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Die
Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung zur Ladedruckregelung
von mindestens zwei durch Abgas eines Verbrennungsmotors antreibbaren
Abgasturboladern zur Beladung des Verbrennungsmotors mit Verbrennungsluft,
mit Regelungsmitteln zur Bereitstellung eines Ladedruckstellsignals zur
Ladedruckregelung der Abgasturbolader anhand eines Ladedruck-Istwertsignals
und eines Ladedruck-Sollwertsignals, und mit Last-Verteilungsmitteln
zur Ansteuerung der Abgasturbolader anhand des Ladedruckstellsignals
mittels Steuersignalen derart, dass die Abgasturbolader vorbestimmte
Anteile zur Verbrennungsluftförderung
beitragen.
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Das
Grundprinzip einer derartigen Regelungsvorrichtung ist beispielsweise
aus der deutschen Patentschrift
DE
197 51 977 für
einen Verbrennungsmotor mit einem einzigen Abgasturbolader bekannt.
Ein Verdichter des Turboladers verdichtet die Ansaugluft zur Beladung
der Zylinder des Verbrennungsmotors mit Verbrennungsluft. Die Regelungsvorrichtung
regelt den Abgasturbolader derart, dass die Verbrennungsluft mit
einem vorbestimmten Ladedruck für
den Verbrennungsmotor bereitsteht. Die Regelungsvorrichtung generiert
ein Steuersignal zur Steuerung eines Aktuators an der Turbine des
Abgasturbo laders. Der Aktuator betätigt beispielsweise eine variable
Turbinengeometrie oder eine Bypassklappe an der Turbine und beeinflusst
so den vom Abgasturbolader erzeugten Ladedruck. Als Regelungsmittel
wird ein PIDT1-Regler vorgeschlagen.
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Für einen
in Serie produzierten Verbrennungsmotor mit mehreren Abgasturboladern,
beispielsweise einen sogenannten Biturbo-Motor, ist dieses Regelungskonzept
um Last-Verteilungsmittel ergänzt,
die man auch im Falle einer gleichmäßigen Verteilung der Last als
Gleichstellungsregler bezeichnen kann. Die Last-Verteilungsmittel
ermöglichen
einen möglichst
symmetrischen Betrieb der Abgasturbolader. Beispielsweise ist jeweils
ein Abgasturbolader einer Zylindergruppe mit je drei oder vier Zylindern
zugeordnet und wird durch den Teil-Abgasstrom der jeweiligen Zylindergruppe
angetrieben. Die Abgasturbolader tragen zur Verbrennungsluftförderung in
unterschiedlichem Maße
bei, was beispielsweise auf Fertigungstoleranzen bei den Abgasturboladern, beim
Verbrennungsmotor oder dergleichen zurückzuführen ist. Hier sorgen die Last-Verteilungsmittel für einen
Ausgleich und steuern die Abgasturbolader derart an, dass die Abgasturbolader
vorbestimmte Anteile zur Verbrennungsluftförderung beitragen.
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Bei
dem bekannten Regelungskonzept wird das Ladedruckstellsignal, das
die Last-Verteilungsmittel zur Ansteuerung der Abgasturbolader auswerten,
durch einen einzelnen Regler gebildet. Die Dynamik dieses Reglers
ist eingeschränkt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Dynamik einer
Regelungsvorrichtung bzw. eines Verfahrens der eingangs genannten
Art zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird von der Regelungsvorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass
die Regelungsmittel als Kaskadenregelung ausgestaltet sind, bei
der eine erste Regelungseinrichtung das Ladedruck-Istwertsignal
und das Ladedruck-Sollwertsignal auswertet und einen Abgasdruck-Sollwertsignal für mindestens
einen Abgasstrom des Verbrennungsmotors bereitstellt, und bei der
eine zweite Regelungseinrichtung das Ladedruckstellsignal für die Last-Verteilungsmittel
anhand des Abgasdruck-Sollwertsignals und mindestens eines vom Abgas
des Verbrennungsmotors abhängigen
Abgasdruck-Istwertsignals ermittelt.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung ist, eine zweistufige Regelung zu realisieren,
bei der zunächst ein
Abgasdruck-Sollwertsignal bereitgestellt wird. Dieses Abgasdruck-Sollwertsignal
findet Eingang in eine zweite Regelungsstufe, bei der eines oder
mehrere vom Abgas des Verbrennungsmotors abhängige Abgas-Istwertsignale
ausgewertet werden. An die zweite Regelungseinrichtung schließen sich
die Last-Verteilungsmittel an, die anhand des Ladedruckstellsignals,
also des Ausgangssignals der Regelung, die Abgasturbolader so ansteuern,
dass sie jeweils vorbestimmte Anteile zur Verbrennungsluftförderung
beitragen. Es wird also in einem in sich geschlossenen Regelungskonzept
kaskadenartig, z.B. zweistufig, zunächst das Ladedruckstellsignal
generiert. Sodann wird dieses Ladedruckstellsignal auf die Abgasturbolader
sozusagen aufgeteilt. Dabei ist eine symmetrische, gleichmäßige Lastverteilung
besonders bevorzugt. Ungleichmäßige Lastverteilungen wären aber
auch möglich.
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Die
erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung
bzw. das Regelungsverfahren sind stabil und dabei wesentlich dynamischer
als bekannte Regelungskonzepte. Es werden verhältnismäßig wenig Regler benötigt. Durch
das sequentielle, kaskadenartige und in sich geschlossene Regelungskonzept
zur Bereitstellung des Ladedruckstellsignals werden unerwünschte oder
unerlaubte Einschwingungsvorgänge,
gegenphasiges Schwingungsverhalten oder dergleichen vermieden, zumindest
aber auf ein vernachlässigbar
geringes Maß reduziert.
Die Regelungsvorrichtung bzw. das Regelungsverfahren können auf Grund
ihrer Stabilität
schnell ausgelegt sein.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus
der Beschreibung.
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Zweckmäßigerweise
ist die Regelungsvorrichtung zur Ermittlung des mindestens einen
Abgasdruck-Istwertsignals aus Teil-Abgasdruck-Istwerten von Teil-Abgasströmen ausgestaltet.
Die Teil-Abgasströme
dienen zum Antrieb jeweils eines Abgasturboladers. Beispielsweise
stammt jeweils ein Teil-Abgasstrom von einer Zylindergruppe des
Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor hat beispielsweise sechs
oder acht Zylinder, wobei drei bzw. vier Zylinder jeweils zu einer
Zylindergruppe zusammengefasst sind. Die Zylinder können beispielsweise
V-förmig zueinander
angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist die Anwendung der Regelungsvorrichtung
im Zusammenhang mit einem Bi-Turbomotor, das heißt mit einem Motor mit zwei
Abgasturboladern. Dabei ist vorzugsweise jeweils einer Zylindergruppe
ein Abgasturbolader zugeordnet.
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Vorteilhafterweise
wird aus den Teil-Abgasdruck-Istwerten der Teilabgasströme ein mittlerer
Abgasdruck-Istwert ermittelt, beispielsweise ein arithmetischer
Mittelwert.
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Die
Last-Verteilungsmittel, die man bei einer gleichmäßigen Lastverteilung
auch als Gleichstellungsregler bezeichnen kann, können die
Lastverteilung anhand des Ladedruckstellsignals auf der Basis verschiedener,
den jeweiligen Abgasturboladern zugeordneter Eingangwerte vornehmen.
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Vorzugsweise
werten die Last-Verteilungsmittel zur Ansteuerung der Abgasturbolader
Teil-Abgasdruck-Istwerte von die Abgasturbolader jeweils antreibenden
Abgasströmen
aus. Eine andere, ebenfalls zweckmäßige Maßnahme ist, dass die das Verteilungsmittel
die Teil-Luftmengen-Istwerte der durch die Abgasturbolader jeweils
geförderten
Luftmengen auswerten. Beispielsweise können Luftmengen-Differenzwerte
bzw. Abgasdruckdifferenzwerte gebildet werden. Prinzipiell wäre es auch
möglich,
dass die Last-Verteilungsmittel sowohl die Abgasdruck-Istwerte als auch
die Teil-Luftmengen-Istwerte auswerten. Es ist aber auch möglich, die
Last-Verteilungsmittel zur wahlweisen Auswertung der Abgasdruckwerte oder
der Luftmengenwerte umzuschalten. Hierfür hat sich ein Software-Umschalter,
beispielsweise ein einstellbarer Parameter oder dergleichen, als
zweckmäßig erwiesen.
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Die
nachfolgenden vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung beziehen
sich auf die Last-Verteilungsmittel, wobei derartige Last-Verteilungsmittel an
sich schon eine eigenständige
Erfindung darstellen.
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Wie
bereits erläutert,
können
Toleranzen im Verstellmechanismus der Turbolader, unterschiedliche
thermodynamische Wirkungsgrade, Unterschiede beim Abgasstrom oder
dergleichen zu unterschiedlichem Förder-Verhalten der Abgasturbolader führen. Zwar
unterscheiden sich diese Toleranzen bei den jeweiligen Konstellationen
von Verbrennungsmotoren und Abgasturboladern. Allerdings sind bei
einer gegebenen Kombination von Verbrennungsmotor und zwei oder
mehr Abgasturboladern die To leranzen zwischen den Abgasturboladern
konstant oder zumindest weitgehend konstant. Dementsprechend speichern
die Last-Verteilungsmittel zweckmäßigerweise
einen einmal ermittelten Regelungswert in einem Speicher ab und
benutzen diesen Regelungswert als Startwert bei Beginn eines erneuten
Regelungszyklusses. Somit wird bereits zu Beginn eines Regelungszyklusses,
beispielsweise nach dem erneuten Starten des Verbrennungsmotors, sehr
schnell eine gleichmäßige Verteilung
der Last auf die Abgasturbolader erreicht. Die Last-Verteilungsmittel
sind sozusagen lernend, da dieser Speicher- und Auslesevorgang bei jedem Regelungszyklus
wiederholt wird.
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Eine
vorteilhafte Weiterentwicklung sieht vor, dass der Regelungswert
in Abhängigkeit
von einem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors in dem Speicher
abgelegt ist und das die Last-Verteilungsmittel den Regelungswert
bei Erreichen des Betriebsbereichs wieder aus dem Speicher auslesen
und als Startwert auswerten. Der Betriebsbereich kann beispielsweise
durch eine Drehzahl und/oder eine Kraftstoffeinspritzmenge und/oder
eine Verbrennungsluftmasse des Verbrennungsmotor definiert sein.
Es versteht sich, dass auch Drehzahlbereiche, Kraftstoffeinspritzmengenbereiche
und Verbrennungsluftmassenbereiche zur Definition des oder der Betriebsbereiche
geeignet sind.
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Zweckmäßigerweise
speichert die Regelungsvorrichtung nämlich mehrere Regelungswerte tabellenartig
in dem Speicher ab. Die Felder einer derartigen Tabelle sind jeweils
Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors zugeordnet. Es wird also
nicht nur ein einziger Regelungswert sondern ein Regelungswertfeld
abgespeichert, das man auch als Korrekturfeld bezeichnen kann, dessen
Korrekturwerte in Abhängigkeit
von der Drehzahl und/oder der Last des Motors abgelegt sind. Zur
Definition der Last des Motors eignet sich beispielsweise die Kraftstoffeinspritzmenge
oder die zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigte Verbrennungsluftmasse.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein Kraftfahrzeug mit
einem Verbrennungsmotor und einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung, und
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2 Last-Verteilungsmittel
der Regelungsvorrichtung gemäß 1.
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Ein
Fahrzeug 10 ist durch einen Verbrennungsmotor 11 antreibbar,
bei dem es sich beispielsweise um einen Acht-Zylinder-V-Motor handelt. Der Verbrennungsmotor 11 ist
beispielsweise mit Diesel-Kraftstoff, Benzin oder Methanol oder
dergleichen betreibbar. Verdichter 12, 13 eines
ersten und eines zweiten Abgasturboladers 14, 15 verdichten
Ansaugluft 16, 17 und speisen sie über Leitungen 18 in
eine Kammer 19, z.B. eine Luftsammlerkammer, des Verbrennungsmotors 11 ein.
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Aus
der Kammer 19 werden je vier Zylinder 20, 21 von
Zylindergruppen 22, 23 mit Verbrennungsluft 24 versorgt.
Man kann die Zylindergruppen 22, 23 auch als Zylinderbänke bezeichnen.
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Bei
der Verbrennung des Kraftstoffes sowie der Verbrennungsluft 24 entsteht
Abgas, das in einem ersten und einem zweiten Teil-Abgasstrom 25, 26 durch
Leitungen 27, 28 aus den Zylindern 20, 22 ausströmt. Durch
die Abgasströme 25, 26 werden Turbinen 29, 30 der
Abgasturbolader 14, 15 angetrieben. Die Turbinen 29, 30 treiben
die Verdichter 12, 13 an. Die Turbi nen 29, 30 weisen
vorliegend variable Turbinengeometrien zur variablen Verdichtung
der Ansaugluft 16, 17 auf. Die Turbinengeometrien
sind durch Aktuatoren 31 bzw. 32 beeinflussbar.
Die Aktuatoren 31, 32 sind beispielsweise Stellantriebe.
Die Abgasturbolader 14, 15 könnten auch Bypassanordnungen,
z.B. eine Bypassklappe oder dergleichen, zur Variierung der jeweiligen
Verdichtungsleistung der Ansaugluft 16, 17 aufweisen.
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Eine
Motorsteuerung 33 steuert und überwacht die Funktionen des
Verbrennungsmotors 11. Die Motorsteuerung 33 beeinflusst
beispielsweise eine Zündung,
eine Kraftstoffeinspritzung oder dergleichen in Abhängigkeit
vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 11.
Die Motorsteuerung 33 enthält eine Regelungsvorrichtung 34 zur
Ladedruckregelung der Abgasturbolader 14, 15.
Die Regelungsvorrichtung 34 enthält Regelungsmittel 35 mit
einer ersten Regelungseinrichtung 36 und einer zweiten
Regelungseinrichtung 37, die kaskadenartig hintereinander
geschaltet sind.
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Die
erste Regelungseinrichtung 36 bildet anhand eines beispielsweise
von der Motorsteuerung 33 bereitgestellten Ladedruck-Sollwertsignals 38 sowie
anhand eines Ladedruck-Istwertsignals 39 ein Differenzwertsignal 40.
Das Ladedruck-Istwertsignal 39 wird
beispielsweise durch einen an der Kammer 19 angeordneten
Drucksensor 41 bereitgestellt, der den Ladedruck-Istwert
der Verbrennungsluft 24 in der Kammer 19 ermittelt.
Ein Regler 42, beispielsweise ein PID-Regler oder ein PIDT1-Regler,
ermittelt anhand des Ladedruck-Differenzwertsignals 40 ein
Abgasdruck-Sollwertsignal 43.
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Die
zweite Regelungseinrichtung 37 bildet ein Abgasdruckdifferenzwertsignal 44,
indem von den Abgasdruck-Sollwerten 43 Abgasdruck-Mittelwerte 45 abgezogen
werden. Die Abgasdruck- Mittelwerte 45 bilden
ein Mittelwertsignal, das aus Teil-Abgasdruck-Istwertsignalen 46, 47 gebildet
wird. Die Teil-Abgasdruck-Istwertsignale 46, 47 werden
durch Abgasdruck-Sensoren 48, 49 ermittelt,
die an den Leitungen 27, 28 zur Messung des ersten
und des zweiten Teil-Abgasstromes 25, 26 angeordnet
sind. Die Sensoren 48, 49 ermitteln den Druck
der Abgasströme 25, 26 beim
Ausströmen
aus den Zylindern 20, 21.
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Im
vorliegenden Fall sind die Abgasdruck-Mittelwerte 45 arithmetische
Mittelwerte der Teil-Abgasdruck-Istwertsignale 46, 47.
Sie werden durch Summierung der Teil-Abgasdruck-Istwertsignale 46, 47 durch
eine Summationseinrichtung 50 und anschließende Multiplikation
der Summe durch eine Multiplikationseinrichtung 51 mit
dem Faktor 0,5 ermittelt. Es versteht sich, dass auch andere Methoden
zur Bildung eines Abgasdruck-Istwertsignals möglich sind,
wobei beispielsweise unterschiedliche Gewichtungen der Eingangswerte
vorgenommen werden können.
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Das
Abgasdruck-Differenzwertsignal 44 wird einem Regler 52,
beispielsweise einem PID-Regler oder PIDT1-Regler, zugeführt. Der
Regler 52 ermittelt ein Ladedruckstellsignal 53,
das einem Verteilregler 54 zugeführt wird. Der Verteilregler 54 bildet
einen Bestandteil von Last-Verteilungsmitteln 55, die Steuersignale 56, 57 zur
Ansteuerung der Aktuatoren 31, 32 erzeugen. Die
Verteilungsmittel 55 steuern die Abgasturbolader 14, 15 derart
an, dass sie vorbestimmte Anteile zur Verbrennungsluftförderung
beitragen. Im vorliegenden Fall sollen die Anteile gleich groß sein,
so dass man den Verteilregler 54 auch als Gleichstellungsregler
bezeichnen kann. Prinzipiell wäre
aber auch eine ungleichmäßige Lastverteilung denkbar,
beispielsweise für
unterschiedliche Lastbereiche des Verbrennungsmotors 11.
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Bei
einer bevorzugten Variante der Erfindung werten die Last-Verteilmittel 55 die
Teil-Abgasdruck-Istwertsignale 46, 47 zur Ermittlung
der Steuersignale 56, 57 aus. Beispielsweise bildet
eine Summationseinrichtung 58 ein Differenzwertsignal 59 aus den
Teil-Abgasdruck-Istwertsignalen 46, 47, z.B. durch
Subtraktion des Wertes 46 vom Wert 47. Der Verteilregler 54 wertet
das Abgasdruck-Differenzwertsignal 59 aus.
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Mit
Hilfe eines beispielsweise als Softwareschalter oder Hardwareschalter
ausgestalteten Schalters 60 kann der Verteilregler 54 alternativ
auch einen Luftmengen-Differenzwertsignal 61 auswerten. Eine
Summationseinrichtung 62 bildet den Luftmengen-Differenzwertsignal
aus Teil-Luftmengen-Istwertsignalen 63, 64,
wobei beispielsweise der Wert 64 vom Wert 63 subtrahiert
wird. Die Teil-Luftmengen-Istwertsignale 63, 64 werden
beispielsweise von Luftmengen-Sensoren 65, 66 ermittelt,
die eingangsseitig an den Verdichtern 12, 13 angeordnet
sind und die von den Verdichtern 12, 13 angesaugte
Menge von Ansaugluft 16, 17 messen. Somit können die Last-Verteilungsmittel 55 die
Abgasturbolader 14, 15 anhand der jeweils geforderten
Ansaugluft-Mengen nach einer vorbestimmten Verteilung, vorliegend gleichmäßigen Verteilung
ansteuern.
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In 2 ist eine besonders bevorzugte
Variante der Last-Verteilungsmittel 55 gezeigt.
Aus Gründen
der Vereinfachung ist der Schalter 60 weggelassen. Die
Last-Verteilungsmittel 55 gemäß 2 werten die Teil-Luftmengen-Istwertsignale 63, 64 aus.
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Der
Verteilregler 54 ist beispielsweise ein Integrator „I" mit einer Integrationskonstante
K. Dem Verteilregler 54 wird das Luftmengen-Differenzwertsignal 61 zugeführt. Der
Verteil regler 54 ermittelt Regelungswerte 67.
Die Regelungswerte 67 sind z.B. Korrekturwerte, mit denen
das Ladedruckstellsignal 52 korrigiert wird. Zur Bildung
des Steuersignals 56 werden die Regelungswerte 67 durch
eine Summationseinrichtung 68 zu dem Ladedruckstellsignal 53 addiert.
Zur Bildung des Steuersignals 57 werden die Regelungswerte 67 von
dem Ladedruckstellsignal 53 durch eine Summationseinrichtung 69 subtrahiert.
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Die
Integrationskonstante K des Verteilreglers 54 ist im vorliegenden
Fall verhältnismäßig klein gewählt, der
Regler ist somit zwar langsam, aber sehr stabil. Die Wahl einer
kleinen Integrationskonstante K ist für die Reglerdynamik aber nicht
nachteilig, weil der Verteilregler 54 jeweils am Ende eine
Regelungszyklusses die Regelungswerte 67, also die Ausgangswerte
des Verteilreglers 54, in einem Speicher 70 ablegt.
Bei Beginn eines Regelungszyklusses entnimmt der Verteilregler 54 die
Regelungswerte 67 wieder dem Speicher 70 und nützt sie
als Startwerte, im vorliegenden Fall als Integrationsstartwerte.
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Die
Regelungswerte 67 sind in dem Speicher 70 tabellenartig
abgelegt. Der Speicher 70 ist in Felder 71 bis 74 gegliedert,
in die die Regelungswerte 67 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebsbereich des
Verbrennungsmotors 11 abgelegt sind. Die Betriebsbereiche
und somit die Felder 71 bis 74 hängen beispielsweise
von der Drehzahl, der Kraftstoff-Einspritzmenge oder der Luftmasse
(beispielsweise der Ansaugluft 16, 17) ab.
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Wenn
der Verbrennungsmotor 11 einen Betriebsbereich verlässt, beispielsweise
den dem Feld 71 zugeordneten Betriebsbereich, speichert
der Verteilregler 54 den aktuellen Regelungswert 67 in
dem Feld 71 ab. Sodann ermittelt der Verteilungsregler 54, in
welchem sich anschließenden
Betriebsbereich sich der Verbrennungsmotor 11 befindet,
beispielsweise welches Drehzahlniveau und/oder Lastniveau der Verbrennungsmotor
erreicht hat. In Abhängigkeit vom
anschließenden
Betriebsbereich liest der Verteilregler 54 beispielsweise
den im Feld 72 oder den im Feld 73 abgespeicherten
Regelungswert/Korrekturwert 67 aus und nützt ihn
als Startwert für
den nächsten
Regelungszyklus. Somit ist der jeweilige Regelungswert 67,
den der Verteilregler 54 an seinem Ausgang bereitstellt,
in kurzer Regelzeit optimiert.
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Aus
Gründen
der Vereinfachung sind teilweise die Worte "Sollwert" und "Istwert" verwendet worden. Bei einem Regelungsvorgang
handelt es sich um einen kontinuierlichen Vorgang, so dass man alternativ
auch die Begriffe Sollwertsignal bzw. Istwertsignal oder Differenzwertsignal
verwenden kann. Dasselbe gilt umgekehrt. Es kann anstelle von "Sollwertsignal" und "Istwertsignal" auch "Sollwert" und "Istwert" verwendet werden.