Turbinenrad zu umgehen.
Der Motor beinhaltet auch einen ersten Sensor, der dazu konfiguriert ist, einen Druck am Turbinenausgang zu erfassen, einen zweiten Sensor, der dazu konfiguriert ist, eine Temperatur am Turbineneingang zu erfassen, und eine Steuerung, die mit dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und der Kraftstoffeinspritzdüse verbunden ist. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, eine Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und einen Massendurchsatz des Abgases zu ermitteln. Die Steuerung ist auch dazu konfiguriert, einen Druck am Turbineneinlass in Reaktion auf den erfassten Druck am Turbinenauslass und die Temperatur am Turbineneinlass sowie die ermittelte Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und den Massendurchsatz des Abgases zu ermitteln. Die Steuerung ist zusätzlich dazu konfiguriert, die Kraftstoffeinspritzdüse zu veranlassen, dem Zylinder eine Kraftstoffmenge zuzuführen, die von der Luftmenge in den Zylinder beeinflusst wird und dem ermittelten Druck am Turbineneinlass entspricht.
Die Steuerung kann mit einer ersten Nachschlagetabelle programmiert werden, die den Turbineneinlassdruck mit dem erfassten Druck am Turbinenauslass und der Temperatur am Turbineneinlass sowie der erfassten Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und des Massendurchsatzes des Abgases korreliert. In diesem Fall kann die Steuerung weiterhin dazu konfiguriert sein, den Druck am Turbineneinlass über die erste Nachschlagetabelle zu ermitteln.
Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, den Druck am Turbineneinlass mittels einer Polynomfunktion zweiter Ordnung zu ermitteln.
Die Polynomfunktion zweiter Ordnung kann einen Faktor beinhalten, der die ermittelte Wirkfläche der Wastegate-Öffnung angibt.
Das Wastegate kann ein Ventil mit variabler Position beinhalten, das so konfiguriert ist, dass es die Wirkfläche der Wastegate-Öffnung reguliert. In diesem Fall kann der Faktor, der für die ermittelte Wirkfläche der Wastegate-Öffnung kennzeichnend ist, durch eine aktuelle Position des Ventils definiert werden.
Die Rotationsanordnung des Turboladers kann durch das Abgas bei einer Drehzahl angetrieben werden, während die Polynomfunktion zweiter Ordnung einen Faktor beinhalten kann, der die Drehzahl der rotierenden Baugruppe angibt.
Die Steuerung kann mit einer zweiten Nachschlagetabelle programmiert werden, welche die Drehzahl der rotierenden Baugruppe mit einem Luftmassenstrom durch den Verdichter und einem Verdichterdruckverhältnis korreliert. In Übereinstimmung mit der Offenbarung kann die Steuerung weiterhin dazu konfiguriert sein, eine aktuelle Drehzahl der rotierenden Baugruppe über die zweite Nachschlagetabelle zu ermitteln.
Die Turbinenschnecke kann einen Verdichtereinlass und einen Verdichterauslass definieren. Der Motor kann zudem einen dritten Sensor zum Erfassen einer Temperatur am Verdichterauslass, einen vierten Sensor zum Erfassen eines Drucks am Verdichterauslass und einen fünften Sensor zum Erfassen eines Drucks am Verdichtereinlass beinhalten. Die Steuerung kann ferner dazu konfiguriert sein, den Druck am Turbineneinlass in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur und dem Druck am Verdichterauslass und dem erfassten Druck am Verdichtereinlass zu ermitteln.
Die Turbinenschnecke kann einen Verdichtereinlass und einen Verdichterauslass definieren. Die Steuerung kann ferner dazu konfiguriert sein, eine Leistung des Verdichterrades zu ermitteln und anschließend den Druck am Turbineneinlass in Reaktion auf die ermittelte Leistung des Verdichterrades zu ermitteln.
Die Steuerung kann auch mit einer dritten Nachschlagetabelle programmiert werden, welche die Leistung des Verdichterrades mit einer korrigierten Drehzahl der rotierenden Baugruppe und einem korrigierten Luftmassenstrom durch den Verdichter korreliert. In diesem Fall kann die Steuerung weiterhin dazu konfiguriert sein, die Leistung des Verdichterrades über die dritte Nachschlagetabelle zu ermitteln.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung richtet sich auf ein Verfahren zum Steuern eines vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotors.
Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform(en) und der/den besten Art(en) zur Umsetzung der beschriebenen Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und hinzugefügten Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors einschließlich eines Turboladers gemäß der Offenbarung.
2 ist eine perspektivische teilweise Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Turboladers, die eine Wastegate-Anordnung mit einem Ventil, einem Stellglied und einem Turbinenrad-Bypass darstellt.
3 ist eine schematische Darstellung der Einlassluft- und Abgasströme in einem repräsentativen Turbolader, wie in den 1 und 2 dargestellt.
4 ist ein Flussdiagramm eines in 1 dargestellten Verfahrens zum Steuern des Verbrennungsmotors.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In Bezug auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszahlen in allen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, stellt 1 einen Verbrennungsmotor 10 dar. Der Motor 10 beinhaltet auch einen Zylinderblock 12 mit mehreren darin angeordneten Zylindern 14. Wie in 1 dargestellt kann der Motor 10 auch einen Zylinderkopf 16 beinhalten, der auf dem Zylinderblock 12 montiert ist. Zu jedem Zylinder 14 gehört ein Kolben 18, der sich darin hin und her bewegt.
Brennkammern 20 sind in den Zylindern 14 zwischen der Bodenfläche des Zylinderkopfes 16 und den Kolbenböden der Kolben 18 ausgebildet. Im Allgemeinen erhält jede der Brennammern 20 vom Zylinderkopf 16 Kraftstoff und Luft, die ein Kraftstoff-/Luftgemisch zur nachfolgenden Verbrennung innerhalb der entsprechenden Brennkammer bilden. Der Kraftstoff wird jedem der Zylinder über eine entsprechende Kraftstoffeinspritzdüse 21 zugeführt. Der Zylinderkopf 16 ist ebenfalls zum Abführen des Verbrennungsabgases aus den Brennkammern 20 konfiguriert. Der Motor 10 beinhaltet auch eine Kurbelwelle 22, die so konfiguriert ist, dass sie innerhalb des Zylinderblocks 12 rotiert. Wie einem technisch versierten Fachmann bekannt ist, wird die Kurbelwelle 22 von den Kolben 18 als Ergebnis der Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemisches mit einem geeigneten Verhältnis in den Verbrennungskammern 20 in Rotation versetzt. Nachdem das Kraftstoff-/Luftgemisch in einer speziellen Brennkammer 20 verbrannt ist, dient die Hin- und Herbewegung eines bestimmten Kolbens 18 dazu, nach der Verbrennung das Abgas 24 aus dem jeweiligen Zylinder 14 auszutreiben.
Der Motor 10 beinhaltet zusätzlich ein Ansaugsystem 30, das dazu konfiguriert ist, einen druckbeaufschlagten Luftstrom 32 aus der Umgebung zu den Zylindern 14 zu kanalisieren. Das Induktionssystem 30 beinhaltet eine Einlassluftleitung 34, einen Turbolader 36 und einen Ansaugkrümmer (nicht dargestellt). Obwohl nicht dargestellt, kann das Induktionssystem 30 zusätzlich einen Luftfilter stromaufwärts von dem Turbolader 36 zum Entfernen von Fremdpartikeln und anderen Fremdkörpern aus dem Luftstrom 32 beinhalten. Der Turbolader 36 befindet sich in Fluidverbindung mit den Zylindern 14. Insbesondere ist die Einlassluftleitung 34 ist ausgelegt, um den Luftstrom 32 aus der Umgebung zum Turbolader 36 zu leiten, während der Turbolader zum Druckbeaufschlagen des empfangenen Luftstroms und zum Ableiten des druckbeaufschlagten Luf9tstroms zum Ansaugkrümmer ausgelegt ist. Der Ansaugkrümmer verteilt wiederum den zuvor druckbeaufschlagten Luftstrom 32 zu den Zylindern 14 zum Mischen mit einer entsprechenden Kraftstoffmenge und nachfolgender Verbrennung des resultierenden Kraftstoff-Luft-Gemischs.
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet der Turbolader 36 eine rotierende Baugruppe 37. Die rotierende Baugruppe 37 beinhaltet eine Welle 38 mit einem ersten Ende 40 und einem zweiten Ende 42. Die rotierende Baugruppe 37 beinhaltet auch ein Turbinenrad 46 auf der Welle 38 benachbart zum ersten Ende 40 und dazu konfiguriert, mit der Welle 38 um eine Achse 43 durch das von den Zylindern 14 abgegebene Abgas 24 angetrieben, d. h. gedreht zu werden. Das Turbinenrad 46 befindet sich innerhalb eines Turbinengehäuses 48, das eine Turbinenschnecke oder Schnecke 50 beinhaltet, worin die gesamte Baugruppe im Allgemeinen als Turbine bezeichnet wird. Die Turbinenschnecke 50 empfängt die Nachverbrennungsabgase 24 an einem Turbineneinlass 48-1 und leitet das Abgas zum Turbinenrad 46. Nach dem Turbinenrad 46 wird das Abgas 24 durch einen Turbinenauslass 48-2 in ein Abgassystem geleitet (nicht dargestellt). Die Turbinenschnecke 50 ist konfiguriert zum Erzielen spezieller Leistungsdaten wie Wirkungsgrad und Ansprechzeit des Turboladers 36. Wie weiter aus 2 ersichtlich, beinhaltet die rotierende Baugruppe 37 auch ein Verdichterrad 52 auf der Welle 38 zwischen den ersten und zweiten Enden 40, 42.
Das Verdichterrad 52 ist zum Druckbeaufschlagen des aus der Umgebung eingespeisten Luftstroms 32 konfiguriert, der anschließend möglicherweise den Zylindern 14 zugeführt wird. Das Verdichterrad 52 befindet sich innerhalb eines Verdichtergehäuses 54, das eine Turbinenschnecke oder Schnecke 56 beinhaltet, worin die gesamte Baugruppe im Allgemeinen als Verdichter gekennzeichnet ist. Die Verdichterschnecke 56 nimmt den Luftstrom 32 an einem Verdichtergehäuseeinlass 56-1 auf und leitet den Luftstrom zu dem Verdichterrad 52 zur Druckbeaufschlagung. Nach dem Verdichterrad 52 wird der druckbeaufschlagte Luftstrom 32 durch einen Verdichterauslass 56-2 zu den Zylindern 14 geleitet. Die Turbinenschnecke 56 ist dazu konfiguriert, bestimmte Leistungsfähigkeitsmerkmale wie Höchstluftstrom und Wirkungsgrad des Turboladers 36 zu erreichen. Dementsprechend wird die Welle 38 durch das Abgas 24, die das Turbinenrad 46 antreiben, in Rotation versetzt und ist wiederum an das Verdichterrad 52 verbunden, da das Verdichterrad drehfest auf der Welle sitzt.
Die Rotationsbaugruppe 37 ist zur Rotation um die Achse 43 in einem Satz Gleitlager 58 gelagert. Beim Betrieb des Turboladers 36 kann die rotierende Baugruppe 37 häufig bei Drehzahlen über 100.000/min (RPM) unter Erzeugung von Ladedruck für den Motor 10 arbeiten, d. h. Druckbeaufschlagung des Luftstroms 32 zur Abgabe an die Zylinder 14. Dementsprechend beeinflussen der variable Durchfluss und die Kraft des Abgases 24 die Stärke des Ladedrucks, der von dem Verdichterrad 52 im Betriebsbereich des Motors 10 erzeugt werden kann.
In Fortführung von 2 beinhaltet der Turbolader 36 ein Wastegate 60. Das Wastegate 60 kann entweder im Turbolader 36 integriert sein oder als externe Turboladeranordnung ausgeführt werden. Das Wastegate 60 beinhaltet einen Durchgang 62, der eine Öffnung 64 definiert, die dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des Abgases 24 selektiv vom Turbineneinlass 48-1 zum Turbinenauslass 48-2 im Bypass des Turbinenrads 46 umzuleiten. Die Umgehung des Turbinenrads 46 durch einen Teil des Abgases 24 dient zur Begrenzung der Drehzahl der rotierenden Baugruppe 37 und des Drucks des von der Umgebung aufgenommenen Luftstroms 32. Das Wastegate 60 beinhaltet auch ein Ventil 68 mit variabler Position, das an einer drehbaren Welle 70 befestigt ist. Wie dargestellt, wird die Welle 70 durch ein Stellglied 72 gedreht, wodurch das Ventil 68 in Bezug auf den Durchgang 62 verschoben wird und eine Wirkfläche A_wg der Wastegate-Öffnung 64 verändert wird, d. h. eine Fläche der tatsächlichen oder funktionsfähigen Öffnung, durch die das Abgas 24 das Turbinenrad 46 umgehen kann.
Wie in den 1 und 3 dargestellt, beinhaltet der Motor 10 auch einen ersten Sensor 74, der dazu konfiguriert ist, einen Druck P_bis am Turbinenauslass 48-2 zu erfassen, und einen zweiten Sensor 76, der dazu konfiguriert ist, eine Temperatur am Turbineneinlass T_ti, zu erfassen, die auch mittels eines Modells geschätzt werden kann. Der Motor 10 beinhaltet zusätzlich eine elektronische Steuerung 78 in Wirkverbindung mit der Kraftstoffeinspritzdüse 21 zur Regulierung der Kraftstoffeinspritzung und dem Stellglied 72 zur Regelung der Position des Ventils 68. Die Steuerung 78 steht auch mit dem ersten Sensor 74 und dem zweiten Sensor 76 in Verbindung, d. h. sie ist für den Empfang von Signalen konfiguriert. Die Steuerung 78 ist konfiguriert, d. h. konstruiert und programmiert, um den Betrieb des Motors 10, einschließlich des Betriebs der Kraftstoffeinspritzdüse 21, zu regeln. In einer Ausführungsform, in welcher der Motor 10 in ein Fahrzeug eingebaut ist (nicht dargestellt), kann die Steuerung 78 als zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) konfiguriert sein, die neben dem Betrieb des Motors 10 auch andere Fahrzeugsysteme regeln soll. Um den Betrieb des Motors 10 und anderer Fahrzeugsysteme auf geeignete Weise zu steuern, beinhaltet die Steuerung 78 einen Speicher, von dem mindestens ein Teil materiell und nicht-flüchtig ist. Der Speicher kann ein beliebiges beschreibbares Medium sein, das an der Bereitstellung computerlesbarer Daten oder Prozessinstruktionen beteiligt ist. Dieses Medium kann in einem beliebigen Format vorliegen, einschließlich, aber nicht einschränkt auf nichtflüchtige Medien und flüchtige Medien.
Nichtflüchtige Medien für die Steuerung 78 können beispielsweise optische oder magnetische Disketten und andere persistente Speicher sein. Flüchtige Medien können zum Beispiel dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM) beinhalten, die einen Hauptspeicher darstellen können. Derartige Anweisungen können von einem oder mehreren Übertragungsmedien einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Faseroptik übertragen werden einschließlich der Leiter, aus denen ein mit dem Prozessor gekoppelter Systembus besteht. Der Speicher der Steuerung 78 kann auch eine Floppy-Disk, eine flexible Disk, Festplatte, ein Magnetband, ein beliebiges anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, DVD, jedes beliebige andere optische Medium usw. beinhalten. Die Steuerung 78 kann mit anderer geeigneter Computer-Hardware ausgerüstet und für dieselbe konfiguriert sein, wie etwa mit einem Hochgeschwindigkeitstakt, erforderlichen Analog-zu-Digital (A/D) und/oder Digital-zu-Analog (D/A) Schaltkreisen, allen Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -geräten (I/O), sowie geeigneten Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltkreisen. Alle Algorithmen, die für die Steuerung 78 erforderlich oder zugänglich sind, können im Speicher gespeichert und automatisch ausgeführt werden, um die benötigte Funktionalität bereitzustellen.
Die Steuerung 78 ist speziell dazu konfiguriert, eine Wirkfläche A_wg der Wastegate-Öffnung 64 und einen Massendurchsatz ṁ_eg des Abgases 24 zu ermitteln. Der Massendurchsatz ṁ_eg des Abgases 24 ist der Gesamtdurchsatz des Abgases einschließlich des Abgasdurchsatzes durch die Turbinenschnecke 50 und des Durchsatzes durch das Wastegate 60. Die Bestimmung des Abgasmassendurchsatzes ṁ_eg kann auf einem in die Steuerung 78 programmierten empirischen Modell basieren oder auf spezifischen Messungen über spezielle Sensoren (nicht dargestellt). Die Steuerung 78 ist auch dazu konfiguriert, einen Druck P_ti am Turbineneinlass 48-1 in Reaktion auf den erfassten Druck am Turbinenauslass P_to und die Temperatur am Turbineneinlass T_ti sowie die ermittelte Wirkfläche A_wg der Wastegate-Öffnung und den Massendurchsatz des Abgases ṁ_eg zu ermitteln. Darüber hinaus ist die Steuerung 78 dazu konfiguriert, die Kraftstoffeinspritzdüse 21 so zu steuern, dass sie den Zylindern 14 eine bestimmte Menge Kraftstoff zuführt, die der Masse des in die Zylinder geleiteten Luftstroms 32 entspricht, der von dem ermittelten Turbineneinlassdruck P_ti beeinflusst wird und somit auch diesem entspricht.
Wie in 3 dargestellt, kann die Steuerung 78 mit einer ersten, während der Prüfung des Turboladers 36 auf einem Prüfstand oder als Teil des Motors 10 empirisch erstellten Nachschlagetabelle 80 programmiert werden. Die erste Nachschlagetabelle 80 korreliert den Turbineneinlassdruck P_ti mit dem erfassten Turbinenauslassdruck P_to und der Turbineneinlasstemperatur T_ti, sowie der bestimmten Wirkfläche der Wastegate-Öffnung A_wg und dem Abgasmassenstrom ṁ_eg. Dementsprechend kann die Steuerung 78 dazu konfiguriert sein, den Turbineneinlassdruck P_ti über den Zugriff auf die erste Nachschlagetabelle 80 zu ermitteln. In einer separaten Ausführungsform kann die Steuerung 78 dazu konfiguriert sein, den Turbineneinlassdruck P_ti unter Verwendung einer Polynomfunktion zweiter Ordnung zu ermitteln, auf die im Allgemeinen die Zahl 82 verweist. Im Allgemeinen kann die Polynomfunktion 82 zweiter Ordnung wie folgt ausgedrückt werden:
In der Funktion 82 bezeichnet der Faktor
im Allgemeinen einen korrigierten Massenstrom des Abgases 24, während der Faktor „F“ im Allgemeinen einen bestimmten physikalischen Parameter des Turboladers 36 bezeichnet.
Eine Ausführungsform 82-1 der Polynomfunktion 82 zweiter Ordnung kann einen Faktor beinhalten, der die ermittelte Wirkfläche A_wg der Wastegate-Öffnung 64 anzeigt. Insbesondere kann der Faktor, der die ermittelte Wirkfläche A_wg der Wastegate-Öffnung 64 anzeigt, durch eine aktuelle Position u_wg des Ventils 68 definiert werden, die beispielsweise mit der aktuellen Position u_wg durch die Steuerung 78 korreliert ist. Dementsprechend kann die Ausführungsform 82-1 der Polynomfunktion 82 zweiter Ordnung unter Verwendung der aktuellen Position u_wg des Ventils 68 wie folgt ausgedrückt und in die Steuerung 78 programmiert werden:
In der Ausführungsform 82-1 der Polynomfunktion 82, sowie weiteren Ausführungsformen der nachfolgend näher behandelten Funktion, sind a₁ bis a₅ Konstanten. Die Konstanten a₁ bis a₅ basieren auf spezifischen Eigenschaften des Turboladers 36, die bei der eigentlichen Prüfung des Turboladers oder durch dessen rechnerische Modellierung empirisch ermittelt werden können.
Bei verstärktem Betrieb des Motors 10 wird die rotierende Baugruppe 37 vom Abgas 24 mit einer Drehzahl ω_T, typischerweise als Turbolader- oder Verdichterdrehzahl bezeichnet, angetrieben. Eine weitere Ausführungsform 82-2 der Polynomfunktion 82 zweiter Ordnung kann einen Faktor beinhalten, der die Drehzahl ω_T der rotierenden Baugruppe 37 anzeigt, und kann wie folgt ausgedrückt und in die Steuerung 78 programmiert werden:
Die Steuerung 78 kann demnach mit einer zweiten Nachschlagetabelle 84 programmiert werden, welche die Drehzahl ω_T der rotierenden Baugruppe 37 mit einem Massendurchsatz
des Luftstroms 32 durch die Verdichterschnecke 56 und einem Verdichterdruckverhältnis P_Crt korreliert. Die Begriffe T_ci und P_ci stellen die Verdichtereinlasstemperatur und den Verdichtereinlassdruck dar, die von entsprechenden Sensoren gemessen werden. Das Verdichterdruckverhältnis P_Crt ist im Allgemeinen definiert als die Verdichterschnecke 56 Ausgangsdruck dividiert durch den Verdichtereinlassdruck. Die zweite Nachschlagetabelle 84 kann empirisch während der Prüfung des Turboladers 36 auf einem Prüfstand oder als Teil des Motors 10 erstellt werden. Die Steuerung 78 kann weiterhin dazu konfiguriert sein, eine aktuelle Drehzahl ω_T der rotierenden Baugruppe 37 über die zweite Nachschlagetabelle 84 zu ermitteln.
Wie vorstehend erläutert, definiert die Verdichterschnecke 56 den Verdichtereinlass 56-1 und den Verdichterauslass 56-2. In einer separaten Ausführungsform kann die Steuerung 78 dazu konfiguriert sein, die Druckbestimmung P_ti auch auf Basis der Betriebsparameter der Verdichterschnecke 56 am Verdichtereinlass 56-1 und am Verdichterauslass 56-2 durchzuführen. Zur Unterstützung einer derartigen Ausführungsform kann der Motor 10 zusätzlich einen dritten Sensor 86 zum Erfassen einer Temperatur T_co am Verdichterauslass 56-2 und einen vierten Sensor 88 zum Erfassen eines Drucks P_co am Verdichterauslass 56-2 beinhalten. Ebenso kann der Motor 10 einen fünften Sensor 90 beinhalten, der dazu konfiguriert ist, einen Druck P_ci am Verdichtereinlass 56-1 zu erfassen. In einer solchen Ausführungsform steht die Steuerung 78 zusätzlich in Verbindung mit den dritten, vierten und fünften Sensoren 86, 88 und 90. Die Steuerung 78 kann dann dazu konfiguriert sein, den Turbineneinlassdruck P_ti in Reaktion auf die erfasste Temperatur T_co am Verdichterauslass 56-2, den Druck am Verdichterauslass P_co und den Druck am Verdichtereinlass P_ci zu ermitteln.
Die Steuerung 78 kann ferner dazu konfiguriert sein, eine Leistung PW_c des Verdichters, der das Verdichterrad 52 aufnimmt, zu ermitteln und anschließend den Druck am Turbineneinlass P_ti in Reaktion auf die ermittelte Leistung PW_c des Verdichterrades 52 zu ermitteln. Die Verdichterleistung PW_c kann entweder aus einer Polynomgleichung oder aus einer Nachschlagetabelle ermittelt werden. Die Verdichterleistung PW_c bezieht sich auf die Enthalpie des Verdichters multipliziert mit einer Verdichterleistungsfunktion. Die Verdichterleistung PW_c kann gemäß dem folgenden Ausdruck ermittelt werden: $P W_{c} = v \cdot h_{c} \cdot r_{c} (P_{r c}, Q_{c})$
Im vorgenannten Ausdruck der Verdichterleistung PW_c ist der Begriff h_c die Enthalpie des Verdichters und v ist ein Korrekturfaktor basierend auf der Enthalpie der Turbine unter Verwendung des Turbinenrades 46, das dem Verdichter unter Verwendung des Verdichterrades 52 Leistung zuführt. Darüber hinaus ist der Begriff r_c eine Verdichter-Leistungsübertragungsverhältnisfunktion aus dem Verdichterverhältnis P_rc, im Allgemeinen ausgedrückt als P_co/P_ci (worin P_ci der Verdichtereinlassdruck ist), und der korrigierte Verdichtermassendurchsatz Q_c.
Eine Ausführungsform 82-3 der Polynomfunktion 82 zweiter Ordnung unter Verwendung der ermittelten Verdichterleistung PW_c kann wie folgt ausgedrückt und in die Steuerung 78 programmiert werden:
Alternativ kann die Steuerung 78 mit einer dritten Nachschlagetabelle 92 programmiert werden, welche die Verdichterradleistung PW_c mit einer korrigierten Drehzahl $(\frac{ω_{T}}{\sqrt{T_{c i}}})$
der rotierenden Baugruppe 37 und dem korrigierten Verdichtermassendurchsatz Q_c korreliert. Die dritte Nachschlagetabelle 92 kann empirisch während der Prüfung des Turboladers 36 alleine oder als Teil des Motors 10 kompiliert werden. Die Steuerung 78 kann weiterhin dazu konfiguriert sein, die Verdichterradleistung PW über die dritte Nachschlagetabelle 92 zu ermitteln.
4 stellt ein Verfahren 100 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 dar, wie oben in Bezug auf die 1-3 beschrieben. Das Verfahren startet im Rahmen 102, wobei es das Erfassen, über die Steuerung 78, eines Betriebs des Motors 10 und des Turboladers 36 zum Erzeugen eines Ladedrucks, d. h. des Druckluftstroms 32, beinhaltet. Nach dem Rahmen 102 wechselt das Verfahren zu Rahmen 104, wobei das Verfahren das Erfassen, über den ersten Sensor 74, des Drucks P_bis am Turbinenauslass 48-2 beinhaltet. Nach dem Rahmen 104 fährt das Verfahren mit dem Rahmen 106 fort. Im Rahmen 106 beinhaltet das Verfahren das Erfassen der Temperatur T_ti am Turbineneinlass 48-1 über den zweiten Sensor 76. Dann geht das Verfahren zum Rahmen 108 über. Im Rahmen 108 beinhaltet das Verfahren das Ermitteln der Wirkfläche A_wg der Wastegate-Öffnung 64 und des Massendurchsatzes ṁ_eg des Abgases 24 über die Steuerung 78.
Nach dem Rahmen 108 fährt das Verfahren mit dem Rahmen 110 fort. Im Rahmen 110 beinhaltet das Verfahren das Ermitteln des Turbineneinlassdrucks P_ti in Reaktion auf den erfassten Turbinenauslassdruck P_to und die Turbineneinlasstemperatur T_ti, über die Steuerung 78, sowie die ermittelte Wirkfläche A_wg der Wastegate-Öffnung und den Abgasmassendurchsatz ṁ_eg. Nach dem Rahmen 110 fährt das Verfahren mit dem Rahmen 112 fort, wobei das Verfahren die Anweisung der Kraftstoffeinspritzdüse 21 über die Steuerung 78 beinhaltet, dem Zylinder 14 die Kraftstoffmenge zuzuführen, die der Masse des in die Zylinder geleiteten Luftstroms 32 entspricht, der von dem ermittelten Turbineneinlassdruck P_ti beeinflusst wird und somit auch dem ermittelten Turbineneinlassdruck entspricht. Das Verfahren 100 kann entweder über die Steuerung 78 durchgeführt werden, die auf die jeweiligen ersten, zweiten oder dritten Nachschlagetabellen 80, 84, 92 zugreift, wie zuvor in Bezug auf die 1-3 beschrieben.
Alternativ kann das Verfahren auch durch direkte Berechnung mit der Polynomfunktion 82 zweiter Ordnung unter Verwendung der vorstehend beschriebenen möglichen Polynomfunktionsausführungen durchgeführt werden. Das Verfahren 100 kann in einer Endlosschleife arbeiten, d. h. nach der Zufuhr von Kraftstoff zum Zylinder 14, welcher der Masse des in die Zylinder geleiteten Luftstroms 32 und dem ermittelten Turbineneinlassdruck P_ti entspricht, kann das Verfahren zum Rahmen 102 zurückschleifen, um den vom Turbolader 36 erzeugten Druckluftstrom 32 weiter zu erfassen, um kontinuierlich den Turbineneinlassdruck P_ti zu ermitteln und die entsprechende Kraftstoffmenge zuzuführen.
Insgesamt ist das Verfahren 100 dazu bestimmt, den Turbineneinlassdruck P_ti für den Turbolader 36 zu ermitteln, entweder unter Verwendung der Polynomfunktion zweiter Ordnung 82 oder einer der Nachschlagetabellen 80, 84, 92, anstelle einer direkten physikalischen Erfassung des Turbineneinlassdruckparameters. Eine solche Bestimmung des Turbineneinlassdrucks P_ti stellt effektiv einen virtuellen Turbineneinlassdrucksensor zur Verwendung durch die Steuerung 78 zur Verfügung, wodurch eine genaue Steuerung des Betriebs des Motors 10 ohne Verwendung eines speziellen physikalischen Einlassdrucksensors ermöglicht wird.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, während der Umfang der Offenbarung jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert wird. Während einige der besten Modi und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konzepte und Ausführungsformen zur Umsetzung der in den hinzugefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder einer Vielzahl von anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, was andere Ausführungsformen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Ausführungsformen in den Rahmen des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder, der dazu konfiguriert ist, ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff zur Verbrennung darin aufzunehmen und ein Abgas nach der Verbrennung auszustoßen, ein Kraftstoffeinspritzventil, das dazu konfiguriert ist, den Kraftstoff zuzuführen, und ein Turbolader, der dazu konfiguriert ist, Umgebungsluft aufzunehmen und einen Druckluftstrom zur Abgabe an den Zylinder zu erzeugen, worin der Turbolader umfasst: eine Verdichterschnecke; eine Turbinenschnecke, die einen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass definiert; eine durch das Abgas angetriebene rotierende Baugruppe, die ein Turbinenrad innerhalb der Turbinenschnecke und ein Verdichterrad innerhalb der Verdichterschnecke aufweist; und ein Wastegate, das eine Öffnung definiert, die dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des Abgases selektiv zum Turbinenauslass umzuleiten, wobei das Turbinenrad umgangen wird; das Verfahren umfassend: das Erfassen eines Drucks am Turbinenauslass über einen ersten Sensor; das Erfassen einer Temperatur am Turbineneinlass über einen zweiten Sensor; das Ermitteln einer Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und einen Massendurchsatz des Abgases über eine Steuerung; das Ermitteln eines Turbineneinlassdrucks in Reaktion auf den erfassten Turbineneinlassdruck und die Turbineneinlasstemperatur sowie die ermittelte Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und den Massendurchsatz des Abgases; und das Anweisen der Kraftstoffeinspritzdüse über die Steuerung, dem Zylinder eine Kraftstoffmenge zuzuführen, die dem Druckluftstrom entspricht, der durch den ermittelten Turbineneinlassdruck beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Regler mit einer ersten Nachschlagetabelle programmiert ist, die den Turbineneinlassdruck mit dem erfassten Druck am Turbinenauslass und der Temperatur am Turbineneinlass und der ermittelten Wirkfläche der Wastegate-Öffnung und dem Massendurchsatz des Abgases korreliert, wobei das Verfahren ferner das Durchführen des Ermittelns des Drucks am Turbineneinlass über die erste Nachschlagetabelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ermitteln des Drucks am Turbineneinlass unter Verwendung einer Polynomfunktion zweiter Ordnung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend das Verwenden eines Faktors, der die ermittelte Wirkfläche der Wastegate-Öffnung in der Polynomfunktion zweiter Ordnung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Wastegate ein Ventil mit variabler Position beinhaltet, das dazu konfiguriert ist, die Wirkfläche der Wastegate-Öffnung zu regulieren, und worin der Faktor, der die ermittelte Wirkfläche der Wastegate-Öffnung anzeigt, durch eine aktuelle Position des Ventils definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die rotierende Baugruppe durch das Abgas mit einer Drehzahl angetrieben wird, ferner umfassend das Verwenden eines Faktors, der die Drehzahl der rotierenden Baugruppe in der Polynomfunktion zweiter Ordnung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 6, worin die Steuerung mit einer zweiten Nachschlagetabelle programmiert ist, welche die Drehzahl der rotierenden Baugruppe mit einem Luftmassenstrom durch den Verdichter und einem Verdichterdruckverhältnis korreliert, wobei das Verfahren ferner das Ermitteln, über die Steuerung, einer aktuellen Drehzahl der rotierenden Baugruppe über die zweite Nachschlagetabelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verdichterschnecke einen Verdichtereinlass und einen Verdichterauslass definiert, wobei das Verfahren ferner umfasst: das Erfassen einer Temperatur am Verdichterauslass über einen dritten Sensor; das Erfassen eines Drucks am Verdichterauslass über einen vierten Sensor; das Erfassen eines Drucks am Verdichtereinlass über einen fünften Sensor; und das Ermitteln, über die Steuerung, des Drucks am Turbineneinlass in Reaktion auf die gemessene Temperatur und den Druck am Verdichterauslass und des gemessenen Drucks am Verdichtereinlass.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verdichterschnecke einen Verdichter und einen Verdichterauslass definiert, das Verfahren ferner umfassend: das Ermitteln, über die Steuerung, einer Leistung des Verdichterrades; das Ermitteln, über die Steuerung, des Drucks am Turbineneinlass in Reaktion auf die ermittelte Leistung des Verdichterrades.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die Steuerung mit einer dritten Nachschlagetabelle programmiert ist, welche die Leistung des Verdichterrades mit einer Drehzahl der rotierenden Baugruppe und einem korrigierten Luftmassenstrom durch den Verdichter korreliert, wobei das Verfahren ferner das Ermitteln, über die Steuerung, der Leistung des Verdichterrades unter Verwendung der dritten Nachschlagetabelle umfasst.