DE10250397A1

DE10250397A1 - Verfahren zur Ermittlung der Ventilstellung eines Ladedruckventils und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE10250397A1
Application number: DE10250397A
Authority: DE
Inventors: Franz Kunz; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Ventilstellung (WG_POS) eines Ladedruckventils (1), insbesondere eines Ladedruckventils (1) zur Umgehung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, wobei das Ladedruckventil (1) mit einem vorgegebenen Steuersignal (PWM_WG) angesteuert wird. Es wird vorgeschlagen, dass die Ventilstellung (WG_POS) des Ladedruckventils (1) aus dem Steuersignal (PWM_WG) für das Ladedruckventil (1) ermittelt wird. Weiterhin umfasst die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Verfahren zur Ermittlung der Ventilstellung eines Ladedruckventils und zugehörige Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ventilstellung eines Ladedruckventils für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.

Es ist bekannt, zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen Abgasturbolader einzusetzen. Hierbei wird dem Abgas der Brennkraftmaschine von einer Abgasturbine Energie entnommen, die zum Antrieb eines Verdichters verwendet wird, um den Ladedruck und damit den Luftdurchsatz zu erhöhen.

Die Auslegung derartiger Abgasturbolader erfolgt üblicherweise so, dass bereits bei geringen Drehzahlen ein ausreichender Ladedruck zur Verfügung steht. Diese Auslegung auf niedrige Drehzahlen kann jedoch bei hohen Drehzahlen zu einem übermäßig hohen Ladedruck und damit zu einer Überlastung der Brennkraftmaschine führen. Es ist deshalb bekannt, den Ladedruck mittels einer Ladedruckventils ("Waste-Gate") zu begrenzen, wobei das Ladedruckventil bei hohen Drehzahlen eine abgasseitige Umgehung der Abgasturbine ermöglicht, so dass nur ein Teil des Abgasstroms zum Antrieb des Abgasturboladers genutzt wird.

Es ist weiterhin bekannt, die Ventilstellung des Ladedruckventils über einen PID-Regler auf einen vorgegebenen Ladedruck-Sollwert zu regeln, wobei auf eine Erfassung der Ventilstellung des Ladedruckventils verzichtet werden kann.

Darüber hinaus ist es bekannt, die Ventilstellung des Ladedruckventils aus dem von dem Ladedruckventil abgezweigten Abgasstrom zu ermitteln, wobei der abgezweigte Abgasstrom im Rahmen einer komplexen Modellbildung aus dem Frischluftstrom und dem die Abgasturbine antreibenden Abgasstrom ermittelt wird.

Nachteilig an einer derartigen Ermittlung der Ventilstellung des Ladedruckventils ist jedoch die relativ komplexe Modellbildung.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Ventilstellung eines Ladedruckventils zu schaffen, das keine komplexe Modellbildung benötigt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, die Ventilstellung des Ladedruckventils aus dem Steuersignal zu ermitteln, mit dem das Ladedruckventil angesteuert wird.

Die Erfindung benötigt deshalb im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Stand der Technik keine komplexe Modellbildung, um die Ventilstellung aus dem Gasstrom durch die Abgasturbine und der Frischluftzufuhr berechnen zu können.

Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung des Ladedruckventils durch einen elektro-pneumatischen Wandler (EPC – Electro Pneumatic Converter), der mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Steuersignal mit einem vorgegebenen Tastverhältnis angesteuert wird und ein entsprechendes pneumatisches Steuersignal zur Ansteuerung des Ladedruckventils erzeugt. Das von dem elektro-pneumatischen Wandler erzeugte pneumatische Steuersignal hängt hierbei also von dem Tastverhältnis des elektrischen Steuersignals ab, während die Ventilstellung des Ladedruckventils wiederum durch das pneumatische Steuersignal, das Ventilgestänge und den Abgasgegendruck bestimmt wird.

Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, den elektropneumatischen Wandler in anderer Weise elektrisch anzusteuern, wie beispielsweise durch ein pulsamplitudenmoduliertes Steuersignal (PAM – Pulsamplitudenmodulation).

Bei der Ansteuerung des Ladedruckventils mit einem elektropneumatischen Wandler wird die Ventilstellung des Ladedruckventils vorzugsweise aus dem elektrischen Steuersignal für das Ladedruckventil, dem Ladedruck, dem Umgebungsdruck und/oder dem Frischluftmassenstrom ermittelt, wobei ein physikalisches Modell des elektro-pneumatischen Wandlers zugrunde gelegt wird.

Hierbei wird vorzugsweise aus dem elektrischen Steuersignal zunächst der Druck ermittelt, der in dem elektropneumatischen Wandler wirkt, wobei vorzugsweise auch der Ladedruck und/oder der Umgebungsdruck berücksichtigt wird.

Die Bestimmung dieses Drucks kann beispielsweise durch ein Kennfeld erfolgen, in dem das Übertragungsverhalten des elektropneumatischen Wandlers als funktionaler Zusammenhang zwischen dem elektrischen Steuersignal, dem Ladedruck und/oder dem Umgebungsdruck als Eingangsgrößen und dem resultierenden Druck in dem elektro-pneumatischen Wandler abgespeichert ist.

Es ist jedoch alternativ auch möglich, den in dem elektropneumatischen Wandler wirkenden Druck entsprechend einer vorgegebenen Rechenvorschrift aus dem elektrischen Steuersignal, dem Ladedruck und/oder dem Umgebungsdruck analytisch zu berechnen.

Aus dem in dem elektro-pneumatischen Wandler wirkenden Druck kann dann die Ventilstellung des Ladedruckventils bestimmt werden, was ebenfalls mittels eines Kennfeldes oder einer Recheneinheit möglich ist.

In einer anderen Variante der Erfindung wird dagegen zur Bestimmung der Ventilstellung des Ladedruckventils der Druckabfall über der Abgasturbine herangezogen. Die Ventilstellung des Ladedruckventils wird hierbei vorzugsweise aus dem elektrischen Steuersignal für das Ladedruckventil, dem Ladedruck, dem Umgebungsdruck und/oder dem Frischluftmassenstrom ermittelt.

Zur Bestimmung der Druckabfalls über der Abgasturbine wird vorzugsweise der Abgasdruck am Auslaßventil der Brennkraftmaschine zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine sowie der Abgasdruck zwischen der Abgasturbine und dem Katalysator ermittelt, wobei sich der Druckabfall über der Abgasturbine als Differenz dieser beiden Drücke ergibt.

Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Ladedruckventils ist allgemein zu verstehen und nicht auf ein sogenanntes Waste-Gate beschränkt, das im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordnet ist und es ermöglicht, einen Teil des Abgasstroms an der Abgasturbine vorbei zu leiten, um einen übermäßigen Anstieg des Ladedrucks bei hohen Drehzahlen zu vermeiden. Es ist beispielsweise auch möglich, das Ladedruckventil nicht abgasseitig, sondern ansaugseitig an der Brennkraftmaschine anzuordnen, um den gewünschten Ladedruck einzustellen. Entscheidend ist lediglich, dass das Ladedruckventil eine Steuerung oder Regelung des Ladedrucks ermöglicht.

Darüber hinaus ist die Erfindung auch nicht auf den Einsatz in Verbindung mit einem Abgasturbolader beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Ladertypen realisierbar, wie beispielsweise Druckwellenladern, Rotationskolbenladern, Flügelzellenladern oder Spiralladern.

Ferner ist es im Rahmen der Erfindung nicht zwingend erforderlich, dass das Ladedruckventil durch einen elektropneumatischen Wandler angesteuert wird. Es ist beispielsweise auch möglich, dass zur Ansteuerung des Ladedruckventils ein elektro-mechanischer Wandler vorgesehen ist. Hierzu können beispielsweise Elektromotoren oder elektro-magnetische Aktoren eingesetzt werden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ladedruckventils, das durch einen elektro-pneumatischen Wandler angesteuert wird,
2a eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Ventilstellung des Ladedruckwandlers,
2b eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß 2a,
3a eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Ventilstellung des Ladedruckventils sowie
3b eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß 3a.
Die schematische Darstellung in 1 zeigt ein herkömmliches Ladedruckventil 1, das im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und im geöffneten Zustand einen Teil des Abgasstroms abzweigt und an einer Abgasturbine eines Abgasturboladers vorbeiführt, um zu verhindern, dass der Ladedruck des Abgasturboladers bei hohen Drehzahlen übermäßig ansteigt, da dies zu einer Überlastung der Brennkraftmaschine führen könnte.
Der Antrieb des Ladedruckventils 1 erfolgt über ein Gestänge 2, 3 durch einen elektro-pneumatischen Wandler 4, wobei der elektro-pneumatische Wandler 4 ein Steuerventil 5 aufweist, das von einem pulsweitenmodulierten elektrischen Steu ersignal mit einem vorgegebenen Tastverhältnis PWM_WG (Pulse Width Modulated Waste Gate) angesteuert wird.
Eingangsseitig weist das Steuerventil 5 zwei Zuleitungen für Umgebungsdruck AMP (Ambient Pressure) und den Ladedruck PUT (Pressure Under Throttle) auf.
Ausgangsseitig ist das Steuerventil 5 dagegen mit einer Druckdose 6 verbunden, in der ein Kolben 7 verschiebbar gelagert ist, wobei der Kolben 7 einseitig durch eine Feder 8 sowie durch den Umgebungsdruck AMP belastet ist.
Das Steuerventil 5 stellt also in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis PWM_WG des elektrischen Steuersignals, dem Umgebungsdruck AMP, dem Ladedruck PUT sowie der Federkonstanten der Feder 8 einen bestimmten Druck in der Druckdose 6 ein, was zu einer bestimmten Ventilstellung WG POS (Write Gate Position) führt.
Die Erfindung ermöglicht eine Bestimmung der Ventilstellung WG_POS aus dem Tastverhältnis PWM_WG, sofern der Ladedruck PUT, der Umgebungsdruck AMP sowie die Steifigkeit der Feder 8 bekannt sind.
Die vorstehend beschriebene Anordnung des Ladedruckventils 1 entspricht einem Überdrucksystem, bei dem das Ladedruckventil 1 mit zunehmendem Druck in der Druckdose 6 geöffnet wird. Es ist jedoch alternativ auch möglich, ein Unterdrucksystem einzusetzen, bei dem das Ladedruckventil 1 mit zunehmendem Druck geschlossen wird, wobei die Federkraft entgegengerichtet ist.
Im folgenden wird nun anhand des in 2a dargestellten Flussdiagramms die Funktionsweise einer in 2b dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung 9 erläutert.
Die Vorrichtung 9 weist mehrere Signaleingänge auf, um das Tastverhältnis PWM_WG des Steuerventils 5, den Umgebungsdruck AMP, den Ladedruck PUT sowie den Frischluftmassenstrom MAF (Manifold Air Flow) aufzunehmen, wobei an einem Signalausgang die Ventilstellung WG_POS (Waste Gate Position) ausgegeben wird.
Der Ladedruck PUT und der Umgebungsdruck AMP werden einer Recheneinheit 10 zugeführt, die ein Druckverhältnis PQ_EPC=PUT/AMP (Pressure Quotient Electro Pneumatic Converter) berechnet.
Das Druckverhältnis PQ_EPC wird dann zusammen mit dem Tastverhältnis PWM_WG einem Kennlinienglied 11 zugeführt, das aus dem Druckverhältnis PQ_EPC und dem Tastverhältnis PWM_WG einen zugehörigen Steuerdosendruck PRS_WG_ACR* (Pressure Waste Gate ante Converter) berechnet. Dabei handelt es sich um den unskalierten Druck, der bei den vorgegebenen Werten für den Ladedruck PUT, den Umgebungsdruck AMP und das Tastverhältnis PWM_WG dem in der Druckdose 6 auf den Kolben 7 wirkenden Druck entspricht.
Dieser unskalierte Druckwert PRS_WG_RCR* wird dann zusammen mit dem Umgebungsdruck AMP einem Multiplizierer 12 zugeführt, der den unskalierten Druckwert PRS_WG_ACR* zur Skalierung mit dem Umgebungsdruck AMP multipliziert und einen skalierten Druckwert PRS_WG_ACR ausgibt.
Die auf den Kolben 7 wirkende Kraft wird jedoch im wesentlichen durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Kolbenseiten bestimmt, da der Kolben 7 auf der Seite der Feder 8 mit dem Umgebungsdruck AMP belastet wird. Der skalierte Druckwert PRS_WG_ACR wird deshalb zusammen mit dem Umgebungsdruck AMP einem Subtrahierer 13 zugeführt, der die Druckdifferenz DIF_PRS_WG_ACR_AMP berechnet.
Die Druckdifferenz DIF_PRS_WG_ACR_AMP wird schließlich einem weiteren Kennlinienglied 14 zugeführt, das aus der Druckdifferenz DIF_PRS_WG_ACR_AMP und dem Frischluftmassenstrom MAF entsprechend einem vorgegebenen Kennfeld die Ventilstellung WG_POS ermittelt.
3a zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Ventilstellung des Ladedruckventils 1, während 3b eine entsprechende Vorrichtung 9' zeigt.
Die Vorrichtung 9' stimmt teilweise mit der in 2b dargestellten Vorrichtung 9 überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird und funktionsgleiche Bauelemente im folgenden mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind, die jedoch zur Vermeidung von Verwechslungen mit einem Apostroph versehen sind.
Eine Besonderheit der Vorrichtung 9' besteht darin, dass eingangsseitig der Abgasdruck PRS_EX (Pressure Exhaust) am Auslaßventil der Brennkraftmaschine und der Abgasdruck 14' PRS_EX_PCAT (Pressure Exhaust Pre-Catalyst) vor dem Katalysator aufgenommen wird.
Diese beiden Druckwerte PRS_EX und PRS_EX_PCAT werden einem Subtrahierer 15 zugeführt, der die Druckdifferenz DIF_PRS_WG=PRS_EX-PRS_EX_PCAT berechnet, wobei es sich um den Druckabfall über dem Ladedruckventil 1 handelt.
Die Druckdifferenz DIF_PRS_WG wird dann zusammen mit der Druckdifferenz DIF_PRS_WG_ACR_AMP dem Kennlinienglied 14' zugeführt, das aus der Druckdifferenz DIF_PRS_WG und der Druckdifferenz DIF_PRS_WG_ACR_AMP entsprechend einem vorgegebenen Kennfeld die Ventilstellung WG_POS ermittelt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Ventilstellung (WG_POS) eines Ladedruckventils (1), insbesondere eines Ladedruckventils (1) zur Umgehung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, wobei das Ladedruckventil (1) mit einem vorgegebenen Steuersignal (PWM_WG) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstellung (WG_POS) des Ladedruckventils (1) aus dem Steuersignal (PWM_WG) für das Ladedruckventil (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstellung (WG_POS) aus dem Steuersignal (PWM WG) für das Ladedruckventil (1), dem Ladedruck (PUT), dem Umgebungsdruck (AMP) und/oder dem Frischluftmassenstrom (MAF) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstellung (WG_POS) des Ladedruckventils (1) aus dem Steuersignal (PWM_WG) für das Ladedruckventil (1), dem Ladedruck (PUT), dem Umgebungsdruck (AMP) und/oder dem Druckabfall (DIF_PRS_WG) über der Abgasturbine ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Ermittlung des Abgasdrucks (PRS_EX) zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine – Ermittlung des Abgasdrucks (PRS_EX_PCAT) zwischen der Abgasturbine und dem Katalysator – Berechnung des Druckabfalls (DIF_PRS_WG) über der Abgasturbine aus dem Abgasdruck (PRS_EX) zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine und dem Abgasdruck (PRS_EX_PCAT) zwischen der Abgasturbine und dem Katalysator.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Ladedruckventils (1) ein elektropneumatischer Wandler (4) vorgesehen ist, der mit einem elektrischen Steuersignal (PWM_WG) angesteuert wird und das Ladedruckventil mit einem pneumatischen Steuersignal (PRS_WG_ACR) ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem elektrischen Steuersignal (PWM_WG) das pneumatische Steuersignal (PRS_WG_ACR) und aus dem pneumatischen Steuersignal (PRS_WG_ACR) die Ventilstellung (WG_POS) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und/oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektro-pneumatische Wandler (4) mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Steuersignal (PWM_WG) mit einem vorgegebenen Tastverhältnis angesteuert wird, wobei das pneumatische Steuersignal (PRS_WG_ACR) aus dem Tastverhältnis ermittelt wird.
Vorrichtung (9, 9') zur Ermittlung der Ventilstellung (WG_POS) eines Ladedruckventils (1), insbesondere eines Ladedruckventils (1) für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Signalausgang zur Ausgabe eines die Ventilstellung des Ladedruckventils (1) wiedergebenden Ausgangssignals (WG_POS), gekennzeichnet durch einen ersten Signaleingang zur Aufnahme eines Steuersignals (PWM_WG) für das Ladedruckventil (1) und eine Auswertungseinheit (10–14) zur Bestimmung des Ausgangssignals (WG_POS) in Abhängigkeit von dem Steuersignal (PWM_WG) für das Ladedruckventil (1).
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen zweiten Signaleingang zur Aufnahme eines den Ladedruck wiedergebenden Ladedrucksignals (PUT), wobei die Auswertungseinheit (10–14, 10'–14', 15) das Ausgangssignal (WG_POS) in Abhängigkeit von dem Ladedrucksignal (PUT) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen dritten Signaleingang zur Aufnahme eines den Umgebungsdruck wiedergebenden Umgebungsdrucksignals (AMP), wobei die Auswertungseinheit (10–14, 10'–14', 15) das Ausgangssignal (WG_POS) in Abhängigkeit von dem Umgebungsdrucksignal (AMP) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen vierten Signaleingang zur Aufnahme eines den Frischluftstrom wiedergebenden Frischluftsignals (MAF), wobei die Auswertungseinheit (10–14, 10'–14', 15) das Ausgangssignal (WG_POS) in Abhängigkeit von dem Frischluftsignal (MAF) ermittelt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (PWM_WG) ein pulsweitenmoduliertes elektrisches Steuersignal für einen elektro-pneumatischen Wandler (4) ist, wobei der elektro-pneumatische Wandler (4) ein pneumatisches Steuersignal (PRS_WG_ACR) zur Ansteuerung des Ladedruckventils (1) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (10–14, 10'–14', 15) ein erstes Kennlinienglied (11, 11') und ein zweites Kennlinienglied (14, 14') aufweist, wobei das erste Kennlinienglied (11, 11') aus dem elektrischen Steuersignal (PWM_WG) das pneumatisches Steuersignal (PRS_WG_ACR) ermittelt, während das zweite Kennlinienglied (14, 14') aus dem pneumatischen Steuersignal (PRS_WG_ACR) die Ventilstellung (WG_POS) des Ladedruckventils (1) ermittelt.