DE19808832C2 - Verfahren zur Regelung des Ladeluftmassenstroms einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Lade­ luftmassenstroms einer mittels Abgasturbolader mit ver­ stellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschi­ ne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Abgasturbolader bestehen bekanntlich im wesentlich aus zwei Strömungsmaschinen, nämlich einer vom Abgasstrom der Brenn­ kraftmaschine getriebenen Turbine und einem von der Turbine angetriebenen Verdichter, welcher abhängig von seiner Dreh­ zahl einen Frischluftstrom für die Brennkraftmaschine vor­ verdichtet. Die Turbine und der Verdichter sind durch eine Laderwelle starr verbunden, wodurch der vom Verdichter er­ zeugte Ladedruck und der Abgasdruck stromauf der Turbine infolge des Momentengleichgewichtes an der Laderwelle mit­ einander gekoppelt sind. Infolge des auf den Verdichter wirkenden Ladedruckes wird der Abgasstrom stromauf der Tur­ bine aufgestaut. Der Staudruck des Abgasstromes wird von dem Turbolader entsprechend dem Druckübersetzungsverhältnis zwischen Turbine und Verdichter, welches durch die jeweili­ gen Strömungsquerschnitte festgelegt ist, in Ladedruck übersetzt. Mit der Erhöhung des Ladedruckes steigt auch der Ladeluftmassenstrom, d. h. der Luftdurchsatz durch die Brennkraftmaschine, so daß deren Leistungsabgabe ansteigt.

Bekanntlich kann mittels einer verstellbaren Turbinengeome­ trie, zum Beispiel durch verstellbare Leitschaufeln der Turbine, der Anströmquerschnitt der Turbine variiert und somit die vom Abgasturbolader auf den Ladeluftstrom zu übertragende Staudruckenergie verändert werden. Die Turbi­ nengeometrie kann dabei zwischen der Öffnungsstellung mit maximalem Anströmquerschnitt und der Schließstellung mit minimalem Anströmquerschnitt jede beliebige Stellung ein­ nehmen und stufenlos verstellt werden. Im stationären Be­ triebszustand der Brennkraftmaschine wird über die Einstel­ lung der Turbinengeometrie mit dem entsprechenden Anström­ querschnitt auf die Turbine der gewünschte Ladeluftdurch­ satz eingestellt. Mit zunehmender Maschinenleistung wird der Anströmquerschnitt auf die Turbine reduziert, und die dadurch herbeigeführte Aufstauung des Abgasstromes erhöht die Verdichterleistung. Somit wird der zur Brennkraftma­ schine geförderte Ladeluftmassenstrom dem jeweiligen Be­ triebszustand angepaßt. Im instationären Betrieb der Brenn­ kraftmaschine bei einer Lastaufschaltung wird also zur Er­ höhung des Ladedruckes die Turbinengeometrie in eine den Anströmquerschnitt auf die Turbine verringernde Stellung überführt. Unter Lastaufschaltung ist hier der positive Lastsprung zwischen zwei stationären Betriebszuständen un­ ter Zunahme der Betriebslast zu verstehen.

Die DE 43 12 077 C1 beschreibt einen solchen Abgasturbola­ der, bei dem die variabel einstellbare Turbinengeometrie durch einen Leitschaufelkranz gebildet ist, welcher im An­ strömkanal des Turbinenlaufrades angeordnet ist und motor­ kennfeldgesteuert axial verschiebbar ist.

Aus der EP 0 374 953 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Winkeleinstellung der Leitschaufeln bekannt, bei denen die Leitschaufeln abhängig von der Auslenkung einer Membran in einer Druckdose verstellt werden. Der Druckraum auf einer Seite der Membran ist wahlweise über ein Magnetventil mit der Druckseite des Kompressors und der Atmosphäre verbind­ bar und der Druckraum auf der anderen Seite der Membran ist wahlweise über Magnetventile mit dem Ansaugrohr der Brenn­ kraftmaschine stromauf des Laders und der Atmosphäre ver­ bunden. Bei einem Überdruck auf der mit der Druckseite des Laders verbundenen Seite der Membran werden dabei die Leit­ schaufeln in Öffnungsrichtung bewegt. Über die Magnetven­ tile soll der jeweilige Druck auf den beiden Seiten der Membran von einem elektronischen Steuergerät gesteuert wer­ den, welches einen Speicher zum Abspeichern von Daten und zum Betätigen und Abschalten der Magnetventile aufweist.

Bei einer Regelung des Ladeluftmassenstroms bildet die ver­ stellbare Turbinengeometrie das Stellglied einer Reglerein­ heit, welche einen Ist-/Sollwert-Vergleich der Regelgröße mit einem als Führungsgröße vorgegebenen Sollwert durch­ führt. Abhängig von dem Ergebnis des Ist-/Sollwert-Verglei­ ches der Regelgröße erzeugt die Reglereinheit Stellsignale für einen Stellantrieb der Turbinengeometrie zum Angleich des Istwertes an den Sollwert.

Ein solches Verfahren ist bereits aus der DE 195 31 871 C1 zur Regelung des Ladedruckes bekannt, wobei der Reglerein­ heit eine Regeldifferenz des Ladedruckes, d. h. die Diffe­ renz zwischen dem vorgegebenen Sollwert und dem ermittelten Istwert angegeben wird. Weicht der ermittelte Istwert des Ladedruckes von dem vorgegebenen Sollwert ab, so veranlaßt die Reglereinheit den Angleich des Istwertes an den Soll­ wert durch entsprechende Stellmaßnahmen an der verstell­ baren Turbinengeometrie des Turboladers. Der jeweils vorzu­ gebende Ladedruck-Sollwert wird aus einem applizierten Ladedruckkennfeld ermittelt und in Abhängigkeit der erfaß­ ten Meßdaten der Regelabweichung als Funktion der Motor­ drehzahl und der Kraftstoff-Einspritzmenge ausgelesen. Mit der Erhöhung des Abgasdruckes durch Verringerung des An­ strömquerschnitts auf die Turbine und dem Zweck, den Turbo­ lader zu beschleunigen und den Ladedruck zu erhöhen, geht eine Erhöhung des Abgasgegendruckes am Auslaß der Brenn­ kraftmaschine einher, welcher die Ausschub- bzw. Gaswech­ selarbeit der Kolben erhöht, was dem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine abträglich ist. Es ist daher erforder­ lich, daß der Abgasgegendruck überwacht und einer möglichen Überhöhung entgegengewirkt wird, so daß ein optimaler Drehmomentaufbau erzielt werden kann.

Das bekannte Verfahren sieht hierzu vor, der Reglereinheit als weitere Eingangsgröße eine Steuergröße zuzuführen, welche als Funktion des Abgasdruckes ermittelt wird. Die Steuergröße bildet die Differenz aus einem betriebspunktab­ hängigen und applizierten maximal zulässigen Differenzdruck und dem tatsächlichen Differenzdruck, wobei sich der Differenzdruck als Differenz aus dem Abgasdruck und dem Ladedruck errechnet. Diese Differenz kann Werte annehmen, die negativ, ungefähr gleich null oder null oder auch posi­ tiv sind. Wird beispielsweise als Steuergröße eine Diffe­ renz ermittelt, die sehr viel kleiner als null ist, was be­ deutet, daß der Abgasdruck für einen optimalen Drehmoment­ aufbau zu groß ist, wird in den Regelalgorithmus des Lade­ druckes in der Weise eingegriffen, daß die Schaufelstellung des Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie in Richtung Öffnen korrigiert wird. Die Reglereinheit hat da­ bei Zugriff auf ein Differenzdruckkennfeld, aus dem zur Er­ mittlung einer etwaigen Korrektur der Schaufelstellung der Turbinengeometrie der maximal zulässige Differenzdruck aus­ lesbar ist.

Um den geeigneten Regelalgorithmus zu realisieren und neben der Regelabweichung die Differenz des Ladedruckes von dem Abgasdruck als Steuergröße zu verarbeiten, benötigt das be­ kannte Verfahren eine zusätzliche Fuzzy-Control-Einheit. Zur Abstimmung des Regelungsverfahrens für verschiedene Be­ triebszustände der Brennkraftmaschine im gesamten Motor­ kennfeldbereich und insbesondere im instationären Betrieb sind aufwendige und zahlreiche Versuche notwendig, um ein Soll-Ladedruckkennfeld zur Bestimmung der Regelabweichung des Ladedruckes zu ermitteln. Insbesondere für Lastauf­ schaltungen (Drehzahl konstant) als auch für Beschleuni­ gungsvorgänge (Last und Drehzahl nicht konstant) muß bei dem bekannten Regelungsverfahren auf Basis des Ladedruckes das Ladedruck-Sollkennfeld und die Reglerabstimmung mit hohem Zeitaufwand und viel Erfahrung des Applikationsfach­ manns auf dem Motorenprüfstand ermittelt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Ladeluftmassenstroms der gat­ tungsgemäßen Art zu schaffen, welches mit geringem Applika­ tionsaufwand ein optimales Betriebsverhalten der Brenn­ kraftmaschine in jeder Betriebsart ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Regelung des Ladeluftmassenstroms mit dem Druckgefälle zwischen dem Ladedruck und dem auf die Turbine wirkenden Abgasdruck als Regelgröße kann mit einem einzigen als Führungsgröße vorgegebenen Sollwert des Druck­ gefälles grundsätzlich im gesamten Kennfeld der Brennkraft­ maschine geregelt werden. Die bisher übliche umfangreiche Ermittlung optimaler Sollwerte für verschiedene Betriebs­ punkte der Brennkraftmaschine, welche von der Reglereinheit in Abhängigkeit bestimmter Kriterien ausgelesen werden muß­ ten und in einem komplizierten Regelalgorithmus zur Erzeu­ gung von Stellsignalen für die Turbinengeometrie verarbei­ tet werden mußten, entfällt somit. Mit der erfindungsge­ mäßen Druckgefälle-Regelung des Ladeluftmassenstroms ist insbesondere im instationären Betrieb die optimale Regelung ohne regelungstechnische Ersatzgrößen möglich, da eine di­ rekt meßbare physikalische Führungsgröße den Regelprozeß, d. h. den Anströmquerschnitt der Turbine, bestimmt.

Die Reglereinheit bestimmt aus der Abweichung des Istwertes von dem Sollwert des Druckgefälles, sofern eine solche vor­ liegt, direkt ein Stellsignal für den Stellantrieb, welches die Verstellung der Turbinengeometrie zum Angleich des Istwertes auslöst. Die Regelung des Ladeluftmassenstroms mit dem Druckgefälle als Regelgröße ist völlig unabhängig von der Bauart des Abgasturboladers bzw. der Turbine mit ihrer verstellbaren Turbinengeometrie und der Baugröße der Stellglieder, was zusätzlich gegenüber bekannten Verfahren den Applikationsaufwand beträchtlich mindert. Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine rein motorabhängige Reglerabstimmung handelt, können durch den regelnden Angleich des Anströmquerschnitts der Turbine auf ein optimales Druckgefälle auch verschleißbedingte Ver­ schlechterungen der Regelgüte der Turbinengeometrie ausge­ glichen werden. Selbst nach längerer Laufzeit und infolge Verschleiß zunehmendem Spiel im Turbinenleitapparat, der äußeren Verstelleinrichtung und dem Laderlaufzeug kann so­ mit selbst im instationären Betrieb ein neuwertiges Be­ triebsverhalten des Abgasturboladers herbeigeführt werden und die Brennkraftmaschine wirkungsgradoptimal betrieben werden.

Vorteilhaft wird für den Instationärbetrieb bei einer Lastaufschaltung ein bestimmter Sollwert des Druckgefälles als Führungsgröße vorgegeben, welcher im Hinblick auf ra­ sche Beschleunigung des Abgasturboladers bei möglichst ho­ hem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert ist.

Als besonders zweckmäßig wird es gesehen, wenn für ver­ schiedene Betriebsarten der Brennkraftmaschine jeweils ein individueller Sollwert des Druckgefälles als Führungsgröße für die Regelung vorgegeben wird. Im Stationärbetrieb kann dabei vorteilhaft ein im Hinblick auf geringen Kraftstoff­ verbrauch der Brennkraftmaschine optimierter Sollwert des Druckgefälles zur Regelung des Ladeluftmassenstroms vorge­ geben werden. Die Brennkraftmaschine kann daher mit nur einem Druckgefällewert als Sollvorgabe im Stationärbetrieb im gesamten Kennfeld verbrauchsoptimal gefahren werden. Bei der Abstimmung der Sollwertvorgabe kann jeder gewünschte Kompromiß zwischen verbrauchs- und ggf. abgasoptimaler Abstimmung vorgegeben werden, wobei beispielsweise mit einem etwas größeren abgastreibenden Druckgefälle, d. h. geringerem Ladedruck die Stickoxidemission verringert werden kann.

Besonders vorteilhaft kann auch die variable Turbinengeo­ metrie zur Abbremsung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wobei der Anströmquerschnitt auf die Turbine ver­ ringert wird und durch gezielte Überhöhung des Abgasgegen­ druckes der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine herabge­ setzt wird und die Kolbenarbeit zum Ausschieben der Abgase aus den Zylindern erhöht wird. In der Motorbremsbetriebsart wird der Reglereinheit ein für diese Betriebsart vorherbe­ stimmter Sollwert des Druckgefälles als Führungsgröße vor­ gegeben. Durch stufenlose Veränderung des Sollwertes des Druckgefälles können der Motorbremsbetrieb und ebenso die Bremskraft variiert werden und auf die angeforderte Größe eingestellt werden. Für stufenlose Motorbremsung werden Sollwerte des Druckgefälles in einem Bremskennfeld - unter­ schiedlichen Bremskräften zugeordnet - elektronisch abge­ speichert und der Reglereinheit zur bedarfsweisen Entnahme bereitgestellt.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft Verwendung im Abgasrückführungsbetrieb der Brennkraft­ maschine finden, wobei ein dosierter Abgasteilstrom in den Einlaßtrakt der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden soll. Die Abgasrückführung ist insbesondere bei aufgelade­ nen Brennkraftmaschinen schwierig oder gar unmöglich, da das Druckgefälle, welches das Abgas in den Einlaßtrakt treibt, aufgrund zu hohen Ladedruckes hinter dem Verdichter oftmals zu gering ist oder gar ein Druckgefälle zum Ab­ gastrakt vorliegt und somit die Abgase am selbsttätigen Zu­ rückströmen gehindert werden. Durch Verringerung des An­ strömquerschnitts der Turbine kann jedoch das Rückströmen von Abgasen durch die Erhöhung des Abgasdruckes gefördert werden, so daß über die variable Einstellung der Turbinen­ geometrie die Abgasrückführungsrate variierbar ist. Erfin­ dungsgemäß wird der Regelung des Ladeluftmassenstroms bei gewünschtem Abgasrückführungsbetrieb ein für diese Be­ triebsart vorgesehener Sollwert eines Druckgefälles vorge­ geben, wobei ein abgastreibendes Druckgefälle zum Einlaß­ trakt eingeregelt wird. Zweckmäßig sind in einem Abgasrück­ führungs-Kennfeld zu unterschiedlichen Abgasrückführungs­ raten zugeordnete Sollwerte des Druckgefälles abgelegt. Wird Abgasrückführungsbetrieb mit einer bestimmten Abgas­ rückführungsrate gewünscht, so entnimmt die Reglereinheit den zugeordneten Sollwert des Druckgefälles, welches die gewünschte Abgasrückführungsrate herbeiführt, und gibt diesen als Führungsgröße für die Druckgefälleregelung des Ladeluftmassenstroms vor.

Weitere erfinderische Merkmale ergeben sich aus der nach­ stehenden Erläuterung eines Verfahrens zur Regelung des Ladeluftmassenstroms anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2a-2b in graphischer Darstellung den zeitlichen Ver­ lauf verschiedener Betriebsparameter der Brenn­ kraftmaschine bei Anwendung des Regelungsver­ fahrens des Ladeluftmassenstroms mit dem Druck­ gefälle als Regelgröße.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, welche von einem Abgasturbolader 5 aufgeladen wird. Der Abgas­ turbolader 5 besteht aus einer im Auslaßtrakt 3 der Brenn­ kraftmaschine 1 angeordneten Turbine 7 und einem Verdichter 8 im Einlaßtrakt 2. Der von der Turbine 7 angetriebene Ver­ dichter saugt Frischluft an und fördert einen verdichteten Ladeluftmassenstrom 11 zur Brennkraftmaschine 1. Die Tur­ bine 7 und der Verdichter 8 sind durch eine Laderwelle 6 starr verbunden und laufen daher synchron um. Die Strö­ mungsenergie des aus der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasstroms wird in Abhängigkeit vom Durchströmungsverhal­ ten beider Strömungsmaschinen, d. h. in Abhängigkeit von dem Verhältnis der jeweiligen Anströmquerschnitte der Turbine 7 und des Verdichters 8 auf den vom Verdichter 8 angesaugten Frischluftstrom übertragen.

Die Turbine 7 weist eine verstellbare Turbinengeometrie auf, so daß ihr Durchströmungsverhalten durch variable Ver­ änderung des wirksamen Anströmquerschnittes für den Abgas­ strom veränderbar ist. Ein Stellantrieb wirkt auf eine ver­ stellbare Leitvorrichtung 17 der Turbine 7, zum Beispiel verstellbare Leitschaufeln, ein. Dabei wird jeweils ein be­ stimmter Anströmquerschnitt der Turbine 7 zur Beaufschla­ gung mit dem Abgasstrom freigegeben, welcher mit dem starr festgelegten Anströmungsquerschnitt des Verdichters 8 ein für den vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine bestimmtes Druckübersetzungsverhältnis bildet, mit dem der erforderliche Ladeluftmassenstrom 11 gefördert wird. Jedem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 ist ein bestimmter Anströmquerschnitt der Turbine 7 zugeordnet, welcher mit zunehmender Betriebslast abnimmt, so daß mit einer Verstärkung der Aufstauung des Abgasstromes vor der Turbine 7 die Drehzahl des Abgasturboladers 5 erhöht ist und mit entsprechend höherer Verdichterleistung ein größe­ rer Ladeluftmassenstrom gefördert wird.

Zur Regelung des Ladeluftmassenstroms ist eine Reglerein­ heit 10 vorgesehen, welche ein Stellsignal 24 für den Stellantrieb 9 der Turbinenleitvorrichtung 17 erzeugt und den Anströmquerschnitt auf die Turbine einstellt. Der Reg­ lereinheit 10 wird zur Bildung der Regelgröße das Meßsignal eines Drucksensors 15 zugeführt, welcher im Einlaßtrakt der Brennkraftmaschine hinter dem Verdichter 8 bzw. hinter einem hier nicht dargestellten Ladeluftkühler angeordnet ist und den Ladedruck P2_s mißt. Weiterhin wird der Regler­ einheit 10 das Meßsignal eines im Auslaßtrakt 3 der Brenn­ kraftmaschine angeordneten Drucksensors 14 zugeführt, wel­ cher den Abgasdruck P3 vor der Turbine 7 des Abgasturbo­ laders 5 mißt. Aus den Meßsignalen der Drucksensoren 14 und 15 ermittelt die Reglereinheit 10 das Druckgefälle zwischen dem Ladedruck im Einlaßtrakt und dem auf die Turbine wir­ kenden Abgasdruck. Dabei werden die gemessenen Druckwerte des Ladedruckes P2_s und des Abgasdruckes P3 gegenüberge­ stellt und das Druckgefälle, d. h. der Differenzdruck P2_s- P3, als Regelgröße für den Ladeluftmassenstrom 11 herange­ zogen. Die Ermittlung des Druckgefälles kann auch durch einen Differenzdrucksensor erfolgen.

Ein im voraus ermittelter Sollwert für das Druckgefälle P2_s-P3 ist der Reglereinheit 10 als Führungsgröße im Regelkreis vorgegeben. Die Reglereinheit 10 führt einen Ist-/Sollwert-Vergleich des Druckgefälles durch und be­ stimmt, sofern bei dem Vergleich eine Abweichung des Ist­ wertes von dem Sollwert festgestellt wird, den zum Angleich des Istwertes an den Sollwert erforderlichen Stellweg der Turbinengeometrie. Liegt eine Abweichung des Istwertes des Druckgefälles von dem Sollwert vor, wird abhängig von die­ ser Feststellung direkt, d. h. ohne Hinzuziehung regelungs­ technischer Ersatzgrößen, die Verstellung der Turbinengeo­ metrie zum Angleich des Istwertes durch ein entsprechendes Stellsignal 24 für den Stellantrieb 9 der Turbinenleitvor­ richtung 17 ausgelöst. Mit dem Druckgefälle P2_s-P3 als Regelgröße bestimmt eine direkt meßbare physikalische Größe den Regelprozeß des Ladeluftmassenstroms 11 und bestimmt den optimalen Anströmquerschnitt der Turbine, ohne daß eine Meßgröße mit aufwendigen Algorithmen in eine repräsentative Regelgröße umgerechnet werden müßte.

Im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine bei einer Lastaufschaltung wird ein bestimmter Sollwert des Druckge­ fälles P2_s-P3 als Führungsgröße im Regelkreis vorgegeben. Dieser Sollwert des Druckgefälles P2_s-P3 wird im voraus er­ mittelt und dabei im Hinblick auf rasche Beschleunigung des Abgasturboladers 5 bei möglichst hohem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 optimiert. Dieser beschleunigungs­ optimale Sollwert des Druckgefälles wird der Reglereinheit 10 dauerhaft zugänglich gemacht und jeweils bei Vorliegen der instationären Betriebsart im Regelkreis vorgegeben.

Im stationären Betrieb der Brennkraftmaschine kann der Ladeluftmassenstrom 11 auf der Basis des im Einlaßtrakt gemessenen Ladedrucks P2_S als Regelgröße geregelt werden, wobei ein jeweils dem vorliegenden stationären Betriebszu­ stand entsprechender spezifischer Soll-Ladedruck die Füh­ rungsgröße im Regelkreis bildet. Im stationären Betrieb der Brennkraftmaschine liegen meist nur geringe Regelabweichun­ gen des Ladedruckes vor, und bei annähernd konstantem Ab­ gasstrom 12 treten ebenso nur geringe Abgasdrucküberhöhun­ gen auf. Die Regelung des Ladeluftmassenstroms 11 auf der Basis des Ladedruckes als Regelgröße liefert im Stationärbetrieb zufriedenstellende Ergebnisse. Schädliche Überhöhungen des Abgasgegendruckes treten in dieser Be­ triebsart praktisch kaum auf, so daß der bei der Regelung auf der Basis des Ladedruckes prinzipiell schwierig zu be­ herrschende Abgasdruck größenordnungsmäßig weitgehend außer Acht gelassen werden kann. Das kombinierte Lade­ druck/Druckgefälle-Regelverfahren für den Stationär- /Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine aus Motor­ prozeßgesichtspunkten mit geringem Applikationsaufwand für das Regelverfahren.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Druckgefälle P2_s-P3 als Regelgröße auch im Statio­ närbetrieb der Brennkraftmaschine 1 angewandt, wobei ein für diese Betriebsart vorherbestimmter Sollwert des Druck­ gefälles P2_s-P3 als Führungsgröße vorgegeben wird. Das op­ timale Druckgefälle für den Stationärbetrieb unterscheidet sich von dem für den Instationärbetrieb. Es wird vorteil­ haft im voraus im Hinblick auf geringen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 1 optimiert. Mit nur einem einzigen zu applizierenden Druckgefälle-Wert als Sollvorgabe wird die Brennkraftmaschine im gesamten Kennfeld stationär verbrauchsoptimal betrieben. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die Sollwertvorgabe des Druckgefälles im Hinblick auf möglichst geringe Schadstoffemission der Brennkraftmaschine abzustimmen. Grundsätzlich ist dabei durch gezielte Abweichungen von der Sollwertvorgabe bei der Abstimmung des vorzugebenden Druckgefälles jeder gewünschte Kompromiß zwischen verbrauchs- und emissionsoptimalem Betrieb möglich. So führt beispielsweise eine Vergrößerung des negativen Druckgefälles mit vergleichsweise kleinerem Ladedruck zu einer Verringerung der Stickoxidemission.

Im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine führt ein Druckgefälle P2_s-P3 von etwa -1.000 mbar zu einem optimalen Kompromiß zwischen möglichst rascher Beschleunigung des Ab­ gasturboladers und einem noch akzeptablen Anstieg des Ab­ gasgegendruckes und somit optimalen Wirkungsgraden der Brennkraftmaschine. Im Stationärbetrieb wird ein Druckge­ fälle P2_s-P3 von etwa -150 mbar als besonders vorteilhaft gesehen. In der verbrauchsgünstigen Stellung der Turbinen­ geometrie, die im jeweiligen stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein Druckgefälle von -150 mbar ein­ regelt, kann ggf. durch Abstimmung des Förderbeginns bzw. des Einspritzbeginns und der Einspritzdauer der Kraftstoff­ einspritzung die Abgasemission auf ein Minimum gesenkt wer­ den.

Solange die Betriebsart der Brennkraftmaschine (Stationär-/­ Instationärbetrieb) beibehalten wird, wird der Ladeluft­ massenstrom 11 von der Reglereinheit 10 unabhängig von der vorliegenden Lastanforderung mit jeweils einem, grundsätz­ lich gleichen optimalen Druckgefälle geregelt. Zur Bestim­ mung der Betriebsart und des vorzugebenden Sollwertes des Druckgefälles wird der Reglereinheit 10 ein Signal 16 mit Aussage über die angeforderte Betriebsart der Brennkraft­ maschine 1 zugeführt. Bei überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes des Betriebsartsignals wechselt die Regler­ einheit die Betriebsart. Zur Erkennung des Überganges in den Instationärbetrieb, d. h. als Umschaltkriterium für das Austauschen des Sollwertes für den Stationärbetrieb durch den Sollwert des Druckgefälles für den Instationärbetrieb, wird die zeitabhängige Änderung der Lastanforderung heran­ gezogen, beispielsweise die Wegänderung eines Fahrpedals. Das Umschaltsignal 16 wird dabei abhängig von einem durch Ableitung nach der Zeit gebildeten Gradienten der Lastan­ forderung erzeugt. Möglich ist auch, als Umschaltkriterium die Regelabweichung des Ladedruckes heranzuziehen, die als Differenz des Sollwertes und des Istwertes des Ladedruckes ermittelt wird. Das Umschaltsignal 16 kann jedoch zweck­ mäßig auch in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brenn­ kraftmaschine 1 erzeugt werden. In einer weiteren Möglich­ keit kann auch das Umschaltsignal 16 in Abhängigkeit von einem Verhältnis der momentan pro Arbeitsspiel in die Brennkraftmaschine 1 eingespritzten Kraftstoffmasse und dem aktuellen Ladeluftmassenstrom 11 erzeugt werden. Der Istwert des Ladeluftmassenstroms kann aus der Messung des Ladedrucks P2_s durch den Drucksensor 15 im Einlaßtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 ermittelt werden. Zwischen der momentan eingespritzten Kraftstoffmasse und der Ladeluft­ masse kann, um Luftmangelverbrennungen zu vermeiden, eine Abhängigkeit vorgegeben werden, nach der die Einspritzmenge reduziert wird. Wird die Einspritzmengenrücknahme unter den Stationärwert erkannt, beispielsweise mittels des Lade­ drucksensors 15 oder eines Luftdurchsatzsensors, so wird das dynamische Regelungsintervall im Instationärbetrieb mit beschleunigungsoptimalem Druckgefälle verlängert durch eine beispielsweise drehzahlabhängige Haltezeitzugabe. Ein Rück­ schalten in den Stationärbetrieb mit verbrauchs- oder emis­ sionsoptimalem Druckgefälle erfolgt nach Ablauf der Ein­ spritzmengenbegrenzung einschließlich der Haltezeitzugabe.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Druckgefälleregelung wird die variable Turbinengeometrie auch besonders effektiv zur Abbremsung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Im Motor­ bremsbetrieb wird durch entsprechende Verstellung der Tur­ binengeometrie nur ein geringer Anströmquerschnitt auf die Turbine 7 freigegeben, so daß die dadurch herbeigeführte Aufstauung des Abgasstroms 12 zu einer Erhöhung des Abgas­ gegendruckes auf die Kolben in den Zylindern der Brenn­ kraftmaschine zurückwirkt. Mit hohem Abgasgegendruck kann dabei durch die damit verbundene Wirkungsgradverschlechte­ rung die Brennkraftmaschine 1 abgebremst werden. In der Motorbremsbetriebsart wird daher im Regelkreis ein vorher­ bestimmter Sollwert des Druckgefälles als Führungsgröße vorgegeben, welcher von den Sollwertvorgaben im Stationär- und Instationärbetrieb abweicht und eine Aufstauung des Ab­ gasstroms 12 und die damit verbundene Abbremsung der Brenn­ kraftmaschine 1 herbeiführt. Durch Variation der Sollwert­ vorgabe des Druckgefälles P2_s-P3 kann im Motorbremsbetrieb die Bremskraft stufenlos verändert werden und eine angefor­ derte Bremskraft eingestellt werden. Die Reglereinheit 10 hat Zugriff auf ein Bremskennfeld 20, in dem spezifische Sollwerte des Druckgefälles für unterschiedliche Brems­ kräfte elektronisch abgespeichert sind und bedarfsweise entnommen werden. Die Umschaltung in den Motorbremsbetrieb erfolgt, nachdem der Reglereinheit 10 ein Bremssignal 18 eingegeben wird, welches beispielsweise durch Betätigung eines Bremspedals ausgelöst wird und die Anforderung von Bremsleistung anzeigt. Die Einschaltung des Motorbrems­ betriebes und die Aktivierung des Bremskennfeldes 20 kann beispielsweise über eine Schnittstelle zwischen der Fahr­ zeugelektronik und der Motorelektronik erfolgen, welche hier nicht näher erläutert werden soll. Nach Ausbleiben des Bremssignals 18 schaltet die Regelung vom Motorbremsbetrieb auf den Fahrbetriebszustand der Brennkraftmaschine zurück und gibt das für den Stationärbetrieb vorgesehene Druckge­ fälle im Regelkreis vor.

Das Verfahren zur Regelung des Ladeluftmassenstroms auf der Basis des Druckgefälles P2_s-P3 kann auch einen Abgasrück­ führungsbetrieb ermöglichen, welcher bisher bei aufgelade­ nen Brennkraftmaschinen nur schwierig oder gar nicht reali­ sierbar war. Das rückzuführende Abgas strömt dabei als Teilstrom des Abgasstroms 12 durch eine Abgasrückführungs­ leitung 4 in den Einlaßtrakt 2, wo es dem Ladeluftstrom 11 beigemischt wird. Die Abgasrückführungsleitung 4 verbindet dabei den vor der Turbine 7 liegenden Teil des Abgastraktes 3 mit dem nach dem Verdichter 8 des Turboladers 5 liegenden Teil des Einlaßtraktes 2. Die Abgasrückführung ist dann möglich, wenn das Druckgefälle P2_s-P3 negativ ist, d. h. daß der Abgasdruck P3 höher ist als der Ladedruck P2_s und somit der Abgasstrom durch die Abgasrückführungsleitung 4 in Richtung des Einlaßtraktes getrieben wird. In der Abgas­ rückführungsleitung 4 ist ein Ventil 13 angeordnet, welches bei gewünschtem Abgasrückführungsbetrieb geöffnet wird. Das Vorliegen des Abgasrückführungsbetriebes wird der Regler­ einheit 10 beispielsweise zum Zeitpunkt des Öffnens des Ab­ gasrückführungsventils 13 angezeigt. Über Stellmaßnahmen an der Turbinengeometrie verändert die Reglereinheit 10 das abgastreibende Druckgefälle und stellt dabei die gewünschte Abgasrückführungsrate ein, welche beispielsweise im jewei­ ligen Betriebspunkt im Kennfeld der Brennkraftmaschine maximal sein kann. Die Reglereinheit 10 hat Zugriff auf ein Abgasrückführungs-Kennfeld 21, in dem unterschiedlichen Ab­ gasrückführungsraten zugeordnete Sollwerte des Druckge­ fälles P2_s-P3 abgelegt sind. Die Sollwerte des Druckge­ fälles sind im Abgasrückführungskennfeld 21 in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1 abgespeichert. Bei Vorliegen der Abgasrückführungs-Be­ triebsart sind die für diese Betriebsart vorgesehenen Solldruckgefällewerte von der Reglereinheit bedarfsweise entnehmbar und im Regelkreis vorgebbar. Es kann daher in dem jeweiligen Kennfeldpunkt der Brennkraftmaschine das je­ weils günstigste Druckgefälle zur Erzielung maximaler Ab­ gasrückführungsraten bei günstigem Kraftstoffverbrauch ein­ geregelt werden.

Die Fig. 2a bis 2b zeigen den zeitlichen Verlauf charakte­ ristischer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bei An­ wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung des Ladeluftmassenstroms mit dem Druckgefälle P2_s-P3 als Regel­ größe. Während des dargestellten Intervalls findet eine Lastaufschaltung statt, wobei die Motorlast ausgehend von einer ersten stationären Betriebsphase St₁ in den stationä­ ren Betriebszustand während der Phase St₂ mit entsprechend höherer Betriebslast erhöht ist. Zwischen den stationären Betriebsphasen St₁, St₂ wird während der instationären Be­ triebsphase Dyn der Ladedruck der Brennkraftmaschine durch Verringerung des Anströmquerschnitts auf die Turbine mit­ tels Verstellung der Turbinengeometrie erhöht. In Fig. 2 ist graphisch der zeitliche Verlauf des Verstellweges S_VTG der Turbinenleitvorrichtung dargestellt. Unmittelbar nach Erhöhung der Lastanforderung wird dabei die Turbinengeo­ metrie in die Schließstellung mit minimalem Anströmquer­ schnitt auf die Turbine überführt. In dieser Stellung nimmt der Abgasdruck auf die Turbine schnell zu, so daß der Ab­ gasturbolader rasch beschleunigt wird und ein schneller An­ stieg des Ladedruckes erreicht wird. Aus der Schließ­ stellung heraus wird die Turbinengeometrie öffnend ver­ stellt, bis sie schließlich die dem angeforderten statio­ nären Betriebszustand St₂ entsprechende Stellung einnimmt.

Der Ladeluftmassenstrom wird sowohl in den stationären Be­ triebsphasen als auch in dem instationären Betriebsinter­ vall mit dem Druckgefälle P2_s-P3 als Regelgröße geregelt. Dabei wird in den stationären Betriebsphasen ein Druckge­ fälle vorgegeben, welches den verbrauchsoptimalen Betrieb der Brennkraftmaschine gestattet. Wie sich aus der Fig. 2b ergibt, in der graphisch der zeitliche Verlauf des Druckge­ fälles dargestellt ist, wird in den stationären Betriebs­ phasen St₁ und St₂ jeweils das gleiche, beispielsweise verbrauchsoptimierte Druckgefälle be_opt vorgegeben. Dieses Druckgefälle wird für jeden stationären Betriebszustand unabhängig von der tatsächlich vorliegenden Betriebslast vorgegeben, und mit diesem einen als Führungsgröße vorzu­ gebenden Wert ist im gesamten Stationärkennfeld der Brenn­ kraftmaschine der jeweils erforderliche Ladeluftmassenstrom regelbar. Während der instationären Betriebsphase Dyn wird als Führungsgröße ein erheblich größeres und den Lader beschleunigendes negatives Druckgefälle (P2_s-P3)_Grenz vorgegeben als in den stationären Betriebsphasen St₁, St₂.

Das in der instationären Betriebsphase einzuregelnde Druckgefälle ist im Hinblick auf möglichst rasche Beschleu­ nigung des Abgasturboladers am entsprechend schnellen Auf­ bau des Ladedruckes ausgelegt. Bei diesem optimal abge­ stimmten Druckgefälle für die instationäre Betriebsphase wird der sich vor der Turbine aufstauende Abgasdruck im Grenzbereich eines maximal zulässigen Abgasgegendruckes für die Brennkraftmaschine gehalten.

Wie sich weiter aus der Fig. 2b ergibt, wird im Abgasrück­ führungsbetrieb AGR während der stationären Betriebsphasen das als Führungsgröße im Regelkreis vorzugebende Druckge­ fälle variiert. Wie bereits beschrieben, wird dem jewei­ ligen Druckgefälle entsprechend eine bestimmte Abgasteil­ menge durch die Abgasrückführungsleitung zurückgeführt, so daß mit dem entsprechenden Druckgefälle in jedem statio­ nären Betriebszustand eine gewünschte Rückführrate ein­ stellbar ist. Eine Abgasrückführung ist insbesondere im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine wirkungs­ voll, wobei mit zunehmender Betriebslast die maximal mög­ liche Abgasrückführungsrate reduziert wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel eines Laststromes unter Zunahme der Be­ triebslast wird daher in der stationären Betriebsphase St₂ mit höherer Betriebslast der Brennkraftmaschine ein gerin­ geres, treibendes Druckgefälle im Regelkreis vorgegeben als in der ersten stationären Betriebsphase mit Abgasrück­ führungsbetrieb AGR. Für jeden stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist ein Druckgefälle-Sollwert für die maximal mögliche Abgasrückführungsrate im Abgasrück­ führungs-Kennfeld hinterlegt.

Claims (17)

1. Verfahren zur Regelung des Ladeluftmassenstroms (11) einer mittels Abgasturbolader (5) mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), wobei eine Reglereinheit (10) einen Ist-/Sollwert-Ver­ gleich einer Regelgröße mit einem als Führungsgröße vorgegebenen Sollwert durchführt und Stellsignale (24) für einen Stellantrieb (9) der Turbinengeometrie zum Angleich des Istwertes an den Sollwert erzeugt, wobei die Turbinengeometrie im instationären Betrieb (Dyn) bei einer Lastaufschaltung zur Erhöhung des Ladedruckes (P2_s) der Brennkraftmaschine (1) in eine den Anström­ querschnitt auf die Turbine (7) verringernde Stellung überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße das Druck­ gefälle (P2_s-P3) zwischen dem Ladedruck (P2_s) und einem auf die Turbine (7) wirkenden Abgasdruckes (P3) ermit­ telt wird und die Reglereinheit (10) aus der Abweichung des Istwertes von dem Sollwert direkt ein Stellsignal (24) für eine angleichende Stellbewegung der Turbinen­ geometrie erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der während der Regelung des Ladeluftmassenstroms vorliegenden Betriebsart der Brennkraftmaschine (1) ein einziger Sollwert für das gesamte Kennfeld der Brennkraftmaschine vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine bei einer Lastaufschaltung ein für diese Betriebsart vorbestimmter Sollwert des Druck­ gefälles (P2_s-P3) als Führungsgröße vorgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im instationären Be­ trieb vorzugebende Sollwert des Druckgefälles (P2_s-P3) im Hinblick auf rasche Beschleunigung des Abgasturbo­ laders (5) bei möglichst hohem Wirkungsgrad der Brenn­ kraftmaschine (1) optimiert ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im stationären Betrieb der Brennkraftmaschine ein für diese Betriebsart vorherbe­ stimmter Sollwert des Druckgefälles (P2_s-P3) als Füh­ rungsgröße vorgegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im stationären Betrieb vorzugebende Sollwert im Hinblick auf geringen Kraft­ stoffverbrauch und/oder geringe Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine optimiert ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die variabel einstellbare Turbinengeometrie zur Abbremsung der Brennkraftmaschine (1) eingesetzt und dabei der Anströmquerschnitt auf die Turbine (7) verringert wird, wobei ein für die Motor­ bremsbetriebsart vorherbestimmter Sollwert des Druck­ gefälles (P2_s-P3) als Führungsgröße vorgegeben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Druck­ gefälles (P2_s-P3) im Motorbremsbetrieb der angeforder­ ten Bremskraft (18) entsprechend stufenlos verändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bremskennfeld (20) Sollwerte des Druckgefälles (P2_s-P3) unterschiedlichen Bremskräften zugeordnet elektronisch abgespeichert und bedarfsweise von der Reglereinheit (10) entnommen wer­ den.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasrückführungsbetrieb der Brennkraftmaschine mit Einspeisung eines dosierten Abgasteilstroms in dem Einlaßtrakt (2) der Brennkraftmaschine (1) ein der gewünschten Abgasrück­ führungsrate entsprechender Sollwert des Druckgefälles (P2_s-P3) vorgegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abgasrückführungs­ kennfeld (21) unterschiedlichen Abgasrückführungsraten zugeordnete Sollwerte des Druckgefälles (P2_s-P3) abge­ legt sind und von der Reglereinheit (10) als vorzu­ gebende Führungsgröße in dieser Betriebsart entnommen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte des Druck­ gefälles (P2_s-P3) im Abgasrückführungskennfeld (21) in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine (1) abgespeichert sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reglereinheit (10) ein Signal (16, 18) mit Aussage über die angeforderte Be­ triebsart der Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird und die Reglereinheit bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes des Umschaltsignals (16, 18) in die ange­ forderte Betriebsart wechselt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltsignal zum Wechseln zwischen der stationären Betriebsart (St₁, St₂) und der instationären Betriebsart (Dyn) in Ab­ hängigkeit einer Regelabweichung des Ladedruckes er­ zeugt wird, die als Differenz eines gemessenen Ist­ wertes und eines vorgegebenen Sollwertes des Lade­ druckes ermittelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltsignal (16) ab­ hängig von einem durch Ableitung nach der Zeit gebilde­ ten Gradienten der Lastanforderung erzeugt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltsignal (16) ab­ hängig von der Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine (1) erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltsignal (16) ab­ hängig von einem Verhältnis der momentan pro Arbeits­ spiel in die Brennkraftmaschine (1) eingespritzten Kraftstoffmasse und dem aktuellen Ladeluftmassenstrom (11) erzeugt wird.