DE102022102897A1

DE102022102897A1 - Regelvorrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit zur Ladedruckregelung bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102022102897A1
Application number: DE102022102897.6A
Authority: DE
Inventors: Georg Berndl; Georg Gruber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2023-08-10
Also published as: WO2023151893A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit zur Ladedruckregelung bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit zweistufiger Aufladung, also mit einer ersten Niederdruck-Stufe (ND) und einer zweite Hockdruck-Stufe (HD). Dabei weist die Hochdruck-Stufe (HD) eine starre Hochdruck-Turbine und eine steuerbare Regelklappe (RK) auf. Die Niederdruck-Stufe (ND) weist eine variabel verstellbare Turbinengeometrie (VTG) auf. Die elektronische Steuereinheit enthält erfindungsgemäß ein Regelmodul, das insbesondere durch ein entsprechend programmiertes Computerprogrammprodukt für eine grundsätzliche Einstellerregelung in der Form ausgestaltet ist, dass die Ladedruckregelung allein mittels der verstellbaren Turbinengeometrie (VTG) der Niederdruck-Stufe (HD) vorgenommen wird, wobei die Regelklappe (RK) der Hochdruck-Stufe (HD) in den vollständigen Schließzustand gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit zur Ladedruckregelung bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Stellgliedern.
Es sind bereits diverse Regler zur Ladedruckregelung bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit mindestens zwei Stellgliedern bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Regler zur Ladedruckregelung dahingehend zu verbessern, dass der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen reduziert sowie die beteiligten Bauteile geschützt werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit zur Ladedruckregelung bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit mindestens zweistufiger Aufladung, also mit mindestens einer Niederdruck-Stufe (ND) und einer Hockdruck-Stufe (HD). Dabei weist die Hochdruck-Stufe (HD) eine starre Hochdruck-Turbine und eine steuerbare Regelklappe (RK) auf. Die Niederdruck-Stufe (ND) weist eine variabel verstellbare Turbinengeometrie (VTG) auf. Die elektronische Steuereinheit enthält erfindungsgemäß ein Regelmodul, das insbesondere durch ein entsprechend programmiertes Computerprogrammprodukt für eine grundsätzliche Einstellerregelung in der Form ausgestaltet ist, dass die Ladedruckregelung allein mittels der verstellbaren Turbinengeometrie (VTG) der Niederdruck-Stufe (ND) vorgenommen wird, wobei die Regelklappe (RK) der Hochdruck-Stufe (HD) in den vollständigen Schließzustand gesteuert wird. Die Erfindung betrifft also den Übergang von einer Zweistellerregung in eine grundsätzliche Einstellerregelung für die Ladedruckregelung durch ein Stellglied der Niederdruck-Stufe ND, wobei nur der Ladedrucksollwert als Stellgröße vorgegeben wird.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:

In vielen technischen Systemen werden mehrere Stellglieder verwendet, um eine Zielgröße zu erreichen. Beispiele ergeben sich in der Ladedruck-Regelung von aufgeladenen Verbrennungsmotoren insbesondere bei Varianten mit mehrstufiger Aufladung, also mit einer Niederdruck-Stufe (ND) und einer Hockdruck-Stufe (HD). Einerseits gibt es Varianten, bei denen an der Hockdruck-Stufe (HD) mehrere Stellglieder, wie z.B. ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (auch kurz HD-VTG genannt) und eine Bypass-Klappe (Abgas-Regelklappe, auch kurz RK genannt), verwendet werden. Andererseits gibt es einfachere HD-Topologien mit starrer Hochdruckturbine und zumindest elektronisch steuerbarer Regelklappe (RK).

Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise für zweistufig aufgeladenen Dieselmotoren mit der zuletzt genannten HD-Topologie, also einer starren Hochdruckturbine mit Regelklappe (RK) auf der Hochdruckstufe eingesetzt. Dabei wird erfindungsgemäß jedoch zusätzlich eine Niederdruck-Stufe (ND) mit variabel verstellbarer Turbinengeometrie (ND-VTG) verwendet und in die Ladedruck-Regelung direkt einbezogen.
Durch die Erfindung ist eine deutliche Ladedruckanhebung im zweistufigen Kennfeldbereich (Stellglied-Tastverhältnis abhängig von Motor-Drehzahl und Ladedrucksollwert) möglich. Diese Ladedruckanhebung ermöglicht wiederum eine Emissions- bzw. Verbrauchsreduktion. Wird der Ladedruck nicht angehoben, so ergibt sich durch die neue Regelungsstrategie ein Spülgefällevorteil, welcher sich ebenfalls in einem geringeren Verbrauch widerspiegelt.
Bei zweistufigen Aufladungen werden im Rahmen der Ladedruckregelungen üblicherweise immer zwei Sollwerte vorgegeben, nämlich erstens der (Gesamt-) Ladedrucksollwert in der Sauganlage also nach beiden Verdichterstufen (ND und HD) und nach dem Ladeluftkühler (LLK), und zweitens das (Soll-) Vorverdichtungsdruckverhältnis. Dabei wird vom Niederdruckverdichter der (Soll-) Druck eingestellt, der sich durch die Multiplikation des (Soll-) Vorverdichtungsdruckverhältnisses mit dem (Ist-) Druck vor dem Niederdruckverdichter ergibt, wobei die ND-Verdichterleistung mittels der ND-VTG auf der ND-Stufe geregelt wird. Der auf den (Gesamt-) Ladedrucksollwert noch fehlende Druck wird vom Hochdruckverdichter bereitgestellt. Die HD-Verdichterleistung wird mittels der Regelklappe (RK) geregelt. Dabei wird nach dem Stand der Technik der Ladedrucksollwert für die Regelung vorsorglich so gewählt, dass die Regelklappe nicht vollständig geschlossen wird. Diese Regelreserve wird bei Wirkungsgradverlusten der Turbolader (Alterung) oder bei Änderungen der Umgebungsbedingungen (Reduktion Umgebungsdruck) benötigt. Dieses Konzept wird in der Folge als Zweistellerregelung bezeichnet, da die Ladedruckregelung gleichzeitig von zwei Stellern (Regelklappe RK und ND-VTG) und über zwei Sollwerte (Ladedrucksollwert und Vorverdichtungsdruckverhältnis) bereitgestellt wird.
Diese Zweistellerregelung hat sich für die Ladedruckregelung mit starrer Hochdruck-Turbine als nicht wirkungsgradoptimal herausgestellt, da nicht der gesamte Abgasmassenstrom bzw. nicht die gesamte Energie des Abgases von der Hochdruckturbine für den Ladedruckaufbau verwendet werden kann; d.h. es strömt durch die Regelreserve aufgrund der stets etwas geöffneten Regelklappe immer ein Teil des Abgases an der Hochdruckturbine vorbei und bleibt somit ungenutzt. Der Erfindung liegt diesbezüglich die Erkenntnis zugrunde, dass die Regelklappe über applizierbare Begrenzungen geschlossen werden könnte, jedoch wäre dann die Ladedruckregelung inaktiv, da der HD-Verdichter mit starrer Turbinengeometrie immer maximalen Druck bereitstellen würde und der ND-Verdichter das vorgegebene Vorverdichtungsdruckverhältnis einregelt. Dies wäre jedoch hinsichtlich Emissionsstabilität und Bauteilschutz nicht wünschenswert.
Die Erfindung sieht durch ein entsprechend programmiertes Regelmodul insbesondere in der elektronischen Motor-Steuereinheit das Einregeln des Ladedrucksollwerts bei geschlossener Regelklappe allein mittels der VTG auf der ND-Stufe vor. Dabei wird nur noch ein Sollwert, nämlich der (Gesamt-) Ladedrucksollwert vorgegeben. Zum Einregeln des Laderucksollwertes wird erfindungsgemäß also immer der durch den HD-Verdichter maximal möglichen Hochdruck aufgrund der geschlossenen Regelklappe bereitgestellt und der ND-Verdichter regelt den fehlenden Anteil zum Erreichen des Ladedrucksollwertes. Dieses Konzept wird in der Folge auch als „Reglerübergabe“ bezeichnet, da die Ladedruckregelung basierend auf dem Ladedrucksollwert als einzige Stellgröße allein auf das Niederdruck-Stellglied, also den ND-VTG, übergeben wird, wobei die Regelklappe geschlossen wird und geschlossen bleibt.
Die Hochdruck-Regelklappe wird also grundsätzlich nicht mehr als Steller für die Ladedruckregelung verwendet. Mit dem Begriff „grundsätzlich“ ist insbesondere gemeint, dass dieses Konzept der Reglerübergabe für den größten Teil der möglichen Betriebspunkte gilt. Die Regelklappe kann ausnahmsweise für einen kleineren definierten hochlastigen Teil der möglichen Betriebspunkte als zweites Stellglied (Zweistellerregelung) eingesetzt werden, wobei dieser kleinere hochlastige Teil der möglichen Betriebspunkte insbesondere durch Überschreiten eines vorgegebenen Volllast-Drehzahlgrenzwertes und/oder eines vorgegebenen Ladedruck-Hochlastgrenzwertes definierbar ist. Die Applikation derartiger Grenzwerte ist beispielsweise abhängig von der Höhe eines erreichten Massenstroms durchzuführen, der zur Bauteilschädigung (beispielsweise an der starren Hochdruck-Turbine) führen würde. Die erfindungsgemäße Reglerübergabe wird also nur in den wenigen Betriebspunkten ausgeblendet, die zu einer Bauteilschädigung führen würden. Die Reglerübergabe wird jedoch anderenfalls grundsätzlich aktiviert, um den Kraftstoffverbrauch zu senken; denn die Reglerübergabe führt bei gleichem Ladedrucksollwert zu geringerem Abgasgegendruck.
Mit anderen Worten, die Reglerübergabe wird grundsätzlich aktiviert, wenn dadurch ein geringerer Abgasgegendruck erreicht wird als durch die Zweistellerregelung.
Zusammenfassung der Vorteile:

1. Verbrauchsvorteil, da gleicher Ladedruck bei reduziertem Abgasgegendruck aufgrund der Druckverhältnisverschiebung auf der Verdichterseite mit geschlossener Regelklappe möglich ist.
2. Zusätzlich ist Emissionierungspotenzial vorhanden durch
- - die Möglichkeit der Ladedrucksteigerung in Betriebspunkten bei geöffneter ND-Stufe, die zur Ruß- bzw. NOx-Reduktion führt, und
- - die geringen Spülgefälleschwankungen bei dynamischen Vorgängen aufgrund einer Einstellerregelung, die im Vergleich zu einer Zweistellerregelung zu mehr Stabilität bei der Luftmassenregelung führt.
3. Eine Ladedruckregelung mittels der nichtlinearen Regelklappe (Zweistellerregelung) wird nur in hochlastigen Betriebspunkten benötigt. Durch die erfindungsgemäße grundsätzliche Reglerübergabe (Einstellerregelung) statt der Zweistellerregelung
- - werden immer wiederkehrende Probleme mit der elektrischen Regelklappe (Endanschlaglernen, RK-Schwingen) im beinahe gesamten zweistufigen Bereich eliminiert und
- - ist in den meisten auftretenden Betriebspunkten ein WLTC mit Einstellerregelung möglich.

Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels und anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

1 einen Ausschnitt eines doppelt aufgeladenen Verbrennungsmotors mit erfindungsgemäß wesentlichen Komponenten,
2 eine Vergrößerung der Steuereinheit mit erfindungsgemäßem Regelmodul,
3 die Wirkung der Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik für eine bestimmte Motor-Drehzahl und
4 erfindungsgemäße Kennfelder für die Tastverhältnisse der betroffenen Stellglieder im Vergleich zu den Kennfeldern nach dem Stand der Technik.

1 zeigt einen Ausschnitt von wesentlichen Komponenten eines doppelt aufgeladenen Dieselmotors D als Beispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem starren Turbolader 1 (ohne VTG-Stellglied) und mit einer Abgas-Bypass-Regelklappe RK in einem Hockdruck-Pfad HD sowie mit einem steuerbaren Turbolader 3 in einem Niederdruck-Pfad ND. Dabei weist der Turbolader 3 im Niederdruck-Pfad ND eine variabel verstellbare Turbinengeometrie (ND-VTG) als Stellglied zur Steuerung der Verdichtung auf. Die Regelklappe RK weist ein variabel verstellbares Ventil 2 (RK-Stellglied) auf. Weiterhin weist der Verbrennungsmotor D eingangsseitig einen Drucksensor zur Erfassung des Ist-Ladedrucks p1_ist und optional einen Drucksensor zur Erfassung des Vorverdichtungsdruckes p2 auf, wobei für die Erfindung der Vorverdichtungsdruck p2 nicht (mehr) erfasst werden muss.
Der Verbrennungsmotor D und insbesondere auch der Ladedruck p1 wird durch eine elektronische Steuereinheit 4 geregelt. Beispielsweise ist der aktuelle Ladedruck p1_ist Eingangssignal der elektronischen Steuereinheit 4. In der elektronischen Steuereinheit 4 wird auch der Ladedrucksollwert p1_soll als Führungsgröße eines Regelmoduls 5 vorgegeben.
In 2 ist die Steuereinheit 4 noch etwas detaillierter dargestellt. Ausgangssignale der Steuereinheit 4 sind die Ansteuersignale für das ND-VTG-Stellglied 3 (VTG) und das HD-RK-Stellglied 2 (RK).
Die Ausgestaltung (insbesondere Programmierung) des Regelmoduls 5 und deren Wirkung wird im Zusammenhang mit 3 näher erläutert:

Das Regelmodul 5 ist für eine grundsätzliche Einstellerregelung in der Form ausgestaltet, dass die Ladedruckregelung allein mittels der verstellbaren Turbinengeometrie ND-VTG der Turbine 3 vorgenommen wird. Dabei wird die Regelklappe RK über das Ventil 2 in der Hochdruck-Stufe HD in den vollständigen Schließzustand, z.B. über ein Tastverhältnis von 100%, gesteuert.

Diese Einstellerregelung („Reglerübergabe“) wird grundsätzlich aktiviert, wenn dadurch ein geringerer Abgasgegendruck p3 (siehe auch 1 und Reduzierung um Δp3 in 3) erreicht wird als durch die Zweistellerregelung.
In 4 sind die erfindungsgemäßen Kennfelder für die Tastverhältnisse der betroffenen Stellglieder 2 und 3 dargestellt.
Abweichend von der grundsätzlichen erfindungsgemäßen Einstellerregelung wird die Regelklappe RK über das Tastverhältnis (siehe weiße Zahlen in den Kennfeldern) am Ventil 2 ausnahmsweise für einen kleineren definierten hochlastigen Teil der möglichen Betriebspunkte als zweites Stellglied (Tastverhältnis <100%) zur Zweistellerregelung eingesetzt. Dabei wird vorzugsweise dieser kleinere hochlastige Teil der möglichen Betriebspunkte insbesondere durch Überschreiten eines vorgegebenen Volllast-Drehzahlgrenzwertes n_{M_lim} und/oder eines vorgegebenen Ladedruckgrenzwertes und/oder eines bauteilschutzbezogenen Massenstrom-Grenzwertes ṁ_lim definiert. Die Grenzwerte können empirisch ermittelt und in der Steuereinheit 4 abgespeichert werden.

Claims

Regelvorrichtung mit einer elektronischen Steuereinheit (4) zur Ladedruckregelung bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor (D) mit mindestens zweistufiger Aufladung, mit einer Niederdruck-Stufe (ND) und mit einer Hockdruck-Stufe (HD), wobei die Hochdruck-Stufe (HD) eine starre Hochdruck-Turbine (1) und eine steuerbare Bypass-Regelklappe (RK; 2) aufweist und wobei die Niederdruck-Stufe (ND) eine Turbine (3) mit variabel verstellbarer Turbinengeometrie (ND-VTG) aufweist, und mit einem Regelmodul (5) in der elektronischen Steuereinheit (4), das für eine grundsätzliche Einstellerregelung in der Form ausgestaltet ist, dass die Ladedruckregelung allein mittels der verstellbaren Turbinengeometrie (3; ND-VTG) der Niederdruck-Stufe (ND) zum Erreichen des vorgegebenen Ladedrucksollwertes (p1_soll) vorgenommen wird, wobei die Regelklappe (2; RK) der Hochdruck-Stufe (HD) in den vollständigen Schließzustand (100%) gesteuert wird.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellerregelung grundsätzlich aktivierbar ist, wenn dadurch ein geringerer Abgasgegendruck (p3; -Δp3) erreicht wird als durch eine Zweistellerregelung.
Regelvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelklappe (1; RK) ausnahmsweise für einen kleineren definierten hochlastigen Teil der möglichen Betriebspunkte als zweites Stellglied zur Zweistellerregelung eingesetzt wird, wobei dieser kleinere hochlastige Teil der möglichen Betriebspunkte insbesondere durch Überschreiten eines vorgegebenen Volllast-Drehzahlgrenzwertes (n_{M_lim}) und/oder eines vorgegebenen Ladedruckgrenzwertes und/oder eines vorgegebenen bauteilschutzbezogenen Massenstrom-Grenzwertes (ṁ_lim) definierbar ist.
Kraftfahrzeug mit einer Regelvorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche.