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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme zum Begrenzen der
Drehzahl eines mit einem Verbrennungsmotor gekoppelten Turboladers, und
insbesondere solche Systeme, die die Turboladerdrehzahl durch Limitieren
der Kraftstoffzufuhr unter bestimmten Bedingungen begrenzen können.
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Hintergrund
und Zusammenfassung der Erfindung
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Bei
vielen Verbrennungsmotoranwendungen, die einen Turbolader umfassen,
sind Systeme zum Begrenzen der Turboladerdrehzahl bekannt, um einen
vorzeitigen Turboladerschaden und/oder -verschleiß zu verhindern.
Bei manchen solcher Anwendungen ist es wünschenswert, die Turboladerdrehzahl
unter normalen Motorbetriebsbedingungen zu begrenzen, jedoch auch
eine erhöhte
Turboladerdrehzahl und eine damit einhergehende erhöhte Motorleistung
zuzulassen, wenn ein berechtigtes Bedürfnis für eine erhöhte Motorleistung besteht.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eines oder mehrere der folgenden Merkmale
oder Merkmalskombinationen. Ein System zum Begrenzen der Drehzahl
eines mit einem Verbrennungsmotor gekoppelten Turboladers. Das System
kann ein Kraftstoffsystem aufweisen, welches auf ein Kraftstoffzumessungssignal
reagiert, um dem Motor Kraftstoff zuzuführen, und ein Steuergerät, das einen
Kraftstoffzufuhrbefehl bestimmt, der unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen
Luft zu Kraftstoff- oder Sauerstoff zu Kraftstoff-Steuerungsbegrenzt
ist (AFC/OFC-limitiert) und ansonsten nicht AFC/OFC-limitiert ist,
wobei das Steuergerät
das Kraftstoffzumessungssignal als eine Funktion des Kraftstoffzufuhrbefehls
erzeugt und das Kraftstoffzumessungssignal auch gemäß einer
Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze auf eine Weise begrenzt, die
die Drehzahl des Turboladers auf eine erste Turboladerdrehzahlgrenze
limitiert, wenn der Kraftstoffzufuhrbefehl AFC/OFC-limitiert ist.
Das Steuergerät
kann darüber
hinaus die Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze aus dem Kraftstoffzumessungssignal
entfernen, wenn die Änderung
des Motorbetriebsparameters einen Schwellenwert übersteigt und der Kraftstoffzufuhrbefehl
danach nicht länger
AFC/OFC-limitiert ist.
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Der
Motorbetriebsparameter kann jeder einzelne oder eine Kombination
aus Motorbeschleunigung, Fahrerdrehmomentanforderung, Ladedruck des
Turboladers, dem Motor zugeführte
Kraftstoffmenge oder ähnliches
sein.
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Das
Steuergerät
kann ferner einen in ihm gespeicherten Verzögerungswert aufweisen, wobei
das Steuergerät
die Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze aus dem Kraftstoffzumessungssignal
entfernen kann nach Ablauf einer durch den Verzögerungswert definierten Zeitdauer
im Anschluss an eine den Schwellenwert übersteigende Änderung
des Motorbetriebsparameters, nach der der Kraftstoffzufuhrbefehl nicht
länger
AFC/OFC-limitiert ist.
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In
dem Steuergerät
kann ferner ein Übergangsgeschwindigkeitswert
abgespeichert sein, wobei das Steuergerät die Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze
mit einer durch den Übergangsgeschwindigkeitswert
definierten Geschwindigkeit aus dem Kraftstoffzumessungssignal entfernen
kann.
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Das
Steuergerät
kann ferner eine Kraftstoffzufuhrbefehlsermittlungsstrategie umfassen,
die den Kraftstoffzufuhrbefehl als Funktion einer Reihe von Motorbetriebszustandssignalen
ermittelt. Die Kraftstoffzufuhrbefehlsermittlungsstrategie kann eine
AFC/OFC-Steuerungsstrategie einschließen, die einen Maximalwert
des Kraftstoffzufuhrbefehls unter den bestimmten Motorbetriebszuständen limitiert
und ansonsten den Maximalwert des Kraftstoffzufuhrbefehls nicht
limitiert.
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Das
Steuergerät
kann ferner eine endgültige Kraftstoffmengenermittlungsstrategie
umfassen, die das Kraftstoffzumessungssignal als Funktion zumindest
des Kraftstoffzufuhrbefehls erzeugt. Das Steuergerät kann ferner
eine Reihe von Kraftstoffbegrenzungsstrategien aufweisen, die jeweils
der endgültigen
Kraftstoffmengenermittlungsstrategie einen Kraftstoffbegrenzungswert
bereitstellen, wobei die endgültige
Kraftstoffmengenermittlungsstrategie das Kraftstoffzumessungssignal
als Funktion des Kraftstoffzufuhrbefehls und der Anzahl von Kraftstoffbegrenzungswerten
erzeugt. Das Steuergerät
kann ferner eine Turboladerdrehzahlkraftstoffbegrenzungsstrategie
aufweisen, die der endgültigen
Kraftstoffmengenermittlungsstrategie die Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze
bereitstellt, wobei die endgültige Kraftstoffmengenermittlungsstrategie
das Kraftstoffzumessungssignal in Übereinstimmung mit der Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze
limitiert.
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Dieses
und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung illustrierender Ausführungsbeispiele besser ersichtlich werden.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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1 ist
ein Diagramm eines illustrierenden Ausführungsbeispiels eines Systems
zum Begrenzen der Drehzahl eines mit einem Verbrennungsmotor gekoppelten
Turboladers.
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2 ist
ein Fließbild
eines illustrativen Ausführungsbeispiels
eines Softwarealgorithmus zum Begrenzen der Turboladerdrehzahl in
dem System aus 1.
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3 enthält Auftragungen
der Motorkraftstoffzumessung und Turboladerdrehzahl über der Zeit,
welche beispielhafte Motorkraftstoffzumessungs- und Turboladerdrehzahlantworten
illustrieren, die sich aus unterschiedlichen Konfigurationen des Algorithmus
aus 2 ergeben.
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Beschreibung
der illustrativen Ausführungsbeispiele
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Zum
Zwecke der Förderung
des Verständnisses
der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug genommen werden auf
eine Reihe von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen und es werden
spezielle Begriffe zum Beschreiben derselben verwendet werden. Es
versteht sich nichtsdestotrotz, dass dadurch keine Einschränkung des
Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Bezugnehmend nunmehr
auf 1 ist ein illustratives Ausführungsbeispiel eines Systems 10 zum
Begrenzen der Drehzahl eines mit einem Verbrennungsmotor 12 gekoppelten
Turboladers 18 gezeigt. Das System 10 umfasst
einen Verbrennungsmotor 12 mit einem Einlasskrümmer 14,
der über
eine Einlassleitung 20 fluidleitend mit einem Auslass eines
Verdichters 16 eines Turboladers 18 verbunden
ist, wobei der Verdichter 16 einen mit einer Einlassleitung 22 gekoppelten Verdichtereinlass
aufweist, um von dort Frischluft zu empfangen. Der Turboladerverdichter 16 ist
mechanisch mittels einer Antriebswelle 32 mit einer Turboladerturbine 26 gekoppelt,
wobei die Turbine 26 einen Turbineneinlass aufweist, der über eine
Abgasleitung 28 fluidleitend mit einem Abgaskrümmer 24 des
Motors 12 verbunden ist, und ferner einen Turbinenauslass
aufweist, der über
eine Auslassleitung 30 fluidleitend mit der Umgebungsatmosphäre verbunden
ist.
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Das
System 10 umfasst ein Motorsteuergerät 34, das mikroprozessorgestützt ist
und allgemein betriebsfähig
ist, den Gesamtbetrieb des Motors 12 zu steuern und zu
verwalten. Das Motorsteuergerät 34 weist
eine Speichereinheit sowie eine Reihe von Eingängen und Ausgängen zur
Verbindung mit verschiedenen mit dem Motor 12 verbundenen
Sensoren und Systemen auf. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
kann das Steuergerät 34 eine
bekannte Steuereinheit sein, die manchmal als ein elektronisches
oder Motorsteuermodul (ECM), elektronische oder Motorsteuereinheit
(ECU) oder ähnlich
bezeichnet wird, oder kann alternativ ein Allzweck- oder anwendungsspezifischer
Steuerschaltkreis sein, der den im Folgenden beschriebenen Betrieb
auszuführen
vermag. In jedem Fall enthält
das Motorsteuergerät 34,
wie genauer im Folgenden beschrieben werden wird, einen oder mehrere
Steueralgorithmen zum Begrenzen der Drehzahl des Turboladers 18.
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Das
Motorsteuergerät 34 weist
eine Reihe von Eingängen
zum Empfangen von Signalen von verschiedenen mit dem System 10 verbundenen Sensoren
oder Erfassungssystemen auf. Beispielsweise weist der Motor 12 einen
Motordrehzahlsensor 38 mit einem Ausgang auf, der über einen
Signalweg 40 elektrisch mit einem Motordrehzahleingang
ES des Motorsteuergeräts 34 verbunden
ist. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Motordrehzahlsensor 38 ein Halleffektsensor, der
das Passieren einer Reihe von auf einem Zahn- oder Resolverrad ausgebildeten Zähne zu erfassen
vermag, das sich synchron mit der Motorkurbelwelle dreht (nicht
dargestellt). Alternativ kann der Motordrehzahlsensor 38 jeder
bekannte Sensor sein, der eine Motordrehzahl zu erfassen vermag,
beispielsweise ein Sensor mit variabler Reluktanz. In jedem Fall
ist der Motordrehzahlsensor 38 betriebsfähig, um
ein die Drehzahl des Motors 12 angebendes Motordrehzahlsignal
zu erzeugen.
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Das
System 10 umfasst ferner ein Gaspedal 42 mit einem
Gaspedalstellungssensor 44, der über einen Signalweg 46 elektrisch
mit einem Gaspedaleingang AP des Motorsteuergeräts 34 verbunden ist.
In einem Ausführungsbeispiel
weist der Sensor 44 ein Potentiometer mit einem mechanisch
mit dem Gaspedal 42 gekoppelten Schleifer auf, so dass
das Potentiometer zwischen dem Schleifer und einem Bezugsende des
Potentiometers eine Spannung erzeugt, die als Funktion der Stellung
des Gaspedals 42 in Bezug auf eine Referenzstellung variiert.
Alternativ kann der Sensor 44 jeder bekannte Sensor sein,
der ein eine Gaspedalstellung, eine Gaspedalauslenkung, einen auf
das Gaspedal 42 ausgeübten Druck
oder ähnliches
angebendes Signal erzeugen kann. In jedem Fall ist der Sensor 44 betriebsfähig, um
ein Gaspedalsignal zu erzeugen, das ein vom Fahrer angefordertes
Drehmoment bzw. eine Kraftstoffzufuhrmenge angibt, wie aus dem Stand
der Technik bekannt.
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Das
System 10 umfasst ferner einen Einlasskrümmerdruck-
oder Ladedrucksensor 52, der in Fluidverbindung mit der
Einlassleitung 20 angeordnet und über einen Signalweg 54 elektrisch
mit einem Ladedruckeingang BP des Motorsteuergeräts 34 verbunden ist.
Alternativ kann der Sensor 52 unmittelbar in Fluidverbindung
mit dem Einlasskrümmer 14 angeordnet
sein. In jedem Fall kann der Sensor 52 von bekanntem Aufbau
sein und ist allgemein betriebsfähig,
um ein Einlasskrümmerdruck-
oder Ladedrucksignal auf einem Signalweg 62 zu erzeugen,
das den Druck in der Einlassleitung 20 und dem Einlasskrümmer 14 angibt.
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Das
Motorsteuergerät 34 umfasst
ferner eine Reihe von Ausgängen
zum Steuern einer oder mehrerer mit dem Motor 12 und/oder
dem System 10 verbundener Motorsteuermechanismen. Zum Beispiel umfasst
das Motorsteuergerät 34 einen
Kraftstoffmengensteuerblock 36 mit einem Kraftstoffzufuhrbefehlsermittlungsblock 60,
der auf eine Reihe von Eingangssignalen einschließlich zum
Beispiel der Motordrehzahl, des vom Fahrer angeforderten Drehmoments,
des Ladedrucks und eine Reihe anderer Signale 561–56N anspricht, um einen aktuellen Kraftstoffzufuhrbefehl
FC auf eine aus dem Stand der Technik wohlbekannte Weise zu bestimmen.
Der Kraftstoffzufuhrbefehlsermittlungsblock 60 umfasst
einen herkömmlichen
Luft/Kraftstoff-Verhältnis- oder
Sauerstoff/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerblock 62,
der unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen, bei denen aufgrund
eines unzureichenden Einlassluftstroms gewünschte Luft/Kraftstoff- oder
Sauerstoff/Kraftstoff-Verhältnisse
nicht sofort erreicht werden können,
den Kraftstoffzufuhrbefehl FC limitieren kann. Beispielsweise kann
bei turbogeladenen Motoren ein plötzlicher Wechsel von einem
niedrigen Niveau an Kraftstoffzumessung zu einem hohen Niveau an Kraftstoffzumessung
einen bestimmten Einlassluftmassenstrom erfordern, um ein akzeptables Luft/Kraftstoff-
oder Sauerstoff/Kraftstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten,
den der Turbolader nicht zu liefern vermag, bis der Motorabgasdruck
genügend
angestiegen ist, um die Turboladerturbine auf eine Weise anzutreiben,
die es dem Turboladerverdichter ermöglicht, den geforderten Einlassluftmassenstrom
zu liefern. Unter solchen Bedingungen sind herkömmliche Luft/Kraftstoff- oder
Sauerstoff/Kraftstoff-Steuerstrategien dazu ausgelegt, die Motorkraftstoffzumessung
solchermaßen
zu begrenzen, dass ein akzeptables Luft/Kraftstoff- oder Sauerstoff/Kraftstoff-Verhältnis aufrechterhalten
wird, bis ein ausreichender Einlassluftstrom zugeführt werden
kann, um bei der erhöhten
Motorkraftstoffzumessung akzeptable Luft/Kraftstoff- oder Sauerstoff/Kraftstoff-Verhältnisse
aufrechtzuerhalten. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Luft/Kraftstoff- oder Sauerstoff/Kraftstoff-Steuerstrategie
als eine Luft/Kraftstoff- oder Sauerstoff/Kraftstoff-Steuertabelle 62 implementiert,
die mit Werten gefüllt
ist, welche den Kraftstoffzufuhrbefehl FC als Funktion von zumindest dem
Ladedruck und dem vom Fahrer angeforderten Drehmoment limitieren.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
erhält
der Kraftstoffzufuhrbefehlsermittlungsblock ein AFC/OFC-Zustandssignal
oder -bit aufrecht, welches einen den Zustand der AFC/OFC-Steuerung
angebenden Wert hat. Ist zum Beispiel der Kraftstoffzufuhrbe fehl
FC AFC/OFC-limitiert, z.B. aufgrund der Tabelle 62, kann
das AFC/OFC-Zustandssignal
auf ein logisch hohes Niveau gesetzt sein, und wenn der Kraftstoffzufuhrbefehl
FC nicht AFC/OFC-limitiert ist, kann das AFC/OFC-Zustandssignal
auf ein logisch niedriges Niveau gesetzt sein. Es versteht sich,
dass die Luft/Kraftstoff- oder Sauerstoff/Kraftstoff-Steuerstrategie
alternativ auf eine Reihe bekannter Art und Weisen in dem Motorsteuergerät 34 implementiert
sein kann und dass das Motorsteuergerät 34 bei jeder dieser
Implementierungen Kenntnis darüber
hat, ob und wenn die Motorkraftstoffzufuhr AFC/OFC-limitiert ist. Jegliche
solche alternative Implementierung einer herkömmlichen Luft/Kraftstoff- oder
Sauerstoff/Kraftstoff-Strategie
soll unter den Schutz der vorliegenden Erfindung fallen.
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Der
Kraftstoffzufuhrbefehl FC wird als ein Eingang einem endgültigen Kraftstoffmengenermittlungsblock 64 zugeführt, der
eine Reihe weiterer Eingänge
aufweist, die Kraftstoffzufuhrlimitierungssignale von einer entsprechenden
Zahl herkömmlicher Kraftstofflimitierungsstrategien
empfangen, die in dem Kraftstoffmengensteuerblock 36 enthalten
sind (aber nicht dargestellt sind). Beispiele für solche herkömmlichen
Kraftstofflimitierungsstrategien schließen ein und sind jedoch nicht
beschränkt
auf einen Maximaldrehzahlbegrenzer und/oder einen Leerlaufdrehzahlregler
und/oder einen Höhenkompensationskraftstoffbegrenzer
und ähnliches.
Der endgültige Kraftstoffmengenermittlungsblock 64 ist
betriebsfähig,
den Kraftstoffzufuhrbefehl FC und die verschiedenen Kraftstoffzufuhrlimitierungssignale
zu verarbeiten und ein Kraftstoffzumessungssignal F auf einem Signalweg 50 zu
erzeugen. Der endgültige Kraftstoffmengenermittlungsblock 64 enthält eine "Minimum gewinnt"-Strategie, die betriebsfähig ist, das
Kraftstoffzumessungssignal F auf den Minimalwert des Kraftstoffzufuhrbefehls
FC und jedes der verschiedenen Kraftstoffzufuhrlimitierungssignale oder
-werte zu begrenzen. Mit dem Motor 12 ist ein herkömmliches
Kraftstoffsystem 48 gekoppelt und reagiert auf das Kraftstoffzumessungssignal
F, um dem Motor 12 Kraftstoff zuzuführen. Es versteht sich, dass das
System 10, obwohl nur ein einziger Signalweg 50 in 1 dargestellt
ist, eine Reihe von Signalwegen aufweisen kann, die das Motorsteuergerät 34 elektrisch
mit dem Kraftstoffsystem 48 verbinden, wobei das Motorsteuergerät 34 wie
aus dem Stand der Technik bekannt betriebsfähig sein kann, um eine entsprechende
Anzahl unterschiedlicher Kraftstoffzumessungssignale einzelnen oder
Kombinationen aus Kraftstoffabgabevorrichtungen zuzuführen.
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Das
in 1 dargestellte System 10 umfasst ferner
einen Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrbegrenzerblock 66,
der eine Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze TSFL dem endgültigen Kraftstoffmengenermittlungsblock
zuführt.
Wie genauer im Folgenden beschrieben werden wird, ist der endgültige Kraftstoffmen genermittlungsblock 64 betriebsfähig, um
das Kraftstoffzumessungssignal F unter bestimmten Betriebsbedingungen
entsprechend der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze TSFL zu begrenzen.
Die Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze TSFL hängt von
dem Aufbau des Motors 12 ab und wird ausgewählt, das
Kraftstoffzumessungssignal F so zu begrenzen, dass die Drehzahl
des Turboladers 18 auf eine gewünschte Turboladerdrehzahlgrenze
limitiert wird.
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Bezugnehmend
nunmehr auf 2 ist ein Fließbild eines
illustrativen Ausführungsbeispiels
eines Softwarealgorithmus 100 zum Begrenzen der Turboladerdrehzahl
in dem System 10 aus 1 gezeigt.
Der Algorithmus 100 ist in einer Speichereinheit (nicht
dargestellt) des Motorsteuergeräts 34 gespeichert
und von dem Steuergerät 34 ausführbar, um
die Turboladerdrehzahl zu begrenzen. Der Algorithmus 100 beginnt
mit einem Schritt 102, in dem ein Verzögerungsdauerparameter DEL auf
eine gewünschte
Verzögerungsdauer
gesetzt wird und ein Übergangsgeschwindigkeitsparameter
TRANS auf eine gewünschte Übergangsgeschwindigkeit
gesetzt wird. Sowohl DEL als auch TRANS können irgendwo zwischen Null
bis zu Dutzenden oder selbst Hunderten von Sekunden reichen, und
typische Beispielswerte für
jeden Parameter in einem Ausführungsbeispiel
des Systems 10 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 gegeben.
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Im
Anschluss an den Schritt 102 rückt der Algorithmus 100 zum
Schritt 104 vor, in dem das Steuergerät 34 betriebsfähig ist,
einen Motorbetriebsparameter EOP zu ermitteln. Bei einem Ausführungsbeispiel
des Algorithmus 100 ist der Motorbetriebsparameter EOP
die Motorbeschleunigungsgeschwindigkeit und das Steuergerät 34 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
betriebsfähig,
den Schritt 104 durch Verarbeiten des von dem Motordrehzahlsensor 38 gelieferten
Motordrehzahlsignals gemäß einer
wohlbekannten mathematischen Beziehung auszuführen, um daraus eine Motorbeschleunigungsgeschwindigkeitsinformation
zu ermitteln. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Motorbetriebsparameter EOP
eine Änderung
des Ladedrucks und das Steuergerät 34 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
betriebsfähig,
den Schritt 104 durch Überwachen
einer Änderungsgeschwindigkeit
des Ladedrucksignals auszuführen,
welches von dem Einlasskrümmer-
oder Ladedrucksensor 52 erzeugt wird. Bei einem noch anderen
Ausführungsbeispiel
ist der Motorbetriebsparameter EOP eine Änderung des vom Fahrer angeforderten
Drehmoments und das Steuergerät 34 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
betriebsfähig,
den Schritt 104 durch Überwachen
einer Änderungsgeschwindigkeit
des Gaspedalsignals auszuführen, welches
von dem Gaspedalsensor 44 erzeugt wird. Bei einem nochmals
anderen Ausführungsbeispiel
ist der Motorbetriebsparameter EOP eine Änderung der Motorlast oder
des Kraftstoffzu fuhrbefehls FC, wobei die Motorlast allgemein als
Funktion des momentanen Wertes des Kraftstoffzufuhrbefehls FC verstanden
wird. Bei einem Ausführungsbeispiel
des Systems 10 ist beispielsweise die Motorlast als ein
Verhältnis
des momentanen Wertes des Kraftstoffzufuhrbefehls FC und einer Differenz
zwischen einem Maximal- oder "Volllast"-Kraftstoffzufuhrbefehl
und einem Minimal- oder "Nulllast"-Kraftstoffzufuhrbefehl definiert.
In jedem Fall ist das Steuergerät 34 in
diesem Ausführungsbeispiel
betriebsfähig,
den Schritt 104 durch Überwachen
einer Änderungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffzufuhrbefehls FC oder des von dem Steuergerät 34 als
Funktion des Kraftstoffzufuhrbefehls FC errechneten Motorlastwertes
auszuführen.
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Soweit
es den Algorithmus 100 betrifft, ist der Motorbetriebsparameter
EOP allgemein ein solcher, aus dem es ohne Weiteres ermittelt werden
kann, ob das Ausgangsdrehmoment des Motors 12 schnell ansteigt,
und in diesem Sinne kann der Motorbetriebsparameter EOP jede Kombination
aus Motorbeschleunigung, Ladedruckänderung, Änderung des vom Fahrer angeforderten
Drehmoments, Änderung der
angewiesenen Kraftstoffmenge und/oder Änderung der Motorlast umfassen.
Darüber
hinaus kann alternativ der Motorbetriebsparameter sein oder einschließen jeglichen
oder mehrere andere oder zusätzliche
Parameter, aus denen es sich ermitteln lässt, ob das Motorausgangsdrehmoment
rasch zunimmt, einschließlich
eines oder mehrerer "virtueller Sensor"-Algorithmen, die
dazu ausgelegt sind, einen Motorbetriebsparameter als Funktion eines
oder mehrerer anderer Motorbetriebsparameter zu schätzen. Beispiele
für solche "virtuelle Sensor"-Algorithmen umfassen
und sind nicht beschränkt
auf solche, die Ladedruck, Motorausgangsdrehmoment, Turboladerdrehzahl,
Motorabgastemperatur, Motorabgasdruck und/oder ähnliches schätzen.
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Im
Anschluss an den Schritt 104 rückt der Algorithmus 100 zum
Schritt 106 vor, in dem das Motorsteuergerät 34 betriebsfähig ist,
den im Schritt 104 ermittelten Motorbetriebsparameter EOP
mit einem geeigneten Schwellenwert TH zu vergleichen. Der Schwellenwert
TH ist selbstverständlich
abhängig von
der Art des Motorbetriebsparameters EOP und sollte in jedem Fall
so gewählt
sein, dass er ein rasch ansteigendes Motorausgangsdrehmoment angibt, wenn
der Motorbetriebsparameter EOP TH übersteigt. Ist zum Beispiel
der Motorbetriebsparameter EOP die Motorbeschleunigung, dann sollte
der Schwellenwert TH eine Beschleunigungszunahmeschwelle sein, deren Überschreiten
ein rasch ansteigendes Motorausgangsdrehmoment angibt. Ist als ein
anderes Beispiel der Motorbetriebsparameter EOP die Änderung
des vom Fahrer angeforderten Drehmomentes, dann sollte der Schwellenwert
TH eine Gaspedaländerungsgeschwindigkeitsschwelle sein,
deren Überschreiten
ein rasch ansteigendes Motorausgangsdrehmoment angibt. Ist als ein
noch anderes Beispiel der Motorbetriebsparameter EOP die Änderung
des Ladedrucks, dann sollte der Schwellenwert TH eine Ladedruckänderungsgeschwindigkeitsschwelle
sein, deren Überschreiten ein
rasch ansteigendes Motorausgangsdrehmoment angibt. Ist als ein weiteres
Beispiel der Motorbetriebsparameter EOP die Änderung der angewiesenen Kraftstoffmenge,
dann sollte der Schwellenwert TH eine Kraftstoffzumessungsbefehlsänderungsgeschwindigkeitsschwelle
sein, deren Überschreiten ein
rasch ansteigendes Motorausgangsdrehmoment angibt. Ist als ein noch
weiteres Beispiel der Motorbetriebsparameter EOP die Änderung
der Motorlast, dann sollte der Schwellenwert TH eine Motorlaständerungsgeschwindigkeitsschwelle
sein, deren Überschreiten
ein rasch ansteigendes Motorausgangsdrehmoment angibt. Fachleute
auf dem Gebiet werden erkennen, dass andere geeignete Schwellenwerte
für andere
Motorbetriebsparameter verwendet werden können und dass solche anderen
Motorbetriebsparameter und Schwellenwerte dafür in den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung fallen sollen.
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Der
Algorithmus 100 rückt
vom Schritt 106 zum Schritt 108 vor, in dem das
Motorsteuergerät 34 dazu
betriebsfähig
ist festzustellen, ob die Motorkraftstoffzumessung momentan AFC/OFC-limitiert ist.
In einem Ausführungsbeispiel
ist das Steuergerät 34 betriebsfähig, den
Schritt 108 durch Überwachen des
Status des AFC/OFC-Zustandssignals oder -bits auszuführen, welches
vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
worden ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen
hat das Steuergerät 34 allgemein
Kenntnis davon, wann und ob die Motorkraftstoffzumessung wie vorstehend
beschrieben AFC/OFC-limitiert ist und in solchen Ausführungsbeispielen
kann das Steuergerät 34 dazu
betriebsfähig sein,
den Schritt 108 durch Überwachen
der AFC/OFC-Steuerstrategie mittels einer jeglichen unterschiedlicher
bekannter Verfahrensweisen auszuführen. In jedem Fall rückt, falls
das Steuergerät
34 im Schritt 108 ermittelt, dass die Motorkraftstoffzumessung
momentan AFC/OFC-limitiert ist, die Algorithmusausführung zum
Schritt 110 vor, in dem das Steuergerät 34 betriebsfähig ist,
das Kraftstoffzumessungssignal F entsprechend der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze
TSFL zu begrenzen. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist das Steuergerät 34 dazu
betriebsfähig,
den Schritt 110 auszuführen
durch sofortiges Begrenzen des Kraftstoffzumessungssignals F, mittels
des endgültigen Kraftstoffmengenermittlungsblocks 64,
entsprechend wenigstens der vom Block 66 erzeugten Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze.
Falls irgendein anderer Kraftstoffzufuhrbegrenzer, der in dem Steuergerät 34 enthalten
ist, dem endgültigen
Kraftstoffmengenermittlungsblock 64 eine niedrigere oder
kleinere Kraftstoffzufuhrgrenze zuführt, dann wird das Kraftstoffzumessungssignal
F durch den Block 64 auf diese niedrigere oder kleinere
Kraftstoffzufuhrgrenze limitiert wer den. Jedoch wird in Fällen, in
denen keine niedrigeren oder kleineren Kraftstoffzufuhrgrenzen dem
Block 64 zugeführt
werden, das vom Block 64 erzeugte maximale Kraftstoffzumessungssignal
F entsprechend der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze TSFL
begrenzt werden. Wie obenstehend beschrieben wird TSFL so ausgewählt, dass
das resultierende Motorausgangsdrehmoment auf eine solche Art begrenzt
wird, die in einer Limitierung der Drehzahl des Turboladers 18 auf
eine erste Turboladerdrehzahlgrenze resultiert. Alternativ kann
das Steuergerät 34 im
Schritt 110 dazu betriebsfähig sein, die TSFL-Grenze allmählich mit
einer vorgegebenen Geschwindigkeit auf die Motorkraftstoffzumessung
wirken zu lassen, d.h. mit der durch TRANS festgelegten Übergangsgeschwindigkeit
oder einer anderen geeigneten Geschwindigkeit. In jedem Fall springt
der Schritt 110 zurück
zum Schritt 108, in dem das Steuergerät 34 wiederum dazu
betriebsfähig
ist festzustellen, ob die Motorkraftstoffzumessung immer noch AFC/OFC-limitiert
ist.
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Falls/wenn
das Steuergerät 34 im
Schritt 108 feststellt, dass die Motorkraftstoffzumessung
nicht oder nicht mehr AFC/OFC-limitiert ist, rückt die Algorithmusausführung zu
den Schritten 112 und 114 vor, in denen das Steuergerät 34 betriebsfähig ist,
einen momentanen Wert des Motorbetriebsparameters EOP zu ermitteln
und diesen momentanen EOP-Wert mit dem EOP-Schwellenwert TH zu vergleichen. Falls
im Schritt 114 EOP nicht mehr über dem Schwellenwert TH liegt,
springt die Algorithmusausführung
zurück
zum Schritt 104. Falls jedoch das Steuergerät 34 im
Schritt 114 ermittelt, dass EOP immer noch über dem
Schwellenwert TH liegt, rückt
die Algorithmusausführung
zum Schritt 116 vor, in dem das Steuergerät 34 dazu
betriebsfähig
ist, einen Zählerwert
CNT auf einen Referenzwert zu setzen, z.B. Null. Danach ist das
Steuergerät 34 im
Schritt 118 dazu betriebsfähig, den Zählerwert CNT mit der Verzögerungsdauer
DEL zu vergleichen, und falls CNT kleiner als DEL ist, rückt die
Algorithmusausführung zum
Schritt 120 vor, in dem das Steuergerät 34 den Zählerwert
CNT inkrementiert, bevor sie zum Schritt 118 zurückspringt.
Falls/wenn das Steuergerät 34 im Schritt 118 feststellt,
dass der Zählerwert
CNT den Verzögerungsdauerwert
DEL erreicht hat, wird zu den Schritten 122 und 124 vorgerückt, in
denen das Steuergerät 34 betriebsfähig ist,
wiederum einen momentanen Wert des Motorbetriebsparameters EOP zu
ermitteln und diesen momentanen EOP-Wert mit dem EOP-Schwellenwert
TH zu vergleichen. Liegt im Schritt 124 EOP nicht mehr über dem
Schwellenwert TH, springt die Algorithmusausführung zurück zum Schritt 104.
Stellt jedoch das Steuergerät 34 im Schritt 124 fest,
dass EOP immer noch über
dem Schwellenwert TH liegt, rückt
die Algorithmusausführung
zum Schritt 126 vor, in dem das Steuergerät 34 dazu
betriebsfähig
ist, die Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze mit der Übergangsgeschwindigkeit TRANS
zu entfernen und danach eine Default-Kraftstoffzumessung zu erlauben.
Bei dem in 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel
ist das Steuergerät 34 dazu
betriebsfähig,
den Schritt 126 durch lineares Vergrößern, mittels des endgültigen Kraftstoffmengenermittlungsblocks 64,
der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze mit der Übergangsgeschwindigkeit
TRANS auszuführen,
bis das Kraftstoffzumessungssignal F nur durch den Kraftstoffzufuhrbefehl
FC oder durch irgendeinen der anderen in dem Steuergerät 34 enthaltenen
Kraftstoffzufuhrbegrenzer limitiert ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel
kann das Steuergerät 34 im
Schritt 126 dazu betriebsfähig sein, die Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze
in nicht-linearer Art und Weise zu erhöhen. In jedem Fall wird der
Begriff "Default-Kraftstoffzumessung" für die Zwecke
dieses Dokuments festgelegt als eine Motorkraftstoffzumessung, zu
der es ohne den Algorithmus 100 kommen würde, welche jene
ist, die dazu führt,
dass der Motor 12 ein Default-Motorausgangsdrehmoment abgibt. Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht "Default-Kraftstoffzumessung" demgemäss dem Kraftstoffzufuhrbefehl
FC limitiert durch irgendeinen oder mehrere herkömmliche Kraftstoffzufuhrbegrenzungsalgorithmen,
die sich innerhalb des Steuergerätes 34 befinden,
und der Motor 12 reagiert auf solche Default-Kraftstoffzumessungszustände mit
der Erzeugung eines entsprechenden Default-Motorausgangsdrehmomentes.
Die Algorithmusausführung springt
vom Schritt 126 zurück
zum Schritt 104.
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Gleichzeitig
mit der durch die Schritte 104–126 festgelegten Steuerschleife
führt der
Algorithmus 100 wiederholt auch die Schritte 128 und 130 aus.
Im Schritt 128 ist das Motorsteuergerät 34 dazu betriebsfähig, unter
Benutzung einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Verfahrensweisen
zu ermitteln, ob die Motorkraftstoffzumessung momentan AFC/OFC-limitiert
ist. Falls das Steuergerät 34 im Schritt 128 feststellt,
dass die Motorkraftstoffzumessung momentan AFC/OFC-limitiert ist,
rückt die
Algorithmusausführung
zum Schritt 130 vor, in dem das Steuergerät 34 betriebsfähig ist,
das Kraftstoffzumessungssignal F entsprechend der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze
TSFL wie vorstehend beschrieben zu begrenzen. Von dem "Nein"-Zweig des Schritts 128 und
vom Schritt 130 springt die Algorithmusausführung zurück zum Eingang
des Schritts 128.
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Aus
dem Vorstehenden sollte ersichtlich sein, dass der Algorithmus 100 dazu
ausgeführt
ist, durch Begrenzen des endgültigen
Kraftstoffzumessungssignals F das Motorausgangsdrehmoment auf eine
Weise zu begrenzen, die in einer Begrenzung der Turboladerdrehzahl
auf eine erste maximale Turboladerdrehzahl resultiert, wann immer
die Motorkraftstoffzumessung AFC/OFC-limitiert ist. Der Algorithmus 100 ist
ferner dazu ausgeführt,
einen oder mehrere Motorbetriebsparameter zu überwachen, um zu ermitteln,
ob das Motorausgangsdrehmoment rasch auf andauernde Weise ansteigt,
wozu es etwa kommen würde,
wenn das den Motor 12 tragende Fahrzeug einen Berg hinauffährt oder ähnliches.
Unter solchen Bedingungen, wenn ein berechtigtes Bedürfnis für ein erhöhtes Motorausgangsdrehmoment ermittelt
wird, wird das Motorausgangsdrehmoment wie soeben beschrieben nur
solange begrenzt, wie danach die Motorkraftstoffzumessung AFC/OFC-limitiert
ist, und dann wird das Motorausgangsdrehmoment nach einer programmierbaren
Verzögerungsdauer
und mit einer programmierbaren Übergangsgeschwindigkeit
auf seinen Default-Wert zurückgesetzt.
Durch dieses Limitieren des Motorausgangsdrehmomentes außer unter
Bedingungen eines raschen und andauernden Anstiegs der Motorausgangsdrehmomentanforderung
kann die Turboladerdrehzahl für
einen beträchtlichen
Teil der Motorlebensdauer auf die erste maximale Turboladerdrehzahl
begrenzt werden. Wenn ein berechtigtes Bedürfnis für ein erhöhtes Motorausgangsdrehmoment existiert,
werden Turboladerdrehzahlen oberhalb der ersten maximalen Turboladerdrehzahlgrenze
kurzzeitig und kontrolliert zugelassen.
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Bezugnehmend
nunmehr auf 3 sind Auftragungen von Motorkraftstoffzumessungen
und Turboladerdrehzahlen über
der Zeit gezeigt, die beispielhafte Motorkraftstoffzumessungen und
Turboladerdrehzahlen illustrieren, die sich aus unterschiedlichen
Konfigurationen des Algorithmus aus 2 ergeben.
Die in 3 dargestellten Wellenformen stellen eine Reihe
von Variationen des in einer spezifischen Anwendung implementierten
Algorithmus 100 dar, bei der der Motor 12 von
einem Bus mit Automatikgetriebe zur Personenbeförderung getragen wird. Es versteht
sich, dass die Auftragungen der 3 lediglich
zum Zwecke der Illustration einiger der Merkmale des Algorithmus 100 angegeben
sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche in irgendeiner
Weise einzuschränken.
Die Wellenform 200 betrifft eine vom Fahrer angeforderte
Kraftstoffzumessung und stellt das Kraftstoffzumessungssignal F
dar, welches sich aus einer Fahrerbetätigung des Gaspedals 42 ohne
jegliche AFC/OFC-Limitierung ergeben würde. Das Wellenformsegment 202A ist
ein Teil des aktuellen Kraftstoffzumessungssignals F, das von dem
endgültigen Kraftstoffmengenermittlungsblock 64 erzeugt
wird, und stellt das vom Fahrer angeforderte Kraftstoffzumessungssignal 200 begrenzt
durch den AFC/OFC-Steuerblock 62 dar. Die Wellenform 200 gibt
einen raschen Anstieg der Motorausgangsdrehmomentanforderung an
und das Kraftstoffzumessungssignal F wird deshalb zunächst für die Zeitdauer
zwischen T0 und T1, wiedergegeben durch das Wellenformsegment 202A,
AFC/OFC-limitiert. Zum Zeitpunkt T1 ist die AFC/OFC-Kraftstofflimitierung beendet
und ohne den Algorithmus 100 würde das Default-Kraftstoffzumessungssignal
F herkömmlicherweise
linear bis zu der vom Fahrer angeforderten Kraftstoffzumessung 200 ansteigen,
wie durch das Wellenformsegment 202B in 3 dargestellt.
Unter solchen Bedingungen würde
die resultierende Turboladerdrehzahl 300 auf einen Maximalwert
oberhalb einer ersten festgelegten Turboladerdrehzahlgrenze TSL1
(z.B. 90.000 Umdrehungen/min) ansteigen und auch über eine
zweite, höhere
Turboladerdrehzahlgrenze TSL2 (z.B. 100.000 Umdrehungen/min). In diesem
Beispiel entspricht TSL1 einer Bus-Turboladerdrehzahlgrenze, oberhalb
derer Turboladerdrehzahlen in bestimmten Busanwendungen als unerwünscht angesehen
werden, und TSL2 entspricht einer sogenannten Automobil-Turboladerdrehzahlgrenze,
oberhalb derer Turboladerdrehzahlen in allgemeinen Automobilanwendungen
als unerwünscht angesehen
werden.
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Bei
dem in 3 dargestellten Beispiel, soweit es den Algorithmus 100 betrifft,
ist die Änderung der
vom Fahrer angeforderten Kraftstoffzumessung 200 der Motorbetriebsparameter
EOP und die Änderung
der vom Fahrer angeforderten Kraftstoffzumessungsschwelle ist auf
beispielsweise 150 mm3/Hub gesetzt. Die Änderung
von 40 mm3/Hub auf ungefähr 200 mm3/Hub
zum Zeitpunkt T0 ist somit größer als der
Schwellenwert von 150 mm3/Hub, und da die
vom Fahrer angeforderte Kraftstoffzumessung 200 während der
nächsten
18 Sekunden oberhalb 150 mm3/Hub bleibt,
entspricht die Änderung
der vom Fahrer angeforderten Kraftstoffzumessung einem raschen und
andauernden Anstieg der Motorausgangsdrehmomentanforderung. Der
Algorithmus 100 schreitet somit durch die Schritte 102–106 zum Schritt 108.
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Eine
Aktivierung der AFC/OFC-Steuerung durch den Kraftstoffzufuhrbefehlsermittlungsblock 60 im
Anschluss an den Zeitpunkt T0 bewirkt, dass das Kraftstoffzumessungssignal
F durch die Schritte 108 und 100 entsprechend
der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze TSFL begrenzt wird,
obwohl das Kraftstoffzumessungssignal F durch die Schritte 128–130 bereits
derart begrenzt sein kann. In diesem Beispiel ist die Verzögerungsdauer
DEL auf 4 Sekunden gesetzt und somit ist zwischen T1 und T2 das Kraftstoffzumessungssignal
F weiter entsprechend TSFL durch die Schritte 116–120 des
Algorithmus 100 begrenzt, wie durch das Wellenformsegment 202C angegeben.
In dem dargestellten Beispiel ist der endgültige Kraftstoffmengenermittlungsblock 64 dazu
betriebsfähig,
das Kraftstoffzumessungssignal F gemäß der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze
TSFL zu begrenzen, durch Subtrahieren von TSFL von dem durch den
Block 60 erzeugten Kraftstoffzufuhrbefehl FC. In einem
alternativen Ausführungsbeispiel
kann der endgültige
Kraftstoffmengenermittlungsblock 64 dazu ausgeführt sein,
das Kraftstoffzumessungssignal F gemäß TSFL zu begrenzen, indem
der maximale Kraftstoffzufuhrbefehlswert FC auf TSFL limitiert wird.
Fachleute auf diesem Gebiet werden andere bekannte Kraftstoffbegrenzungsstrategien
zum Begrenzen des Kraftstoffzumessungssignals F in Übereinstimmung
mit der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze TSFL kennen, und
jede solche andere bekannte Kraftstoffbegrenzungsstrategie soll
in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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Im
Anschluss an die zwischen T1 und T2 definierte Verzögerungsdauer
entfernt der Schritt 126 des Algorithmus die Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze
TSFL mit einer durch die Übergangsgeschwindigkeit
TRANS festgelegten Geschwindigkeit. Bei dem in 3 dargestellten
Beispiel ist TRANS auf 6 Sekunden gesetzt und das Kraftstoffzumessungssignal
F geht somit zwischen T2 und T3 linear auf das vom Fahrer angeforderte
Kraftstoffzumessungssignal 200 über, wie durch das Wellenformsegment 202C dargestellt.
Nach T3 folgt das Kraftstoffzumessungssignal F dem vom Fahrer angeforderten Kraftstoffzumessungssignal 200 und
das vom Motor 12 erzeugte Ausgangsdrehmoment entspricht
somit dem Default-Motorausgangsdrehmomentniveau. Falls/wenn
die Motorkraftstoffzumessung danach AFC/OFC-limitiert wird (in 3 nicht
dargestellt), begrenzen wiederum die Schritte 128–130 des
Algorithmus das Kraftstoffzumessungssignal F gemäß der Turboladerdrehzahlkraftstoffzufuhrgrenze
TSFL.
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Die
in 3 gezeigte Turboladerdrehzahl-Wellenform 304 resultiert
aus der dargestellten Kraftstoffbegrenzungsstrategie, d.h. DEL =
4 Sekunden und TRANS = 6 Sekunden, wie in 3 wiedergegeben.
Mit derart festgelegten DEL und TRANS wird die resultierende Turboladerdrehzahl 304 im Wesentlichen
auf die erste Turboladerdrehzahlgrenze TSL1 begrenzt. Zum Vergleich
resultiert die Wellenform 302 aus einer Kraftstoffbegrenzungsstrategie ähnlich der
in 3 dargestellten, jedoch mit DEL = 0 Sekunden und
TRANS = 5 Sekunden. Es zeigt sich, dass mit so definierten DEL und
TRANS die resultierende Turboladerdrehzahl 302 TSL1 für eine kurze
Zeitdauer um T2 leicht übersteigt,
ansonsten jedoch unterhalb TSL1 gehalten wird.
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Obwohl
die Erfindung in der vorstehenden Beschreibung und den Figuren detailliert
erläutert und
illustriert worden ist, ist selbige als illustrativ und im Charakter
nicht beschränkend
zu verstehen, wobei es sich versteht, dass lediglich illustrative
Ausführungsbeispiele
der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind und dass alle Änderungen
und Abwandlungen, die im Geiste der Erfindung vorgenommen werden,
geschützt
sein sollen.
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Zusammenfassung
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Vorrichtung
und Verfahren zum Begrenzen von Turboladerdrehzahlen Die Erfindung
betrifft ein System zum Begrenzen der Drehzahl eines Turboladers
und umfasst Mittel zum Feststellen einer Änderung eines Motorbetriebsparameters,
ein Kraftstoffzumessungssystem, welches auf ein Kraftstoffzumessungssignal
reagiert, um dem Motor Kraftstoff zuzuführen, und ein Steuergerät, welches
einen Kraftstoffzufuhrbefehl ermittelt, der unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen
Luft/Kraftstoff- oder Sauerstoff/Kraftstoff-(AFC/OFC)-steuerungslimitiert
ist und ansonsten nicht AFC/OFC-limitiert ist. Das Steuergerät ist dazu
betriebsfähig,
das Kraftstoffzumessungssignal als Funktion des Kraftstoffzufuhrbefehls zu
erzeugen und ferner das Kraftstoffzumessungssignal gemäß einer
Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze auf eine Weise zu begrenzen,
die die Drehzahl des Turboladers auf eine erste Turboladerdrehzahlgrenze
limitiert, wann immer der Kraftstoffzufuhrbefehl AFC/OFC-limitiert ist. Das
Steuergerät
ist betriebsfähig,
die Turboladerdrehzahlkraftstoffgrenze aus dem Kraftstoffzumessungssignal
zu entfernen, wenn die Änderung
des Motorbetriebsparameters einen Schwellenwert übersteigt und der Kraftstoffzufuhrbefehl
danach nicht mehr AFC/OFC-limitiert ist.
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