DE112008002528B4

DE112008002528B4 - Vorrichtung, System und Verfahren zur Verhinderung von Turbolader-Überdrehzahlen in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112008002528B4
Application number: DE112008002528.2T
Authority: DE
Inventors: Morgan Andreae; Adrian P. Dale; Jeffrey Matthews; William A. Rankin; Vivek A. Sujan
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2028-09-23
Also published as: DE112008002528T5; US7650218B2; US20090082936A1; WO2009039511A1

Abstract

Verfahren zur Verhinderung einer Überdrehzahl eines Turboladers, wobei das Verfahren umfasst:Ermitteln eines Turboladerdrehzahl-Fehlerterms (εTS);Ermitteln einer Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δTS/δt);Berechnen einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des εTSund des δTS/δt; undRegeln eines Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Turboladerregelung und betrifft spezieller die Verhinderung von Überdrehzahlen eines Turboladers.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Turbolader sind ein übliches Merkmal von Brennkraftmaschinen zur Steigerung der Leistung gewesen. Ein kontinuierlicher Bedarf an Leistungsdichte und Drehmoment kombiniert mit Emissionsauflagen erforderte kontinuierliche Innovation in Turbolader-Gerätetechnik und Regelsystemen. Gerätetechnik bezüglich Turboladerregelung, wie etwa Abblasventile, Bypassventile, variable Geometrie und verstellbare Leitschaufeln sind in der Technik bereits einige Zeit bekannt gewesen. Während permanent Verbesserungen in der Turbolader-Gerätetechnik stattfinden, werden Turbolader-Regelsysteme großenteils durch Grenzen herausgefordert, die von derzeitigen Rechnerprozessorgeschwindigkeiten und Erfassungsgeschwindigkeiten von Turbolader-Drehzahlsensoren auferlegt werden, welche zu einer mangelnden Regelpräzision während vorübergehender Ereignisse in Echtzeitanwendungen beitragen.
Derzeitige Turbolader-Regelsysteme sind vor allem reaktive Systeme, die nur ein oder zwei Systemparameter verfolgen, um Turboladerdrehzahlen zu ermitteln. Reaktive Turbolader-Regelsysteme, die eine begrenzte Systemparameter-Eingabe anwenden, können daran scheitern, vorübergehende Turbodrehzahlereignisse vorherzusagen. Daher müssen derzeitige Turbolader-Regelsysteme wählen zwischen einer aggressiv reagierenden Turboladerregelung, die bei sehr vorübergehenden Ereignissen ein Überschreiten der Zieldrehzahlen erfährt, oder einer weniger ansprechempfindlichen Turboladerregelung, die kein Überschreiten erfahren könnte, die jedoch eine reduzierte vorübergehende Leistung erfährt. Ein Turbolader, der Überdrehzahlen erfährt, kann sofort versagen oder übermäßigen Verschleiß von Turboladerteilen erfahren, was zu reduzierter Betriebslebensdauer und Zuverlässigkeit führt.
Manche derzeitigen Turboladersysteme umfassen mehr als eine Turboladerstufe. Diese Systeme gestatten größere Ladungsdichten und Verdichtung der Ansaugluft. Weiter gestatten sie den Einschluss eines kleineren Hochdruck-Turboladers zur Verbesserung der Turboladerreaktion und den Einschluss eines größeren Niederdruck-Turboladers zur Verbesserung der Turboladerströmungsleistung. Kleine Turbolader sind jedoch aufgrund der geringen Masse des Turbinenrads noch anfälliger für Überdrehzahlzustände bei vorübergehenden Ereignissen.
Die US 2002/0029772 A1 offenbart einen Turbolader mit variabler Düse, der einen Motorladedruck erzeugt. Der Ladedruck wird kontrolliert durch die Position von Ladeschaufeln innerhalb des Turboladers. Über einen Prozessor wird ein Steuersignal zum Steuern der Schaufelposition erzeugt. Der Prozessor erzeugt einen Wert für die gewünschte Aufladung und verarbeitet diesen Wert mit einem Wert, der der von dem Turbolader erzeugten Aufladungsmenge entspricht, um Fehlerdaten zu erzeugen, die einen Fehler zwischen der von dem Turbolader erzeugten Aufladungsmenge und der gewünschten Aufladung definieren.
Die EP 2014894 B1 offenbart ein Steuerverfahren für eine Brennkraftmaschine, die mittels eines Turboladers aufgeladen wird, der mit einer Turbine und mit einem Kompressor versehen ist. Bei diesem Steuerverfahren wird eine Betriebsgrenzkurve verwendet, um das von der Motorsteuerung verwendete Druckziel stromabwärts des Kompressors zu begrenzen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aus der vorangehenden Erörterung bekräftigt die Anmelderin, dass ein Bedarf an einer Vorrichtung, einem System und einem Verfahren vorliegt, die bzw. das prädiktiv auf Turbolader-Überdrehzahlereignisse reagiert. Vorteilhafterweise würde eine solche Vorrichtung, solches System und Verfahren ein aggressives Abstimmen eines Turboladers für ein verbessertes Reagieren gestatten, jedoch Turboüberdrehzahlereignisse im vorübergehenden Betrieb mit derzeit verfügbarer Sensorerfassungs- und Rechnergerätetechnik verhindern.
Die vorliegende Erfindung wurde in Reaktion auf den derzeitigen Stand der Technik entwickelt und insbesondere in Reaktion auf die Probleme und Bedürfnisse in der Technik, die von derzeit verfügbaren Turboladerdrehzahl-Regelsystemen noch nicht vollständig gelöst worden sind. Folglich wurde die vorliegende Erfindung entwickelt, um eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Verhinderung von Turbolader-Überdrehzahl bereitzustellen, welche viele oder alle der vorangehend erörterten Unzulänglichkeiten in der Technik überwinden.
Ein System zur Verhinderung einer Überdrehzahl eines Turboladers ist offenbart. Das System umfasst eine Brennkraftmaschine, die einen Abgasstrom produziert, einen ersten Turbolader, der den Abgasstrom aufnimmt, und ein Bypassventil, das mindestens einen Teil des Abgasstroms um den ersten Turbolader leitet, wenn das Bypassventil offen ist. Das System umfasst weiter eine Regeleinrichtung, die eine Vielzahl von Modulen umfasst, die dazu gestaltet sind, funktionell das Verhindern einer Überdrehzahl des ersten Turboladers auszuführen. Die Regeleinrichtung umfasst ein Betriebszustandsmodul, ein Reaktionsmodul und ein Implementierungsmodul. In einer Ausführungsform umfasst die Regeleinrichtung weiter ein Motorregelmodul. In einer Ausführungsform ist der erste Turbolader ein Hochdruck-Turbolader und das System umfasst einen zweiten Turbolader, der ein Niederdruck-Turbolader ist.
Eine Vorrichtung zur Verhinderung einer Überdrehzahl eines Turboladers ist offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von Modulen, die dazu gestaltet sind, funktionell die Schritte des Verhinderns einer Überdrehzahl eines Turboladers auszuführen. Die Vorrichtung umfasst ein Betriebszustandsmodul, ein Reaktionsmodul und ein Implementierungsmodul. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter ein Motorregelmodul. Das Betriebszustandsmodul ermittelt einen Turbolader-Fehlerterm (ε_TS) und eine Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t). Das ε_TS umfasst eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl. Das Reaktionsmodul berechnet eine Turbolader-Regelreaktion auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t. Das Implementierungsmodul regelt den Turbolader auf Basis der Turbolader-Regelreaktion. Das Motorregelmodul hat einen Luftstrom-Zielparameter und einen Turboladerdrehzahl-Zielparameter, und das Implementierungsmodul kann den Turbolader durch Einstellen mindestens eines des Luftstrom-Zielparameters und des Turboladerdrehzahl-Zielparameters regeln.
In einer Ausführungsform ist die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turboladerregelverhalten eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl und berechnet das Reaktionsmodul die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl durch Berechnen eines Referenzdrehzahlmultiplikators und Multiplizieren der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl mit dem Referenzdrehzahlmultiplikator. Das Reaktionsmodul kann den Referenzdrehzahlmultiplikator durch Anwenden einer Sigmoidfunktion auf jedes des ε_TS und des δ_TS/δ_t berechnen. In einer Ausführungsform wendet das Reaktionsmodul die Sigmoidfunktion: $F S_{1} (ε_{T S}) = \frac{a_{1}}{(1 + e^{b_{1} * (y - c_{1})})} + d_{1}$
auf das ε_TS und die Sigmoidfunktion: $F S_{2} (\frac{\partial_{T S}}{\partial_{t}}) = \frac{a_{2}}{(1 + e^{b_{2} * (y - c_{2})})} + d_{2}$
auf das δ_TS/δ_t an. In einer Ausführungsform berechnet das Reaktionsmodul den Referenzdrehzahlmultiplikator (RS) gemäß der folgenden Gleichung: $RS = min [({FS}_{1} (ε_{TS}) * {FS}_{2} (δ_{TS} / δ_{t})),1]$
In einer Ausführungsform haben die den Funktionen FS₁ und FS₂ entsprechenden Koeffizienten a bis einschließlich c Werte in den folgenden Bereichen: a₁ = 0,01-0,25; b₁ = 0,01-0,5; c₁ = 5-60; a₂ = (-0,01) - (-0,25); b₂ = 0,01-0,5; c₂ = 3-30.
In einer Ausführungsform regelt das Implementierungsmodul den Turbolader mittels mindestens eines Verfahrens wie folgt: Einstellen eines Turbinen-Bypassventils, Einstellen eines Abgasrückführventils, Einstellen eines Turbolader-Abblasventils, Einstellen eines Verdichterbypassventils, Einstellen einer Abgasdrosselklappe und/oder Einstellen einer Ansaugluftdrosselklappe. In einer Ausführungsform regelt das Implementierungsmodul den Turbolader durch Einstellen der Geometrie eines Turboladers mit variabler Geometrie.
Ein Verfahren zur Verhinderung einer Überdrehzahl eines Turboladers ist offenbart. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Turboladerdrehzahl-Fehlerterms (ε_TS), Ermitteln einer Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t) und Berechnen einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t. Das Verfahren umfasst weiter das Regeln des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens.
In einer Ausführungsform umfasst das ε_TS eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl. Die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten kann eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfassen und das Verfahren kann das Regeln des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens durch Ersetzen der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl durch die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfassen. In einer Ausführungsform umfasst die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten eine modifizierte Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung und kann das Verfahren das Regeln des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens durch Ersetzen einer nominellen Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung durch die modifizierte Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst das Berechnen der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t das Anwenden mindestens einer Sigmoidfunktion auf das ε_TS und das δ_TS/δ_t. Das Anwenden der mindestens einen Sigmoidfunktion kann einen Referenzdrehzahlmultiplikator ergeben, und das Verfahren kann das Einstellen der modifizierten Turbolader-Höchstdrehzahl auf die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl, multipliziert mit dem Referenzdrehzahlmultiplikator, umfassen. In einer Ausführungsform hat jede Sigmoidfunktion (FS) die Form: $F S_{n} (y) = \frac{a_{n}}{(1 + e^{b_{n} * (y - c_{n})})} + d_{n}$
wobei y eines von ε_TS und δ_TS/δ_t ist, wobei n eine ganze Zahl ist, die die FS identifiziert, und wobei a_n, b_n, c_n und d_n Koeffizienten umfassen, die FS_n entsprechen. In einer Ausführungsform umfasst n jeden Wert von 1 bis einschließlich 2, und der Referenzdrehzahlmultiplikator (RS) umfasst: RS = min [(FS₁ (ε_TS) * FS₂(δ_TS/δ_t)), 1]. In einer Ausführungsform haben die den Funktionen FS₁ und FS₂ entsprechenden Koeffizienten a bis einschließlich d etwa die folgenden Werte: a₁ = 0,1; b₁ = 0,15; c₁ = 30; d₁ = 1; a₂ = -0,1; b₂ = 0,25; c₂ = 15 und d₂ = 1. In einer Ausführungsform haben die den Funktionen FS₁ und FS₂ entsprechenden Koeffizienten a bis einschließlich c Werte in den folgenden Bereichen: a₁ = 0,01-0,25; b₁ = 0,01-0,5; c₁ = 5-60; a₂ = (-0,01) - (-0,25); b₂ = 0,01-0,5; c₂= 3-30.
In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers offenbart. Das Verfahren wird als ein Rechnerprogrammprodukt verwirklicht, das ein rechnerlesbares Medium mit einem rechnerlesbaren Programm umfasst, wobei das rechnerlesbare Programm, wenn es auf einem Rechner ausgeführt wird, den Rechner veranlasst, die Schritte des Verfahrens durchzuführen. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Turboladerdrehzahl-Fehlerterms (ε_TS), Ermitteln einer Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t) und Berechnen einer Turbolader-Regelreaktion auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t. Das Verfahren umfasst weiter das Regeln des Turboladers bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens. In einer Ausführungsform umfasst das ε_TS eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl. Die Turbolader-Regelreaktion umfasst eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl, und das Regeln des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten umfasst das Ersetzen der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl durch die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl.
Der Verweis in dieser Spezifikation auf Merkmale, Vorteile oder gleichartiger Sprachgebrauch impliziert nicht, dass alle Merkmale und Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden können, in gleich welcher einzelnen Ausführungsform der Erfindung sein sollten oder sind. Vielmehr versteht sich, dass Sprachgebrauch, der auf die Merkmale und Vorteile verweist, bedeuten soll, dass ein in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschriebenes spezifisches Merkmal, Vorteil oder Kennzeichen in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit können die Erörterung der Merkmale und Vorteile und gleichartiger Sprachgebrauch in dieser Spezifikation auf die gleiche Ausführungsform verweisen, tun dies jedoch nicht unbedingt.
Weiterhin können die beschriebenen Merkmale, Vorteile und Kennzeichen der Erfindung auf jede geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert sein. Ein Fachmann in der relevanten Technik wird erkennen, dass die Erfindung ohne eines oder mehrere der spezifischen Merkmale oder Vorteile einer bestimmten Ausführungsform praktiziert werden kann. In anderen Fällen können zusätzliche Merkmale und Vorteile in gewissen Ausführungsformen erkannt werden, die möglicherweise nicht in allen Ausführungsformen der Erfindung vorhanden sind.
Diese Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden umfassender aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen deutlich oder können durch die Praxis der Erfindung, wie hierin nachstehend dargelegt, erfahren werden.
Figurenliste
Zum leichten Verständnis der Vorteile der Erfindung wird eine speziellere Beschreibung der vorangehend kurz beschriebenen Erfindung vorgelegt, unter Verweis auf spezifische Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Mit dem Verständnis, dass diese Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen der Erfindung abbilden und daher nicht als deren Reichweite einschränkend anzusehen sind, wird die Erfindung mit zusätzlicher Detailgenauigkeit und Detail beschrieben und erläutert durch die Verwendung der begleitenden Zeichnungen, worin:

1 ein schematisches Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Systems zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ein schematisches Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform einer Regeleinrichtung zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 eine schematische Illustration einer Ausführungsform eines Reaktionsmoduls ist, das eine Turbolader-Regelreaktion bzw. ein Turbolader-Regelverhalten gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt;
4 eine schematische Illustration einer Sigmoidfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine schematische Illustration eines Referenzdrehzahlmultiplikators gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
6 ein schematisches Ablaufdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7 ein schematisches Ablaufdiagramm ist, das eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
8 ein schematisches Ablaufdiagramm ist, das eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Viele der in dieser Spezifikation beschriebenen Funktionseinheiten sind als Module bezeichnet worden, um ihre Implementierungsunabhängigkeit spezieller hervorzuheben. Beispielsweise kann ein Modul als ein Geräteschaltkreis verwirklicht werden, der benutzerdefinierte VLSI-Schaltkreise oder Gateanordnungen umfasst, serienmäßig produzierte Halbleiter, wie etwa Logikchips, Transistoren oder andere Einzelkomponenten. Ein Modul kann auch in programmierbaren Geräten verwirklicht sein, wie etwa Field Programmable Gate Arrays, programmierbarer Array-Logik, programmierbaren Logikgeräten oder dergleichen.
Module können auch in Software zur Ausführung durch verschiedene Prozessorarten verwirklicht sein. Ein identifiziertes Modul von ausführbarem Code kann beispielsweise einen oder mehrere physikalische oder logische Blöcke von Rechnerbefehlen umfassen, die beispielsweise als ein Objekt, eine Vorgehensweise oder eine Funktion organisiert sein können. Trotzdem müssen die ausführbaren Dateien eines identifizierten Moduls nicht unbedingt physikalisch zusammen angeordnet sein, sondern können ungleichartige Befehle umfassen, die an verschiedenen Stellen gespeichert sind, die, wenn sie logisch miteinander verknüpft werden, das Modul umfassen und den angegebenen Zweck für das Modul erzielen.
In der Tat kann ein Modul ausführbaren Codes ein Einzelbefehl oder viele Befehle sein und kann sogar über mehrere verschiedene Codesegmente verteilt sein, unter mehreren Programmen und über mehrere Speichervorrichtungen. Gleichermaßen können Betriebsdaten hierin in Modulen identifiziert und illustriert sein und können in jeder geeigneten Form ausgeführt und in jedem geeigneten Datenstrukturtyp organisiert sein. Die Betriebsdaten können als Einzeldatensatz gesammelt sein oder können über verschiedene Stellen verteilt sein, einschließlich über verschiedene Speichervorrichtungen, und können zumindest teilweise lediglich als elektronische Signale in einem System oder Netzwerk existieren.
Bezugnahme in dieser Spezifikation auf „eine einzige Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“ oder gleichartiger Sprachgebrauch bedeutet, dass ein in Zusammenhang mit der Ausführungsform beschriebenes bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Kennzeichen in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit kann ein Auftreten der Ausdrücke „in einer einzigen Ausführungsform“, „in einer Ausführungsform“ und gleichartiger Sprachgebrauch in dieser Spezifikation jeweils auf die gleiche Ausführungsform verweisen, muss jedoch nicht unbedingt.
Weiterhin können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen der Erfindung auf jede geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert sein. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details vorgelegt, wie etwa Beispiele von Programmierung, Softwaremodulen, Benutzerauswahl, Netzwerktransaktionen, Datenbankabfragen, Datenbankstrukturen, Hardwaremodulen, Hardwareschaltkreisen, Hardwarechips etc. zur Verschaffung eines umfassenden Verständnisses von Ausführungsformen der Erfindung. Ein Fachmann in der relevanten Technik wird jedoch erkennen, dass die Erfindung ohne eines oder mehrere der spezifischen Details praktiziert werden kann, oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien und so weiter. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen, Materialien oder Abläufe nicht gezeigt oder detailliert beschrieben, um ein Verschleiern von Aspekten der Erfindung zu vermeiden.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Systems 100 zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Das System 100 umfasst eine Brennkraftmaschine 102, die einen Abgasstrom 104 produziert. Das System 100 umfasst weiter einen ersten Turbolader 106, der den Abgasstrom 104 aufnimmt. Das System 100 umfasst weiter ein Bypassventil 108, das mindestens einen Teil des Abgasstroms 104 um den ersten Turbolader 106 leitet, wenn das Bypassventil 108 offen ist.
Das System 100 umfasst weiter eine Regeleinrichtung 110 mit Modulen, die dazu gestaltet sind, die Schritte der Verhinderung von Überdrehzahl des Turboladers 106 funktionell auszuführen. Die Regeleinrichtung 110 kann als Rechnerbefehle auf einem rechnerlesbaren Medium und/oder als mechanische Komponenten, die dazu gestaltet sind, die hierin angedeuteten Schritte durchzuführen, ausgeführt sein. In einer Ausführungsform kann die Regeleinrichtung 110 auf einem dem Motor 102 zugeordneten elektronischen Regelmodul (ECM) sitzen, und die Regeleinrichtung 110 kann den Motor 102 zusätzlich zur Durchführung der Funktionen hierin regeln. Die Regeleinrichtung 110 umfasst ein Betriebszustandsmodul 112, ein Reaktionsmodul 114 und ein Implementierungsmodul 116. In einer Ausführungsform umfasst die Regeleinrichtung 110 weiter ein Motorregelmodul 132.
Das Betriebszustandsmodul 112 ermittelt einen Turboladerdrehzahl-Fehlerterm (ε_TS) und eine Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t). In einer Ausführungsform umfasst das ε_TS eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl. Das ε_TS kann andere Konzepte umfassen, wie einem Fachmann in der Technik auf Basis der Offenbarungen hierin deutlich ist. Beispielweise kann das ε_TS eine Turbolader-Drehzahldifferenz zwischen einer aktuellen Drehzahl und einer gewünschten Drehzahl, eine Verstärkungsgrenze für den Verdichter 123 und/oder gleichartige interessante Parameter umfassen, die einem Praktiker bei der Ermittlung dessen helfen, ob der Turbolader 106 in der Nähe einer Höchstdrehzahl sein könnte. Die zur Ermittlung des ε_TS genutzte Turboladerdrehzahl kann ein gemessener Parameter, ein geschätzter Parameter oder eine Kombination gemessener und geschätzter Parameter sein. Die Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t) kann ein gemessener Parameter, ein geschätzter Parameter oder eine Kombination gemessener und geschätzter Parameter sein. Die Turbolader-Drehzahlableitung kann gefiltert oder anderer Signal verarbeitung unterzogen werden, um Signalrauschen herauszusäubern, wie einem Fachmann in der Technik deutlich ist.
Das Reaktionsmodul 114 berechnet eine Turbolader-Regelreaktion bzw. ein Turbolader-Regelverhalten auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t. Die Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens kann ein elektronisches Signal, eine physikalische Parameteränderung, eine Veränderung in einem Bit auf einem rechnerlesbaren Medium und/oder jede andere Art von Reaktion sein, wie sie in der Technik verstanden wird. Das Implementierungsmodul 116 regelt den Turbolader auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten. Die Regelung des Turboladers kann mittels jedes in der Technik verstandenen Turbolader-Regelverfahrens sein. In einer Ausführungsform regelt das Implementierungsmodul 116 den Turbolader 106 durch eines oder mehrere der folgenden Turboladerregelverfahren: Einstellen des Turbinenbypassventils 108, Einstellen eines Abgasrückführungsventils 120, Einstellen eines Turbolader-Abblasventils (nicht gezeigt - kann innerhalb des Turboladers 106 liegen), Einstellen eines Verdichterbypassventils 122, Einstellen einer Abgasdrosselklappe 124 und Einstellen einer Ansaugluftdrosselklappe 130. In einer Ausführungsform regelt das Implementierungsmodul 116 den Turbolader 106 durch Einstellen der Geometrie eines Turboladers 106 mit variabler Geometrie.
Die Regeleinrichtung 110 kann vollständig mechanisch sein (z.B. elektrische Komponenten und/oder pneumatische Komponenten enthaltend), vollständig elektronische Abläufe auf einem rechnerlesbaren Medium, oder gleich welche Kombination davon. Beispielsweise kann in einer mechanischen Regeleinrichtung 110 das Betriebszustandsmodul 112 eine physikalische Komponente umfassen, die auf die Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t) reagiert (z.B. eine Induktionsspule) und auf einen Turboladerdrehzahl-Fehlerterm (ε_TS) reagiert (z.B. darauf reagiert, wieviel langsamer die aktuelle Drehzahl des Turboladers 106 als eine vorbestimmte Drehzahl ist). In dem Beispiel kann das Reaktionsmodul 114 eine physikalische Komponente umfassen, die ein Signal generiert, dessen Stärke auf dem Ausgabewert der physikalischen Komponenten beruht, die auf das ε_TS und das δ_TS/δ_t reagieren. In dem Beispiel kann das Implementierungsmodul 116 eine physikalische Komponente sein, die auf die Stärke des von dem Reaktionsmodul 114 generierten Signals reagiert. Beispielsweise kann das Reaktionsmodul 114 eine variable Spannung generieren und kann das Implementierungsmodul 116 das Bypassventil 108 um einen variablen Betrag bewegen, auf Basis der von dem Reaktionsmodul 114 generierten variablen Spannung.
In einem alternativen Beispiel in einer elektronischen Regeleinrichtung 110, die Abläufe auf einem rechnerlesbaren Medium umfasst, kann das Betriebszustandsmodul 112 einen ersten Speicherplatz lesen, der das ε_TS hat, und einen zweiten Speicherplatz, der das δ_TS/δ_t hat. Das Reaktionsmodul 114 kann Berechnungen an dem ε_TS und dem δ_TS/δ_t durchführen, um einen Reaktionswert zu ermitteln, und dem Implementierungsmodul 116 den Reaktionswert melden. Das Implementierungsmodul 116 kann einen Wert zu einem dritten Speicherplatz schreiben, der von einer anderen Komponente in dem System 100 genutzt werden kann, um ein Betätigungselement oder dergleichen zu bewegen und dadurch den Turbolader 106 zu regeln. Die Beispiele sind nur zur Veranschaulichung angeführt, und alle Kombinationen von Elementen der Regeleinrichtung 100, die mechanisch, elektronisch, pneumatisch und dergleichen sind, werden innerhalb der Reichweite der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen.
In einer Ausführungsform umfasst die Regeleinrichtung 100 ein Motorregelmodul 132, das einen Luftstrom-Zielparameter und einen Turboladerdrehzahl-Zielparameter hat. Das Implementierungsmodul 16 kann den Turbolader 106 durch Einstellen mindestens eines des Luftstrom-Zielparameters und des Turboladerdrehzahl-Zielparameters regeln. Der Luftstrom-Zielparameter und/oder der Turboladerdrehzahl-Zielparameter können Eingaben zu den Steuerungen des Motors 102 sein und dadurch den Turbolader 106 regeln. Beispielsweise kann das Implementierungsmodul 106 dem Motorregelmodul 132 einen reduzierten Luftstrom-Zielparameter vorlegen, wodurch die Motorsteuerungen veranlasst werden, eine Einstellung des Systems 100 vorzunehmen, die den Strom von Ansaugluft 128 in das System reduziert. Einem Fachmann ist verständlich, dass viele Komponenten des Systems 100 zur Einstellung des Stroms von Ansaugluft 128 genutzt werden können und dass viele dieser Einstellungen die Drehzahl des Turboladers 106 beeinflussen. In dem Beispiel kann die Regeleinrichtung 100 eine Geometrie des Turboladers 106 auf eine weniger aggressive Abstimmung einstellen, wodurch der Ansaugluftstrom 128 und die Drehzahl des Turboladers 106 reduziert werden.
Das System 100 kann einen zweiten Turbolader 118 umfassen. Der zweite Turbolader 118 ist mit dem ersten Turbolader 106 strömungsmäßig hintereinandergeschaltet, wobei ein zweiter Verdichter 127 Ansaugluft 128 vor dem ersten Verdichter 123 verdichtet, und Abluft 104 an dem zweiten Turbolader 118 nach dem ersten Turbolader 106 aufnimmt. Der erste Turbolader 106 ist ein Hochdruck-Turbolader, und der zweite Turbolader 118 ist ein Niederdruck-Turbolader. In einer Ausführungsform mit einem zweiten Turbolader 118 ist es wahrscheinlich, dass der erste Turbolader 106 ein kleiner Turbolader ist, der für eine rasche Reaktion sorgt, jedoch leichter anfällig für Überdrehzahl-Ereignisse in hohen vorübergehenden Ereignissen des Motors 102 ist. Obwohl die größere Herausforderung der Verhinderung von Überdrehzahl dazu tendiert, in dem Hochdruck-Turbolader 106 zu liegen, wird die Verwendung der vorliegenden Erfindung zur Regelung von Überdrehzahlereignissen für nur den Niederdruck-Turbolader 118, sogar wenn ein Hochdruck-Turbolader 106 vorhanden ist, innerhalb der Reichweite der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen. Beispielsweise, und ohne Einschränkung, kann der Hochdruck-Turbolader 106 konservativ abgestimmt werden, wenn der Hochdruck-Turbolader 106 bei niedrigen Raten von Abgasstrom 104 umgangen wird. In dem Beispiel kann der Niederdruck-Turbolader 118 ebenfalls ein Bypassventil und/oder Abblasventil (nicht dargestellt) haben, und die vorliegende Erfindung könnte genutzt werden, um den Niederdruck-Turbolader 118 aggressiv abzustimmen und trotzdem den Niederdruck-Turbolader 118 vor Überdrehzahlereignissen zu schützen.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführung einer Regeleinrichtung 110 zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Regeleinrichtung 110 umfasst ein Betriebszustandsmodul 112, das einen Turboladerdrehzahl-Fehlerterm (ε_TS) 202 und eine Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t) 204 ermittelt. In einer Ausführungsform ermittelt das Betriebszustandsmodul 112 eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl 206 und einer aktuellen Turboladerdrehzahl 208 als das ε_TS 202. Wenn beispielsweise die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 120.000 UpM und die aktuelle Turboladerdrehzahl 208 90.000 UpM ist, kann das ε_TS 202 als 30.000 UpM (oder -30.000 UpM, abhängig von der Zeichenübereinkunft) ermittelt werden. Das Betriebszustandsmodul 112 kann das δ_TS/δ_t 204 durch Ablesen eines gespeicherten Werts in der Regeleinrichtung 110, Verfolgen der aktuellen Turbolader-Drehzahl 208 im Zeitablauf oder durch jedes andere in der Technik bekannte Verfahren ermitteln.
Die Regeleinrichtung 110 umfasst weiter ein Reaktionsmodul 114, das eine Turbolader-Regelreaktion bzw. ein Turbolader-Regelverhalten 210 auf Basis des ε_TS 202 und des δ_TS/δ_t 204 berechnet. In einer Ausführungsform ist die Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens 210 eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A und berechnet das Reaktionsmodul 114 die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A durch Berechnen eines Referenzdrehzahlmultiplikators und Multiplizieren der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl 206 mit dem Referenzdrehzahlmultiplikator. Wenn beispielsweise die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 150.000 UpM beträgt und der Referenzdrehzahlmultiplikator 0,90 ist, berechnet das Reaktionsmodul 114 eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A von 135.000 UpM (0,9 * 150.000).
In einer Ausführungsform berechnet das Reaktionsmodul 114 den Referenzdrehzahlmultiplikator durch Anwenden einer Sigmoidfunktion auf jedes des ε_TS 202 und des δ_TS/δ_t 204 (Verweis auf 4 und die zugehörige Beschreibung für ein Beispiel einer Sigmoidfunktion). Das Anwenden einer Sigmoidfunktion gestattet, dass der Referenzdrehzahlmultiplikator einen hohen Plateaubereich (d.h., es ist kein Einstellen nötig), wo keine Probleme bei der Regelung von Überdrehzahl erwartet werden, aufweist, einen niedrigen Plateaubereich (d.h. stärkstes Einstellen wird angewendet), wo eine maximale Überdrehzahlregelung angewendet wird, aufweist und einen glatten Übergang zwischen den Plateaus gestattet. Daher versteht es sich, dass andere Funktionen und Verfahren des Überleitens zwischen hoher Einstellung und niedriger Einstellung innerhalb der Reichweite der vorliegenden Erfindung liegen. In einer Ausführungsform berechnet das Reaktionsmodul 114 den Referenzdrehzahlmultiplikator als das Produkt des Sigmoidfunktionsergebnisses angewendet auf das ε_TS 202 mit dem Sigmoidfunktionsergebnis angewendet auf das δ_TS/δ_t 204. Der Referenzdrehzahlmultiplikator kann weiter ein MIN angewendet mit dem Wert 1 (d.h. den Referenzdrehzahlmultiplikator angewendet auf das niedrigste von 1 oder die Sigmoidfunktionsergebnisse) aufweisen, um das Formen jeder Sigmoidfunktion über einen Wert von 1 zu gestatten, falls gewünscht, während die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A daran gehindert wird, die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 zu überschreiten. Es ist möglich, die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 auf ein künstlich niedriges Niveau einzustellen und den Sigmoidfunktionen zu gestatten, die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A bis auf die wahre gewünschte Turbolader-Höchstdrehzahl zu bringen, beispielsweise durch Anwenden eines MIN mit 1,25 statt 1; diese Ausführungsform wird innerhalb der Reichweite der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen, ist jedoch oft komplexer als nötig und ist keine bevorzugte Ausführungsform.
In einer Ausführungsform umfasst die Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens 210 eine Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 210B. Unter Rückverweis auf die Ausführungsform, wo die Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens 210 eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A ist, kann der Motor 102, zu einem Zeitpunkt „t“, wo die aktuelle Turboladerdrehzahl 208 100.000 UpM beträgt und die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 120.000 UpM beträgt, eine Turbolader-Zieldrehzahl von 120.000 UpM (das Maximum) für das bestmögliche Motorverhalten haben. Somit glaubt in der Steuerung des Motors 102 (nicht dargestellt) eine Turbolader-Drehzahlregeleinrichtung, dass der Turbolader 106 zu einem Zeitpunkt „t“ 20.000 UpM schneller sein sollte und produziert daher eine Reaktion (z.B. in einem PID-Regler) mit einer relativen Stärke unter Anerkennung eines 20.000 UpM-Fehlers. Wenn die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten 210 eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A von (beispielsweise) 110.000 UpM einstellt, so glaubt in der Steuerung des Motors 102 (nicht dargestellt) eine Turbolader-Drehzahlregeleinrichtung stattdessen, dass der Turbolader 106 zu dem Zeitpunkt „t“ 10.000 UpM schneller sein sollte und produziert daher eine Reaktion (z.B. in einem PID-Regler) mit einer relativen Stärke unter Anerkennung eines 10.000 UpM-Fehlers. Ein Fachmann in der Technik wird erkennen, dass das Reaktionsmodul 114 einen Verstärkungsmultiplikator generieren kann, um eine Reaktion in einer Turbolader-Drehzahlregeleinrichtung in der Steuerung des Motors 102 mit einer relativen Stärke gleichartig dem 10.000 UpM-Fehler zu produzieren, statt die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 zu ändern. In einer Ausführungsform berechnet das Reaktionsmodul 114 eine modifizierte Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 210B aus dem ε_TS und dem δ_TS/δ_t.
Die Regeleinrichtung 110 umfasst ein Implementierungsmodul 116, das den Turbolader 106 auf Basis der Turbolader-Regelreaktion 210 bzw. des Turbolader-Regelverhaltens regelt. Das Implementierungsmodul 116 kann einen Turbolader-Regelbefehl 212 generieren, um den Turbolader 106 zu regeln. In einer Ausführungsform ersetzt das Implementierungsmodul 116 eine nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 durch die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A. In einer Ausführungsform ersetzt das Implementierungsmodul 116 eine nominelle Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 214 durch die modifizierte Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 210B, um den Turbolader 106 zu regeln.
In einer Ausführungsform umfasst die Regeleinrichtung 110 ein Motorregelmodul 132 mit einem Luftstromparameter 216 und einem Turboladerdrehzahl-Zielparameter 218, und regelt das Implementierungsmodul 116 den Turbolader durch Einstellen des Luftstrom-Zielparameters 216 und/oder des Turboladerdrehzahl-Zielparameters 218. Beispielsweise kann die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A 110.000 UpM betragen und berechnet das Implementierungsmodul, dass ein Luftstrom-Zielparameter 216 von 25 US-Pfund/min Luft den Turbolader 106 unter 110.000 UpM halten wird. In dem Beispiel stellt das Implementierungsmodul 116 den Luftstrom-Zielparameter 216 auf einen Luftstrom von 25 US-Pfund/min ein. In dem Beispiel kann das Einstellen das Anwenden eines Parameters als Minimum oder Maximum implizieren, beispielsweise kann das Implementierungsmodul 116 überprüfen, ob der Luftstrom-Zielparameter 216 bereits unter einem Luftstrom von 25 US-Pfund/min ist, bevor es den Luftstrom-Zielparameter 216 verändert.
Der Turbolader-Regelbefehl 212 kann jede Komponente in dem System 100, die den Turbolader 106 beeinflusst, regeln. Das Regeln des Turboladers 106 kann durch jedes in der Technik begriffene Turboladerregelverfahren stattfinden. In einer Ausführungsform befiehlt der Turbolader-Regelbefehl 212 die Durchführung eines oder mehrerer der folgenden Turboladerregelverfahren: Turbinenbypassventil 108 einstellen, ein Abgasrückführventil 120 einstellen, ein Turbolader-Abblasventil (nicht dargestellt - kann sich innerhalb des Turboladers 106 befinden) einstellen, ein Verdichterbypassventil 122 einstellen, eine Abgasdrosselklappe 124 einstellen und eine Ansaugluftdrosselklappe 130 einstellen. In einer Ausführungsform befiehlt der Turbolader-Regelbefehl 212 das Einstellen der Geometrie eines Turboladers 106 mit variabler Geometrie.
3 ist eine schematische Illustration einer Ausführungsform eines Reaktionsmoduls 114, das eine Turbolader-Regelreaktion bzw. ein Turbolader-Regelverhalten 210 gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt. Das Reaktionsmodul 114 ermittelt ein ε_TS 202 durch Berechnen einer Differenz 302 zwischen der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl 206 und einer aktuellen Turboladerdrehzahl 208. Das Reaktionsmodul 114 ermittelt ein δ_TS/δ_t 204 durch Verfolgen der aktuellen Turboladerdrehzahl 208 im Zeitverlauf, oder durch Ablesen eines von dem System 100 gelieferten gespeicherten Datenwerts für das δ_TS/δ_t 204. Das Reaktionsmodul 114 wendet eine Sigmoidfunktion auf jedes des ε_TS 202 und des δ_TS/δ_t 204 an, eine erste Sigmoidfunktion 304 auf das ε_TS 202 und eine zweite Sigmoidfunktion 306 auf das δ_TS/δ_t 204. Jede Sigmoidfunktion 304, 206 hat die Form: $F S_{n} (y) = \frac{a_{n}}{(1 + e^{b_{n} * (y - c_{n})})} + d_{n}$
wobei y eines des ε_TS 202 und des δ_TS/δ_t 204 ist, wobei n eine ganze Zahl (n = 1 in der ersten Sigmoidfunktion 304 und n = 2 in der zweiten Sigmoidfunktion 306) ist, und a_n, b_n, c_n und d_n Koeffizienten umfassen, die FS_n entsprechen. Das Reaktionsmodul 114 berechnet einen Referenzdrehzahlmultiplikator (RS) gemäß der folgenden Gleichung 308: $RS = min [({FS}_{1} (ε_{TS}) * {FS}_{2} (d_{TS} / d_{t})),1]$
In Gleichung 2 (308) deutet der „min“-Term die Auswahl des niedrigeren der zwei Termen in der Gleichung an, in Gleichung 2 des niedrigeren von (FS₁ (ε_TS) * FS₂(d_TS/d_t)) und „1“. In einer Ausführungsform können die Konstanten in Gleichung 2 (308) die Werte haben von etwa a₁ = 0,1; b₁ = 0,15; c₁ = 30; d₁ = 1; a₂ = -0,1; b₂ = 0,25; c₂ = 15 und d₂ = 1, mit Einheiten von ε_TS 202 in kUpM, und mit Einheiten von d_TS/d_t 204 in kUpM/sek (oder äquivalenten Koeffizienten für andere Einheiten von ε_TS 202 und des δ_TS/δ_t 204), und mit der Übereinkunft, dass ein negatives ε_TS 202 ein Überdrehzahl-Ereignis suggeriert (oder der äquivalente a1-Wert für eine Übereinkunft, wo ein positives ε_TS 202 ein Überdrehzahl-Ereignis suggeriert). Diese Werte sind nur als Beispiel angeführt und können abhängig von der spezifischen Ausführungsform variieren, wie etwa die geplante Marge der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl 206, die Masse (Trägheit) des Turboladers 106, die erwartete Ansprechempfindlichkeit des Motors 102 und gleichartige Parameter, die einem Fachmann in der Technik auf Basis der Offenbarungen hierin verständlich sind. In einer Ausführungsform können die Koeffizienten a bis einschließlich c in den Sigmoidfunktionen Werte in den folgenden Bereichen haben: a₁ = 0,01-0,25; b₁ = 0,01-0,5; c₁ = 5-60; a₂ = (-0,01) - (-0,25); b₂ = 0,01-0,5; c₂ = 3-30. Verweis auf den Abschnitt bezüglich 4 für weitere Information zu einer Beispiel-Sigmoidfunktion und die Konsequenzen der Werte für die Koeffizienten „a“ bis einschließlich „d“.
Das Reaktionsmodul 114 multipliziert 310 die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 mit dem RS, um die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A zu berechnen. In einer Ausführungsform ist die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten 210 die Turbolader-Höchstdrehzahl 210A und regelt das Implementierungsmodul 116 den Turbolader 106 auf Basis der Turbolader-Höchstdrehzahl 210A.
4 ist eine schematische Illustration einer Sigmoidfunktion 400 gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Sigmoidfunktion 400 weist zwei Kurven mit entgegengesetzter Konkavität (vergleiche 400A und 400B) auf und gestattet einer Funktion einen glatten Übergang von einem hohen Plateau zu einem niedrigen Plateau. Die Funktion 400 in der vorliegenden Erfindung kann der Form von Gleichung 1 folgen, kann jedoch auch jeder anderen in der Technik bekannten Form folgen, einschließlich einem Polynom dritter oder höherer Ordnung, einem Satz von Werten auf einer Nachschlagetabelle, einer Hyperbeltangensfunktion und dergleichen. Für eine Funktion 400, die eine Form wie die logische Funktion von Gleichung 1 verwendet, beeinflussen die Koeffizienten „a“ bis einschließlich „d“ die Funktion 400, wie in 4 angedeutet. Der „d“-Koeffizient wird mit der maximalen Reaktionsamplitude multipliziert und ist daher dargestellt als einen Wert von „1“ in den gesamten Beispielen hierin aufweisend, da ein Referenzdrehzahlmultiplikator (RS) von „1“ die nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 als die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A vorsieht, obwohl andere Übereinkünfte, die einen anderen „d“-Wert als „1“ verwenden, möglich sind.
Der Wert „a“ stellt den Versatzgrad von „d“ in einer hohen Einstellstufe bereit. Wenn beispielsweise das „a“ 0,1 ist, das „d“ 1,0 ist und die Sigmoidfunktionseingabe das d_TS/d_t 204 ist, dann nähert sich bei einem hohen Wert von d_TS/d_t 204 das Ergebnis der Funktion 400 an 0,9 an. Der Wert „c“ stellt den Sigmoideingabewert bereit, bei dem der Umkehrpunkt 400C stattfindet, der auch die Hälfte der Menge des bei „a“ bereitgestellten Versatzes sein wird. Höhere Werte von „c“ werden die Funktion 400 langsamer auf eine Störung in der Eingabe reagieren lassen, und niedrigere Werte von „c“ werden die Funktion 400 rascher auf eine Störung in der Eingabe reagieren lassen. Der Wert „b“ stellt die Steigung der Funktion 400 an dem Umkehrpunkt 400C bereit. Höhere Werte von „b“ bewirken längere Plateaus und eine schärfere Übergangsreaktion, während niedrigere Werte von „b“ kürzere Plateaus und eine allmählichere Übergangsreaktion bewirken.
5 ist eine schematische Illustration eines Referenzdrehzahlmultiplikators (RS) 500 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der RS 500 ist als eine dreidimensionale Fläche 502 gezeigt, welche die Sigmoidfunktionen 304, 306 und den gemäß Gleichung 2 berechneten RS 500 implementiert. Die Fläche 502 weist einen großen flachen Bereich auf, wo wenig Reaktionseinstellung stattfindet und wo die hohen Plateaus der Sigmoidfunktionen 304, 306 einander schneiden. Der Effekt des Multiplizierens der Sigmoidfunktionen 304, 306 ist evident - wo die maximale Reaktion in einer Position stattfindet, wo das □_TS 202 am niedrigsten ist (d.h. der Turbolader 106 hat eine geringe Drehzahlmarge, bevor er die Höchstdrehzahl erreicht) und wo das δ_TS/δ_t 204 am höchsten ist (d.h. der Turbolader 106 beschleunigt auf einer hohen Rate 106). 5 ist evident aus einer Ausführungsform, welche die obigen Gleichungen 1 und 2 anwendet, und ist nur zur Veranschaulichung vorgesehen.
Die nachfolgenden schematischen Ablaufdiagramme sind generell als logische Ablaufdiagramme ausgeführt. Als solche sind die abgebildete Reihenfolge und beschrifteten Schritte indikativ für eine Ausführungsform des vorgelegten Verfahrens. Es sind andere Schritte und Methoden denkbar, die in Funktion, Logik oder Auswirkung äquivalent zu einem oder mehreren Schritten, oder Teilen davon, des veranschaulichten Verfahrens sind. Zusätzlich sind das verwendete Format und die verwendeten Symbole vorgesehen, um die logischen Schritte des Verfahrens zu erläutern, und es versteht sich, dass sie die Reichweite des Verfahrens nicht einschränken. Obwohl verschiedene Arten von Pfeilen und Linien in den Ablaufdiagrammen eingesetzt werden können, versteht es sich, dass sie nicht die Reichweite des entsprechenden Verfahrens einschränken. In der Tat können manche Pfeile oder andere Verbindungszeichen verwendet werden, um nur den logischen Ablauf des Verfahrens anzudeuten. Beispielsweise kann ein Pfeil einen Warte- oder Überwachungszeitraum unspezifizierter Dauer zwischen nummerierten Schritten des abgebildeten Verfahrens andeuten. Zusätzlich kann sich die Reihenfolge, in der ein bestimmtes Verfahren stattfindet, entweder strikt an die gezeigte Reihenfolge der entsprechenden Schritte halten oder nicht.
6 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens 600 zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Das Verfahren 600 umfasst ein Betriebszustandsmodul 112, das einen Turboladerdrehzahl-Fehlerterm 202 ermittelt 602 und eine Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204 ermittelt 604. Das Verfahren 600 umfasst ein Reaktionsmodul 114, das eine Turbolader-Regelreaktion bzw. ein Turbolader-Regelverhalten 210 auf Basis des Turboladerdrehzahl-Fehlerterms 202 und der Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204 berechnet 606. Das Verfahren 600 umfasst weiter ein Implementierungsmodul 116, das den Turbolader auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens 210 regelt 608.
7 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens 700 zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Das Verfahren 700 umfasst ein Betriebszustandsmodul 112, das einen Turboladerdrehzahl-Fehlerterm 202 ermittelt 602 und eine Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204 ermittelt 604. Das Verfahren 700 umfasst weiter ein Reaktionsmodul 114, das eine Turbolader-Regelreaktion bzw. ein Turbolader-Regelverhalten 210 auf Basis des Turboladerdrehzahl-Fehlerterms 202 und der Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204 berechnet 606. Das Berechnen 606 einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens umfasst, dass das Reaktionsmodul 114 eine Sigmoidfunktion auf jedes des Turboladerdrehzahl-Fehlerterms 202 anwendet 702, und eine Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204 ermittelt 604, und einen Referenzdrehzahlmultiplikator (RS) zurückführt, beispielsweise durch Anwenden von Gleichung 2 (308) auf die Ergebnisse der Sigmoidfunktion 304, 306. Das Berechnen 606 einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens umfasst weiter das Berechnen 704 einer modifizierten Turbolader-Höchstdrehzahl, beispielsweise durch Multiplizieren 310 des RS mit der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl 206. Das Verfahren 700 umfasst weiter ein Implementierungsmodul 116, das eine nominelle Turbolader-Höchstdrehzahl 206 durch die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A ersetzt 706 und den Turbolader auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens 210 regelt 708, indem es den Turbolader auf die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl 210A regelt 708.
8 ist ein schematisches Ablaufdiagramm, das eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens 800 zur Verhinderung von Überdrehzahl eines Turboladers gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Das Verfahren 800 umfasst ein Betriebszustandsmodul 112, das einen Turboladerdrehzahl-Fehlerterm 202 ermittelt 602 und eine Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204 ermittelt 604. Das Verfahren 700 umfasst weiter ein Reaktionsmodul 114, das eine Turbolader-Regelreaktion bzw. ein Turbolader-Regelverhalten 210 auf Basis des Turboladerdrehzahl-Fehlerterms 202 und der Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204 berechnet 606. Das Berechnen 606 einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens 210 umfasst das Berechnen 802 einer modifizierten Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 210B auf Basis des Turboladerdrehzahl-Fehlerterms 202 und der Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit 204. Das Verfahren 800 umfasst weiter das Ersetzen 804 einer nominellen Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 214 durch die modifizierte Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 210B. Das Verfahren 800 umfasst weiter das Regeln 806 des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens durch Regeln 806 des Turboladers unter Anwendung der modifizierten Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung 210B.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne von ihrem Erfindungsgedanken oder wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht nur als illustrativ und nicht einschränkend anzusehen. Die Reichweite der Erfindung ist daher eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorangehende Beschreibung angedeutet. Alle Veränderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche auftreten, sind in deren Reichweite einzubeziehen.

Claims

Verfahren zur Verhinderung einer Überdrehzahl eines Turboladers, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln eines Turboladerdrehzahl-Fehlerterms (ε_TS); Ermitteln einer Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t); Berechnen einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t; und Regeln eines Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ε_TS eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfasst und wobei das Regeln des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens das Ersetzen der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl durch die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten eine modifizierte Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung umfasst und das Regeln des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens das Ersetzen einer nominellen Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung durch die modifizierte Turbolader-Referenzdrehzahlverstärkung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Berechnen der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t das Anwenden mindestens einer Sigmoidfunktion auf das ε_TS und das δ_TS/δ_t umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Anwenden der mindestens einen Sigmoidfunktion einen Referenzdrehzahlmultiplikator ergibt, und wobei die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl gleich der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl multipliziert mit dem Referenzdrehzahlmultiplikator ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jede Sigmoidfunktion (FS) die Form hat: $F S_{n} (y) = \frac{a_{n}}{(1 + e^{b_{n} * (y - c_{n})})} + d_{n}$
wobei y eines von ε_TS und δ_TS/δ_t umfasst, wobei n eine ganze Zahl umfasst, die die FS identifiziert, und wobei a_n, b_n, c_n und d_n Koeffizienten umfassen, die FS_n entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei n jeden Wert von 1 bis einschließlich 2 umfasst und wobei der Referenzdrehzahlmultiplikator (RS) umfasst: RS = min [(FS, (ε_TS) * FS₂(δ_TS/δ_t)), 1].
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die den Funktionen FS₁ und FS₂ entsprechenden Koeffizienten a bis einschließlich d etwa die folgenden Werte haben: a₁ = 0,1; b₁ = 0,15; c₁ = 30; d, = 1; a₂ = -0,1; b₂ = 0,25; c₂ = 15 und d₂ = 1.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die den Funktionen FS₁ und FS₂ entsprechenden Koeffizienten a bis einschließlich c Werte in den folgenden Bereichen haben: a₁ = 0,01-0,25; b₁ = 0,01-0,5; c₁ = 5-60; a₂ = (-0,01) - (-0,25); b₂ = 0,01-0,5; c₂ = 3-30.
Rechnerprogrammprodukt, umfassend ein rechnerlesbares Medium mit einem rechnerlesbaren Programm, wobei das rechnerlesbare Programm, wenn es auf einem Rechner ausgeführt wird, den Rechner zu folgendem veranlasst: Ermitteln eines Turboladerdrehzahl-Fehlerterms (ε_TS), wobei das ε_TS eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl umfasst; Ermitteln einer Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t); Berechnen einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t; und Regeln eines Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens, wobei die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfasst und das Regeln des Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens das Ersetzen der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl durch die modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfasst.
Rechnerprogrammprodukt nach Anspruch 11, wobei das rechnerlesbare Programm, wenn es auf einem Rechner ausgeführt wird, den Rechner weiter zu folgendem veranlasst: Berechnen eines Referenzdrehzahlmultiplikators durch Anwenden einer Sigmoidfunktion auf jedes des ε_TS und des δ_TS/δ_t; und Berechnen der modifizierten Turbolader-Höchstdrehzahl durch Berechnen eines Referenzdrehzahlmultiplikators und Multiplizieren der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl mit der Referenzdrehzahl.
Rechnerprogrammprodukt nach Anspruch 11, wobei das rechnerlesbare Programm, wenn es auf einem Rechner ausgeführt wird, den Rechner weiter veranlasst, die Sigmoidfunktion $F S_{1} (\partial_{T S}) = \frac{a_{1}}{(1 + e^{b_{1} * (\partial_{T S} - c_{1})})} + d_{1}$
auf das ε_TS und die Sigmoidfunktion $F S_{1} (\frac{\partial_{T S}}{\partial_{t}}) = \frac{a_{2}}{(1 + e^{b_{2} * (\frac{\partial_{T S}}{\partial_{t}} - c_{2})})} + d_{2}$
auf das δ_TS/δ_t anzuwenden und den Referenzdrehzahlmultiplikator (RS) gemäß der folgenden Gleichung zu berechnen: $RS = min [({FS}_{1} (ε_{TS}) * {FS}_{2} (δ_{TS} / δ_{t})),1]$
Vorrichtung zur Verhinderung einer Überdrehzahl eines Turboladers, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Betriebszustandsmodul, das zur Ermittlung eines Turbolader-Fehlerterms (ε_TS) und einer Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t) gestaltet ist, wobei das ε_TS eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl umfasst; ein Reaktionsmodul, das zur Berechnung einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t gestaltet ist; und ein Implementierungsmodul, das zur Regelung eines Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfasst und wobei das Reaktionsmodul weiter zur Berechnung der modifizierten Turbolader-Höchstdrehzahl durch Berechnen eines Referenzdrehzahlmultiplikators und Multiplizieren der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl mit dem Referenzdrehzahlmultiplikator gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Reaktionsmodul weiter zur Berechnung des Referenzdrehzahlmultiplikators durch Anwenden einer Sigmoidfunktion auf jedes des ε_TS und des δ_TS/δ_t gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Reaktionsmodul weiter zur Anwendung der Sigmoidfunktion $F S_{1} (ε_{T S}) = \frac{a_{1}}{(1 + e^{b_{1} * (ε_{T S} - c_{1})})} + d_{1}$
auf das ε_TS und der Sigmoidfunktion $F S_{1} (\frac{\partial_{T S}}{\partial_{t}}) = \frac{a_{1}}{(1 + e^{b_{2} * (\frac{\partial_{T S}}{\partial_{t}} - c_{2})})} + d_{2}$
auf das δ_TS/δ_t gestaltet ist, und wobei das Reaktionsmodul weiter zur Berechnung des Referenzdrehzahlmultiplikators (RS) gemäß der folgenden Gleichung: RS = min [(FS₁ (ε_TS) * FS₂(δ_TS/δ_t)), 1] gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die den Funktionen FS₁ und FS₂ entsprechenden Koeffizienten a bis einschließlich c Werte in den folgenden Bereichen haben: a₁ = 0,01-0,25; b₁ = 0,01-0,5; c₁ = 5-60; a₂ = (-0,01) - (-0,25); b₂ = 0,01-0,5; c₂ = 3-30.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Implementierungsmodul weiter zur Regelung des Turboladers mittels mindestens eines Turbolader-Regelverfahrens gestaltet ist, ausgewählt aus der Gruppe von Turbolader-Regelverfahren, bestehend aus: Einstellen eines Turbinen-Bypassventils, Einstellen eines Abgasrückführventils, Einstellen eines Turbolader-Abblasventils, Einstellen eines Verdichterbypassventils, Einstellen einer Abgasdrosselklappe, Einstellen einer Ansaugluftdrosselklappe; und Einstellen der Geometrie eines Turboladers mit variabler Geometrie.
Vorrichtung nach Anspruch 14, weiter ein Motorregelmodul umfassend, das einen Luftstrom-Zielparameter und einen Turboladerdrehzahl-Zielparameter aufweist, wobei das Implementierungsmodul weiter zur Regelung des Turboladers durch Einstellen mindestens eines des Luftstrom-Zielparameters und des Turboladerdrehzahl-Zielparameters gestaltet ist.
System zur Verhinderung einer Überdrehzahl eines Turboladers, wobei das System umfasst: eine Brennkraftmaschine, die einen Abgasstrom produziert; einen ersten Turbolader, der den Abgasstrom aufnimmt; ein Bypassventil, das mindestens einen Teil des Abgasstroms um den ersten Turbolader leitet, wenn das Bypassventil offen ist; eine Regeleinrichtung, umfassend: ein Betriebszustandsmodul, das zur Ermittlung eines Turbolader-Fehlerterms (ε_TS) und einer Turbolader-Drehzahlableitung bezüglich der Zeit (δ_TS/δ_t) gestaltet ist, wobei das ε_TS eine Differenz zwischen einer nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl und einer aktuellen Turboladerdrehzahl umfasst; ein Reaktionsmodul, das zur Berechnung einer Turbolader-Regelreaktion bzw. eines Turbolader-Regelverhaltens auf Basis des ε_TS und des δ_TS/δ_t gestaltet ist; und ein Implementierungsmodul, das zur Regelung des ersten Turboladers auf Basis der Turbolader-Regelreaktion bzw. des Turbolader-Regelverhaltens gestaltet ist.
System nach Anspruch 21, wobei der erste Turbolader einen Hochdruck-Turbolader bzw. das Turbolader-Regelverhalten umfasst, wobei das System weiter einen zweiten Turbolader umfasst, wobei der zweite Turbolader einen Niederdruck-Turbolader umfasst.
System nach Anspruch 21, wobei das Implementierungsmodul weiter zur Regelung des ersten Turboladers durch mindestens ein TurboladerRegelverfahren gestaltet ist, ausgewählt aus der Gruppe von TurboladerRegelverfahren, bestehend aus: Einstellen des Turbinen-Bypassventils, Einstellen eines Abgasrückführventils, Einstellen eines Turbolader-Abblasventils, Einstellen eines Verdichterbypassventils, Einstellen einer Abgasdrosselklappe und Einstellen einer Ansaugluftdrosselklappe.
System nach Anspruch 21, wobei die Regeleinrichtung weiter ein Motorregelmodul umfasst, das einen Luftstrom-Zielparameter und einen Turboladerdrehzahl-Zielparameter aufweist, wobei das Implementierungsmodul weiter zur Regelung des Turboladers durch Einstellen mindestens eines des Luftstrom-Zielparameters und des Turboladerdrehzahl-Zielparameters gestaltet ist.
System nach Anspruch 21, wobei die Turbolader-Regelreaktion bzw. das Turbolader-Regelverhalten eine modifizierte Turbolader-Höchstdrehzahl umfasst, und wobei das Reaktionsmodul weiter zur Berechnung der modifizierten Turbolader-Höchstdrehzahl durch Berechnen eines Referenzdrehzahlmultiplikators und Multiplizieren der nominellen Turbolader-Höchstdrehzahl mit dem Referenzdrehzahlmultiplikator gestaltet ist.