DE10305646A1

DE10305646A1 - Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10305646A1
Application number: DE10305646A
Authority: DE
Inventors: Franz Kunz; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: FR2851614B1; FR2851614A1; DE10305646B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Boost- oder Charger-Manager, der zu einem schnellen Ladedruckaufbau die angesteuerten Mittel nach deren Wirkungsgrad priorisiert, um während der Beschleunigung den Ladedruck schnell und verbrauchsoptimal einzuregeln. Als ersten Schritt sieht das Verfahren vor, dass das Wastegate geschlossen wird, um ein Austreten von Energie zu vermeiden.

Description

Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader und einer Wastegate-Regelung.
Bei einer Beschleunigungsanforderung durch den Fahrer und damit einer großen Drehmomentanforderung wird eine große Soll-Luftmasse für die Zylinder und darüber hinaus ein großer Soll-Ladedruck von einer Motorsteuerung errechnet. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt, um den Ladedruckaufbau bzw. den Ladedruckwert zu regeln.
Aus DE 43 15 885 C1 ist ein Verfahren zur Einstellung des Drehmoments an einer Brennkraftmaschine bekannt. Ein Regler ist vorgesehen, dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist und der ein Stellsignal für eine Drosselklappe erzeugt. Die Regeldifferenz des Reglers wird aus einem mittleren Massenstrom, der mit Hilfe eines invers getakteten Lastfilters abhängig von einem vorgegebenen Last-Sollwert berechnet wird, und von einem gemessenen Luftmassenstrom gebildet. Die Frage der Abstimmung von mehreren Regelkreisen stellt sich hierbei nicht.
Aus WO 99/06686 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Schätzwert des tatsächlichen Drehmoments abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Aus dem Schätzwert und dem Messwert für das tatsächliche Drehmoment wird ein Korrekturwert berechnet und bei der Bestimmung eines Sollwerts für den Luftmassenstrom berücksichtigt. Auch dieses Verfahren liefert keinen Hinweis für eine Ansteuerung mehrerer Regelkreise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader bereitzustellen, das bei Verwendung von mehreren Einrichtungen zur Einstellung des Ladedrucks eine schnelle und verbrauchsoptimale Erreichung eines vorgegebenen Soll-Ladedruckwerts erlaubt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader und einer Wastegate-Regelung. Erfindungsgemäß wird für den Ladedruckaufbau abhängig vom Betriebspunkt eine Priorisierung der Ansteuerung von unterschiedlichen Mitteln zum Aufbau des Ladedrucks vorgenommen. Bei einer großen Drehmomentanforderung, d.h. einer Drehmomentanforderung, die ein vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wird in einem ersten Verfahrensschritt die Wastegate-Regelung zum Schließen eines Wastegates angesteuert. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Mittel zur Regelung des Ladedrucks sich in vier Kategorien einteilen lassen. Die erste Kategorie betrifft zylinderluftregelnde Maßnahmen, die zweite Kategorie energieerzeugende Maßnahmen, die dritte Mittel zur Erhöhung Exothermie und die vierte Mittel zum Ablassen von Energie. Hierbei bezieht sich die Energiebilanz selbstverständlich nicht auf das Gesamtsystem, sondern nur auf die Brennkraftmaschine mit Ansaug- und Abgastrakt. Energieerzeugend heißt also, dass beispielsweise durch einen elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter eine zusätzliche Verdichtung in dem Abgastrakt erfolgt, wodurch dessen Energieinhalt sich erhöht. Ebenso ist unter einem Ablassen von Energie zu verstehen, dass beispielsweise über ein Wastegate heiße Abgase mit ihrer thermischen und kinetischen Energie an der Turbine des Abgasturboladers vorbeigeführt werden und so im Abgasturbolader nicht zur Verfügung stehen. Kerngedanke der Erfindung ist es nun, bei einer Drehmomentanforderung in einem ersten Verfahrensschritt die Wastegate-Regelung zum Schließen des Wastegates anzusteuern, bevor nachfolgend weitere Schritte eingeleitet werden. Der besondere Vorteil liegt darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren schnell und verbrauchsgünstig das angeforderte Drehmoment erreicht werden kann.
Um den Verbrauch so gering wie möglich zu halten, sieht eine bevorzugte Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Ansteuerung in einem zweiten Verfahrensschritt energieerzeugende Mittel abhängig von ihrem Wirkungsgrad ansteuert. Energieerzeugende Mittel sind, wie bereits erwähnt, Mittel, die dem System zwischen Turbine und Verdichter des Abgasturboladers Energie hinzufügen. Bevorzugt werden als solche Mittel zum Aufbau des Ladedrucks mindestens eines der folgenden angesteuert: ein elektrisch angetriebener Verdichter, sogenannter E-Booster, eine Spülung über eine variable Ventilsteuerung (VVT) und ein variabler Ventilhub (VLC). Die Wirkungsgrade werden für den Vergleich hierbei unter der Bedingung des geschlossenen Wastegates berücksichtigt. Definiert werden kann der Wirkungsgrad beispielsweise als das Verhältnis der erzeugten Verdichterleistung zu eingesetzter Leistung. Ferner sind bevorzugt auch zusätzliche Mittel zum Aufbau des Ladedrucks vorgesehen, die eine Erhöhung der Exothermie des Verbrennungsprozesses bewirken. Die Erhöhung der Exothermie erfolgt beispielsweise über ein Anfetten des Luft/Kraftstoffgemisches, durch einfache und/oder mehrfache Einspritzung.
Um schnell den vorgegebenen Soll-Ladedruck zu erreichen, wird für ein Ist-Wert des Ladedrucks unterhalb einer vorbestimmten Ladedruckkonstanten der elektrisch angetriebene Verdichter angesteuert und oberhalb der Ladedruckkonstanten eine Spülung über die variable Ventilsteuerung eingestellt.
Bevorzugt sieht das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Abschaltpriorisierung vor, nach der die Mittel zum Aufbau des Ladedrucks bei oder kurz vor Erreichung des Soll-Ladedrucks abgeschaltet werden. Es hat sich in einer bevorzugten Ausgestaltung herausgestellt, dass bei der Abschaltpriorisierung die Mittel zur Erzeugung zusätzlicher Exothermie sowie die energieerzeugenden Mittel, insbesondere ein elektrisch angetriebener Verdichter und eine Spülung über eine variable Ventilsteuerung abgeschaltet werden, und in einem abschließenden Schritt das Wastegate zur Steuerung des Soll-Ladedrucks geöffnet wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1 den schematischen Aufbau einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,
2 Blockdiagramm zur erfindungsgemäßen Kaskadenregelung und
3 Flussdiagramm zum erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 in einer schematischen Ansicht. Über einen Ansaugtrakt 12 wird Frischluft angesaugt. Die angesaugte Frischluft wird in einem Ladeluftkühler 14 gekühlt. Stromaufwärts von dem Ladeluftkühler 14 ist ein Verdichter 16 des Abgasturboladers vorgesehen. Die verdichtete Frischluft tritt durch eine Drosselklappe 18 in einen Zylinder 20 ein. Zur besseren Übersicht sind in der Figur vier Zylinder dargestellt. Stromabwärts der Brennkraftmaschine 10 befindet sich ein Abgaskatalysator 22. Stromaufwärts von dem Abgaskatalysator ist eine Turbine 24 des Abgasturboladers vorgesehen. Es versteht sich von selbst, dass die Turbine 24 mit dem Verdichter 16 gekoppelt ist, um im Betrieb diesen anzutreiben. Parallel zum Abgastrakt mit der Turbine 24 ist ein Bypass 26 vorgesehen.
Ist im Betrieb das Wastegate 28 geöffnet, so strömen die Abgase an der Turbine 24 vorbei. Hierdurch sinkt die von der Turbine aufgenommene Leistung und damit die durch den Verdichter 16 abgegebene Leistung. Insgesamt sinkt also der Aufladungsgrad und damit das durch die Brennkraftmaschine abgebbare Drehmoment.
Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 kann bei Einsatz einer Direkteinspritzung eine Doppeleinspritzung (DUI) vorgesehen sein. Unter dem Begriff der Doppeleinspritzung wird die Aufteilung des Einspritzereignisses auf zwei oder mehrere Zeitpunkte verstanden. Bei der Doppeleinspritzung handelt es sich um eine Exothermie erhöhende Ausnahme.
Ebenfalls ist es möglich, im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine einen elektrisch angetriebenen Verdichter (E-BOOSTER) vorzusehen. Als weitere Variante ist es möglich, eine variable Ventilsteuerung (VVT) und einen variablen Ventilhub (VCC) einzusetzen, um eine entsprechende Ansteuerung der Brennkraftmaschine vorzunehmen. Hierbei handelt es sich um energieerzeugende Maßnahmen.
Auch Einrichtungen wie beispielsweise ein Drallklappenstellglied oder ein Lufttaktventil (LTV) können vorgesehen sein. Drallklappen dienen zur Erzeugung einer Drall- und Tumblebewegung des Luftstrahls im Brennraum. Diese Funktion ermöglicht die gezielte Erzeugung unterschiedlicher Luft-Kraftstoff-Verhältnisse im Brennraum. Bevorzugt wird hierbei ein zündfähiges Gemisch im Bereich der Zündkerze erzeugt in Verbindung mit abgemagerten Gemischen in anderen Bereichen des Brennraums bei Teillastbetrieb. Diese Maßnahmen können als Zylinderluft regelnde Maßnahmen aufgefasst werden.
Bei dem ebenfalls nicht in 1 dargestellten Lufttaktventil (LTV) ist stromaufwärts des Einlassventils eine gesteuerte Klappe im Saugrohr angeordnet. Mit dem Ventil wird die Luftmasse in weiten Bereichen bedarfsweise zugemessen bzw. gegenüber der natürlichen Ansaugung noch weiter gesteigert. Die Luftmassenerhöhung, die sogenannte dynamische Aufladung, wird dadurch erreicht, dass die Öffnungs- und Schließvorgänge der LTV-Klappe in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Motors relativ zur Bewegung von Einlassventil und Kolben gesteuert werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für die einzelnen Einrichtungen eine Priorisierung vorgenommen. 2 zeigt den Steuerablauf bei dem ein Funktionsgenerator 30 abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine den entsprechenden Wert für die Priorität setzt. Priorität 1 betrifft die Doppeleinspritzung. Die Doppeleinspritzung wird also bei dem dargestellten Verfahren mit oberster Priorität abgeschaltet. Ist die Doppeleinspritzung 32 deaktiviert, so werden aus einem Vektor 42, der die Soll- und Ist-Werte für die doppelte Einspritzung beinhaltet, die entsprechenden Steuersignale 44 ermittelt. Der elektrisch angetriebene Verdichter (E-BOOSTER) wird mit der Priorität 2 abgeschaltet. Das heißt, der E-BOOSTER wird bevorzugt nach der Doppeleinspritzung ausgeschaltet. Mit den Prioritäten 3 bis 5 folgen der variable Ventilhub 36, eine variable Ventilverstellung 38 und eine Steuerung für das Wastegate 40. Entsprechend den vorgegebenen Prioritäten werden die Soll-Ist-Vektoren 46, 50, 52 und 54 durch die einzelnen Steuerungen in Steuersignale 48, 56, 58, 60 umgesetzt. Bei einer Drehmomentanforderung erfolgt der Zuschaltvorgang genau umgekehrt.
Der Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand von 3 näher verdeutlicht. In 62 wird festgestellt, dass eine große Drehmomentanforderung vorliegt. Diese Anforderung führt dazu, dass eine Motorsteuerung (nicht dargestellt) einen großen Soll-Luftmassenwert für die Zylinder und darüber hinaus einen großen Soll-Ladedruck berechnet. Es besteht also die Aufgabe verbrauchsarm möglichst schnell den Wert für den Soll-Ladedruck zu erreichen. In einem nachfolgenden Schritt 64 wird zunächst das Wastegate geschlossen, um ein unnötiges Auslassen der Abgase zu vermeiden. In Schritt 66 wird überprüft, ob der Ist-Wert für den Ladedruck oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt. In diesem Fall wird in Verfahrensschritt 68 eine Spülung über eine variable Ventilsteuerung eingestellt. Nachfolgend an die variable Ventilsteuerung, ebenfalls noch in Verfahrensschritt 68, wird, falls erforderlich, durch Anfetten des Luftkraftstoffgemisches über Einfach- oder Mehrfacheinspritzung die Exothermie des Verbrennungsvorgangs erhöht.
Liegt bei der Abfrage 66 der Ist-Ladedruck unterhalb der vorbestimmten Konstante, so wird in Schritt 70 ein E-Booster zugeschaltet. Sofern dies nicht ausreicht, wird nachfolgend die Exothermie des Verbrennungsvorgangs durch Einfach- oder Mehrfacheinspritzung erhöht. In Schritt 72 wird abgefragt, ob der Ist-Wert des Ladedrucks bereits dem Soll-Wert erreicht hat oder diesem nahegekommen ist. Je nach Ansprechzeit (Response Time) der in den Schritten 68 oder 70 eingesetzten Mittel können diese bereits vor Erreichen des Sollwerts in Schritt 74 rechtzeitig abgeschaltet werden.

Claims

Verfahren zur Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Abgasturbolader (16, 24) und einer Wastegate-Regelung, das für den Ladedruckaufbau abhängig von einem Betriebspunkt eine Priorisierung der Ansteuerung von unterschiedlichen Mitteln zum Aufbau des Ladedrucks vorsieht, wobei bei einer Drehmomentanforderung, die einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, in einem ersten Verfahrensschritt (64) die Wastegate-Regelung zum Schließen eines Wastegates (28) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Mittel zum Aufbau des Ladedrucks in einem zweiten Verfahrensschritt (66, 70, 68, 72) abhängig von ihrem Wirkungsgrad ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zum Aufbau des Ladedrucks mindestens eines der folgenden Mittel vorgesehen ist: – elektrisch angetriebener Verdichter, – Spülung über variable Ventilsteuerung und – variabler Ventilhub (VLC).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Mittel zum Aufbau des Ladedrucks mindestens ein Mittel zur Erhöhung der Exothermie des Verbrennungsvorgangs vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erhöhung der Exothermie Mittel zum Anfetten eines Luft-/Kraftstoffgemisches durch einfache und/oder mehrfache Einspritzung vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt (66), für ein Ist-Wert des Ladedrucks unterhalb einer bestimmten Ladedruckkonstanten der elektrisch angetriebene Verdichter angesteuert (68) wird und oberhalb der Ladedruckkonstanten eine Spülung über die variable Ventilsteuerung angesteuert (70) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen oder bei Annäherung des Ist-Ladedrucks an den Soll-Ladedruck die Mittel zum Aufbau des Ladedrucks entsprechend einer vorbestimmten Abschaltpriorisierung angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abschaltpriorisierung (74) die Mittel zur Erzeugung zusätzlicher Exothermie sowie die energieerzeugenden Mittel, insbesondere elektrisch angetriebene Verdichter und die Spülung über die variable Ventilsteuerung, abgeschaltet werden und in einem abschließenden Schritt das Wastegate zur Steuerung des Soll-Ladedrucks geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der betriebspunktabhängigen Priorisierung Drehzahl und Ist-Wert des Ladedrucks berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Priorisierung und der Abschaltpriorisierung die Ansprechzeit der jeweiligen Mittel berücksichtigt wird.