DE10224686A1

DE10224686A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks mindestens zweier Verdichter einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10224686A1
Application number: DE10224686A
Authority: DE
Inventors: Ernst Wild
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2003-12-18
Also published as: SE526009C2; SE0301496L; JP2004011639A; SE0301496D0

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks mindestens zweier Verdichter (6, 8), insbesondere Abgasturbolader, einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die eine gleichmäßige Aufteilung der Last auf die mindestens zwei Verdichter (6, 8) ermöglichen. In einem ersten Schritt der Ladedruckregelung wird in Abhängigkeit einer Regelabweichung ein Sollwert (ntus) für eine Ausgangsgröße der mindestens zwei Verdichter (6, 8) im Sinne einer Minimierung der Regelabweichung vorgegeben. In einem zweiten Schritt der Ladedruckregelung wird für jeden der Verdichter (6, 8) in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Sollwert (ntus) für die Ausgangsgröße und einem Istwert für die Ausgangsgröße eine Stellgröße zur Einstellung des Sollwertes (ntus) für die Ausgangsgröße gebildet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks mindestens zweier Verdichter einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
Aus der DE 198 32 020 C1 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktion zweier Abgasturoblader bekannt. Der Ladedruck der beiden Turbolader wird dabei von einem geschlossenen Regelkreis geregelt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks mindestens zweier Verdichter einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass in einem ersten Schritt der Ladedruckregelung in Abhängigkeit einer Regelabweichung ein Sollwert für eine Ausgangsgröße der mindestens zwei Verdichter im Sinne einer Minimierung der Regelabweichung vorgegeben wird und dass in einem zweiten Schritt der Ladedruckregelung für jeden der Verdichter in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Sollwert für die Ausgangsgröße und einem Istwert für die Ausgangsgröße eine Stellgröße zur Einstellung des Sollwertes für die Ausgangsgröße gebildet wird. Auf diese Weise lässt sich eine gleichmäßige Aufteilung der Last auf die mindestens zwei Verdichter realisieren.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Ausgangsgröße für die mindestens zwei Verdichter eine Turbinendrehzahl gewählt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Turbinendrehzahl der mindestens zwei Verdichter im wesentlichen gleich ist und eine Beschädigung einer Turbine eines Verdichters aufgrund stark unterschiedlicher Turbinendrehzahlen der mindestens zwei Verdichter verhindert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sollwert für die Ausgangsgröße ausgehend von einem modellierten Wert in Abhängigkeit der Regelabweichung korrigiert wird. Auf diese Weise lässt sich für den Sollwert der Ausgangsgröße eine Vorsteuerung realisieren und die Dynamik der Ladedruckregelung erhöhen.
Besonders vorteilhaft ist es außerdem, wenn der modellierte Wert abhängig von der durchgeführten Korrektur adaptiert wird. Auf diese Weise lässt sich eine Verbesserung der Vorsteuerung des Sollwertes für die Ausgangsgröße und damit eine weitere Erhöhung der Dynamik der Ladedruckregelung realisieren.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern und einer Ladedruckregelung und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ladedruckregelung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 105 mit zwei Zylinderbänken 1 und 2 dargestellt. Jede dieser beiden Zylinderbänke 1 und 2 ist mit einem Abgasturbolader 3 und 4 ausgestattet. Der Abgasturbolader 3 weist eine Turbine 5 im Abgaskanal der ersten Zylinderbank 1 und einen damit gekoppelten Verdichter 6 im Ansaugtrakt auf. In gleicher Weise ist eine Turbine 7 des zweiten Abgasturboladers 4 im Abgaskanal der zweiten Zylinderbank 2 und ein damit gekoppelter Verdichter 8 im Ansaugtrakt angeordnet. Die Turbinen 5 und 7 der beiden Turbolader 3 und 4 sind jeweils in bekannter Weise mit einem Bypass-Ventil 9 und 10 ausgestattet. Über diese Bypass-Ventile 9 und 10 besteht die Möglichkeit, den von einem jeden Abgasturbolader 3, 4 erzeugten Ladedruck auf einen gewünschten Wert zu regeln. Die Verdichter 6 und 8 der beiden Abgasturbolader 3 und 4 speisen ihre Ladeluft in einen gemeinsamen Ansaugkanal 11 ein, in dem sich eine Drosselklappe 12 und ein Luftdrucksensor 13 für die Messung eines Ladedruckistwertes plist befinden. Am Ausgang der Drosselklappe 12 verzweigt sich der Ansaugkanal 11 auf die beiden Zylinderbänke 1 und 2. Die beschriebene Anordnung ist aus der bereits eingangs erwähnten DE 198 32 020 C1 bekannt. Dabei ist weiterhin ein Stellglied 14 vorgesehen, zum Beispiel ein Taktventil, das die beiden Bypass-Ventile 9 und 10 der Abgasturbolader 3 und 4 gleichzeitig ansteuert. Der Ladedruck der beiden Abgasturbolader 3 und 4 lässt sich anstelle der Bypass-Ventile 9 und 10 auch über die Geometrie der Turbinen 5, 6 regeln. Bei fehlerfreier Funktion der beiden Abgasturbolader 3 und 4 ist ein erster Ladedruckregler 17 mit dem Eingang des Stellgliedes 14 verbunden. Der Ladedruck der beiden Abgasturbolader 3 und 4 wird in diesem fehlerfreien Fall also von einem geschlossenen Regelkreis mit dem ersten Ladedruckregler 17, der beispielsweise als PID-Regler ausgebildet sein kann, geregelt. Der erste Ladedruckregler 17 erhält als Eingangssignal die Abweichung zwischen dem Ladedruckistwert plist, der vom Luftdrucksensor 13 gemessen wird und einem Ladedrucksollwert plsol, der von einem Sollwertgeber 18 vorgegeben wird. Der Sollwertgeber 18 ist ein von der Drosselklappestellung DK oder der Fahrpedalstellung und der Motordrehzahl N abhängiges Kennfeld. In dem Verknüpfungspunkt 19 wird die Abweichung zwischen dem Ladedruckistwert plist und dem Ladedrucksollwert plsol ermittelt.
Streuungen zwischen den beiden Bypass-Ventilen 9 und 10 und unterschiedliche Druckverhältnisse an den Turbinen 5 und 7 führen zu einer ungleichen Belastung der Turbinen 5 und 7. Das kann zur Folge haben, dass eine der Turbinen 5, 7 eine Turbinendrehzahl erreicht, bei der sie beschädigt wird.
Gemäß Fig. 2 ist nun eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Regelung des Ladedrucks der beiden Verdichter 6, 8 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Die Vorrichtung 100 ist dabei in eine erste Regelstufe 110 und in eine zweite Regelstufe 115 aufgeteilt. In der ersten Regelstufe 110 ist ein Subtrahierer 203 vorgesehen, der eine erste Differenz Δ1 aus dem Soll-Ladedruck plsol und dem Istladedruck plist wie folgt bildet:

Δ1 = plsol - plist.
Dabei wird der Soll-Ladedruck plsol beispielsweise in der vorbeschriebenen Weise anhand des Sollwertgebers 18 gemäß Fig. 1 ermittelt. Der Istladedruck plist kann ebenfalls in der zuvor beschriebenen Weise vom Luftdrucksensor 13 gemäß Fig. 1 gemessen werden. Die erste Differenz Δ1 wird auf einen zweiten Ladedruckregler 205 gegeben. Der zweite Ladedruckregler 205 erzeugt aus der ersten Differenz Δ1 ein Korrektursignal dntus für die Turbinensolldrehzahl der beiden Abgasturbolader 3, 4. Das Korrektursignal dntus wird dabei vom zweiten Ladedruckregler 205 mit dem Ziel der Minimierung der ersten Differenz Δ1 und damit der Ladedruckregelabweichung gebildet, damit der Ladedruckistwert plist dem Ladedrucksollwert plsol nachgeführt werden kann. Ein Addierer 210 bildet aus dem Korrektursignal dntus eine Turbinensolldrehzahl ntus für die beiden Turbinen 5 und 7, indem er zum Korrektursignal dntus eine Vorsteuersolldrehzahl ntusvst addiert. Die Turbinensolldrehzahl ntus ist ein den beiden Abgasturboladern 3, 4 gemeinsamer Sollwert für die Turbinendrehzahl als Ausgangsgröße der beiden Verdichter 6, 8. Die Vorsteuersolldrehzahl ntusvst stellt einen modellierten Wert für die Turbinendrehzahl dar und wird in einem Kennfeld 208 abhängig vom Ladedrucksollwert plsol und anderen Größen, wie beispielsweise einem Soll-Luftvolumenstrom vlsol berechnet. Der Soll-Luftvolumenstrom vlsol kann wiederum in bekannter Weise aus einem temperatur- und druckkorrigierten Soll-Luftmassenstrom berechnet werden, der von einer in Fig. 1 und 2 nicht dargestellten Motorsteuerung anhand eines beispielsweise abhängig vom Fahrerwunsch gebildeten Motorausgangssollmoment berechnet und durch geeignete Einstellung der Drosselklappe 12 eingestellt wird.
Als eine weitere Größe zur Berechnung der Vorsteuersolldrehzahl ntusvst kann der Abgasmassenstrom der beiden Abgasturbolader 3, 4 verwendet werden.
Durch die Vorsteuerung mittels der Vorsteuersolldrehzahl ntusvst lässt sich der Regelvorgang der Ladedruckregelung beschleunigen und damit die Dynamik der Ladedruckregelung erhöhen.
Gemäß Fig. 2 umfasst die erste Regelstufe 110 den Subtrahierer 203, das Kennfeld 208, den zweiten Ladedruckregler 205 und den Addierer 210. Das Ausgangssignal des Addierers 210 ist wie beschrieben die Turbinensolldrehzahl ntus und wird einer zweiten Regelstufe 115 zugeführt. Die zweite Regelstufe 115 umfasst einen ersten Teil 214 für den ersten Abgasturbolader 3 und einen zweiten Teil 215 für den zweiten Abgasturbolader 4. Die Turbinensolldrehzahl ntus wird im ersten Teil 214 auf einen Subtrahierer 212 und im zweiten Teil 215 auf einen Subtrahierer 213 gegeben. Dem Subtrahierer 212 ist außerdem eine Turbinenistdrehzahl ntui1 des ersten Abgasturboladers 3 zugeführt, die beispielsweise durch eine in Fig. 1 nicht dargestellte Messvorrichtung ermittelt werden kann. Der Subtrahierer 212 bildet eine zweite Differenz Δ2 = ntus - ntui1. Die zweite Differenz Δ2 wird einem ersten Drehzahlregler 216 im ersten Teil 214 zugeführt. Dem Subtrahierer 213 ist außerdem eine zweite Turbinenistdrehzahl ntui2 des zweiten Abgasturboladers 4 zugeführt, die ebenfalls durch eine in Fig. 1 nicht dargestellte Messvorrichtung ermittelt werden kann. Der Subtrahierer 213 bildet eine dritte Differenz Δ3 = ntus - ntui2. Die dritte Differenz Δ3 wird einem zweiten Drehzahlregler 217 im zweiten Teil 215 der zweiten Reglerstufe 115zugeführt. In Abhängigkeit der zweiten Differenz Δ2 gibt der erste Drehzahlregler 216 ein erstes Stellsignal S1 an ein erstes Stellglied 220 ab. Das erste Stellglied 220 ist dabei das Bypassventil 9 des ersten Abgasturboladers 3, wobei das erste Stellsignal S1 als Stellgröße den Öffnungsgrad des Bypassventils 9 überträgt. Der Öffnungsgrad des Bypassventils 9 wird dabei vom ersten Drehzahlregler 216 derart vorgegeben, dass die zweite Differenz Δ2 und damit die Drehzahlregelabweichung des ersten Abgasturboladers 3 minimiert bzw. gegen Null geregelt wird. Auf diese Weise lässt sich die Turbinendrehzahl ntus für den ersten Abgasturbolader 3 einregeln. Entsprechend gibt der zweite Drehzahlregler 217 ein zweites Stellsignal S2 an ein zweites Stellglied 221 ab. Das zweite Stellglied 221 ist dabei das Bypassventil 10 des zweiten Abgasturboladers 4. Stellgröße des zweiten Stellsignals S2 ist der Öffnungsgrad des Bypassventils 10. Dieser wird in Abhängigkeit der dritten Differenz Δ3 im zweiten Drehzahlregler 217 mit dem Ziel gebildet, die dritte Differenz Δ3 und damit die Drehzahlregelabweichung des zweiten Abgasturboladers 4 zu minimieren bzw. gegen Null zu regeln. Auf diese Weise lässt sich auch für den zweiten Abgasturbolader 4 die Turbinensolldrehzahl ntus einregeln.
Als Ausgangsgröße des ersten Stellgliedes 220 im ersten Teil 214 der zweiten Regelstufe 115 ergibt sich aufgrund des ersten Stellsignales S1 und des damit verbundenen Öffnungsgrades des Bypassventils 9 die erste Turbinenistdrehzahl ntui1. Am Ausgang des zweiten Stellgliedes 221 ergibt sich aufgrund des durch das zweite Stellsignal S2 gebildeten Öffnungsgrades des Bypassventils 10 die zweite Turbinenistdrehzahl ntui2. Aufgrund der ersten Turbinenistdrehzahl ntui1 ergibt sich ein erster Teilladedruckistwert und aufgrund der zweiten Turbinenistdrehzahl ntui2 ergibt sich ein zweiter Teilladedruckistwert. Die Umwandlung der beiden Turbinenistdrehzahlen ntui1, ntui2 in den jeweiligen Teilladedruckistwert und deren Überlagerung zum Ladedruckistwert plist ist durch den Block 222 in Fig. 2 dargestellt. Block 222 beschreibt das Luftsystem der Brennkraftmaschine 105, in dem sich abhängig von den Turbinenistdrehzahlen ntui1, ntui2 der Abgasturbolader 3, 4 die Teilladedruckistwerte einstellen. Die über jeweils eine Welle mit der zugehörigen Turbine 5, 7 verbundenen Verdichter 6, 8 verdichten die angesaugte Luft, die vor der Drosselklappe 12 zusammengeführt wird. Somit stellt sich der Istladedruck plist als Summe der beiden Teilladedruckistwerte ein.
Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist möglich, wenn mit dem Korrektursignal dntus eine Adaption der Vorsteuersolldrehzahl ntusvst realisiert wird, wie in Fig. 2 durch die Abgabe des Korrektursignals dntus von dem zweiten Ladedruckregler 205 zum Kennfeld 208 dargestellt ist. Auf diese Weise lässt sich die Vorsteuersolldrehzahl ntusvst noch präziser zur Realisierung des geforderten Ladedrucksollwertes plsol vorgeben, so dass die Ladedruckregelung weiter beschleunigt und die Dynamik der Ladedruckregelung weiter erhöht werden kann.
An Stelle des Ladedrucksollwertes plsol kann dem Kennfeld 208 auch ein Sollwert für ein Verdichterdruckverhältnis zugeführt sein. Das Verdichterdruckverhältnis ist dabei das Verhältnis aus dem Druck im gemeinsamen Ansaugkanal 11 vor der Drosselklappe 12 und dem Druck in Strömungsrichtung vor den Verdichtern 6, 8 im Luftsystem, das in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 300 gekennzeichnet ist. Dabei kann der Sollwert für das Verdichterdruckverhältnis ebenfalls aus einem Kennfeld in Abhängigkeit der Drosselklappenstellung DK und der Motordrehzahl N bestimmt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, auf das Kennfeld 208 zu verzichten und den zweiten Ladedruckregler 205 derart auszubilden, dass er bereits die Turbinensolldrehzahl ntus in Abhängigkeit der ersten Differenz Δ1 abgibt, mit dem Ziel, die erste Differenz Δ1 zu minimieren bzw. gegen Null zu regeln und somit den Ladedruckistwert plist dem Ladedrucksollwert plsol nachzuführen.
Die Vorrichtung 100 stellt eine Kaskadenregelung dar, die in der ersten Regelstufe 110 eine für beide Abgasturbolader 3, 4 gemeinsame übergeordnete Ladedruckregelung realisiert und die Turbinensolldrehzahl ntus als Ausgangsgröße der beiden Verdichter 6, 8 für die nachfolgende zweite Regelstufe 115 und die dortigen Drehzahlregler 216, 217 vorgibt.
Das Ausführungsbeispiel wurde anhand einer Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern beschrieben. In entsprechender Weise können auch mehr als zwei Abgasturbolader vorgesehen sein, beispielsweise wenn mehr als zwei Zylinderbänke vorhanden sind oder die Abgasturbolader zylinderindividuell vorgesehen sind. Für jeden Abgasturbolader ist dabei in der zweiten Regelstufe 115 eine Drehzahlregelung, wie sie beispielhaft anhand des ersten Teils 214 und des zweiten Teils 215 beschrieben wurde, vorzusehen. Die Ladedrücke sämtlicher Abgasturbolader sind dann in der beschriebenen Weise in Strömungsrichtung vor der Drosselklappe 12 zum Ladedruckistwert plist im Block 22 additiv zusammengeführt.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Ladedrucks mindestens zweier Verdichter (6, 8), insbesondere Abgasturbolader, einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der Ladedruckregelung in Abhängigkeit einer Regelabweichung ein Sollwert (ntus) für eine Ausgangsgröße der mindestens zwei Verdichter (6, 8) im Sinne einer Minimierung der Regelabweichung vorgegeben wird und dass in einem zweiten Schritt der Ladedruckregelung für jeden der Verdichter (6, 8) in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Sollwert (ntus) für die Ausgangsgröße und einem Istwert für die Ausgangsgröße eine Stellgröße zur Einstellung des Sollwertes (ntus) für die Ausgangsgröße gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Regelabweichung im ersten Schritt eine Differenz zwischen einem Sollladedruckwert (plsol) und einem Istladedruckwert (plist) gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsgröße für die mindestens zwei Verdichter (6, 8) eine Turbinendrehzahl (ntu) gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der mindestens zwei Verdichter (6, 8) als Abgasturbolader als Stellgröße ein Öffnungsgrad eines Bypassventils des jeweiligen Abgasturboladers gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (ntus) für die Ausgangsgröße ausgehend von einem modellierten Wert (ntusvst) in Abhängigkeit der Regelabweichung korrigiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der modellierte Wert abhängig vom Sollladedruck (plsol) und von einem Sollluftvolumenstrom (vlsol) berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der mindestens zwei Verdichter (6, 8) als Abgasturbolader der modellierte Wert abhängig vom Abgasmassenstrom der mindestens zwei Abgasturbolader berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der modellierte Wert (ntusvst) abhängig von der durchgeführten Korrektur adaptiert wird.

9. Vorrichtung (100) zur Regelung des Ladedrucks mindestens zweier Verdichter (6, 8), insbesondere Abgasturbolader, einer Brennkraftmaschine (105), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Regelstufe (110) vorgesehen ist, in der in Abhängigkeit einer Regelabweichung ein Sollwert (ntus) für eine Ausgangsgröße der mindestens zwei Verdichter (6, 8) im Sinne einer Minimierung der Regelabweichung vorgegeben wird, und dass eine zweite Regelstufe (115) vorgesehen ist, in der für jeden der Verdichter (6, 8) in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Sollwert (ntus) für die Ausgangsgröße und einem Istwert für die Ausgangsgröße eine Stellgröße zur Einstellung des Sollwertes (ntus) für die Ausgangsgröße gebildet wird.