DE19827627C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1 bzw. 10.
Aus der US 50 90 204 ist eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei parallel angeordneten Abgasturboladern bekannt. Die symmetrisch aufgebaute Brennkraftmaschine besteht aus zwei Zy­ linderbänken, denen jeweils ein Abgasturbolader zugeordnet ist. Die Turbinen werden von den Abgasen im Abgasstrang jeweils ei­ ner Zylinderbank angetrieben; der dazugehörige Verdichter sitzt in dem dieser Zylinderbank zugeordneten Ansaugkanal.
Um den Ladedruck in den Ansaugkanälen beider Zylinder auf glei­ chem Niveau zu halten, ist eine Regeleinheit vorgesehen, die einen Differenzdruck zwischen den Ladedrücken in den Ansaugka­ nälen stromab der Verdichter ausgleicht. Bei einer festgestell­ ten Abweichung wird ein Regelsignal erzeugt wird, das zur Ein­ stellung einer Drossel herangezogen wird, welche in einer By­ passleitung zur jeweiligen Turbine angeordnet ist. Hierdurch kann die Turbinenleistung und folglich auch die Verdichterleis­ tung beeinflußt werden, woraufhin sich ein angepaßter Ladedruck im Ansaugtrakt einstellt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß sich aufgrund der Eigen­ dynamik des aus Turbinen, Verdichtern und Drosseln bestehenden zu regelnden Systems der gewünschte Ladedruckausgleich zwischen den beiden Ansaugkanälen erst mit zeitlicher Verzögerung ein­ stellt. Der Regeleingriff an der Drossel im Bypass zur Turbine bewirkt zunächst eine Änderung des Abgasgegendrucks stromauf der Turbine, der zu einer geänderten Turbinenleistung führt, die sich wiederum zeitverzögert auf den Ladedruck auswirkt. Insbesondere im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine kann sich aufgrund der zeitverzögerten Umsetzung des Regelein­ griffs zeitweise eine unerwünschte Ladedruckdifferenz zwischen den Ansaugkanälen der beiden Zylinderreihen einstellen, woraus eine ungleichmäßige Beladung der Zylinder beider Zylinderreihen mit Verbrennungsluft resultieren kann.
Eine weitere aufgeladene Brennkraftmaschine ist aus der US 46 60 382 bekannt. Die Brennkraftmaschine aus dieser Druckschrift ist mit nur einem einzelnen Abgasturbolader ausgestattet, der mit variabler Turbinengeometrie zur variablen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts versehen ist. Bei dieser Vor­ richtung wird der Ladedruck stromab des Verdichters gemessen und der Einstellung der variablen Turbinengeometrie zugrunde gelegt. Die Koordination der Funktionsweise von zwei Abgastur­ boladern, jeweils einer für eine Zylinderreihe, ist aber nicht Gegenstand der US 46 60 382.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen und jeweils einem Abgasturbolader pro Zylinderreihe gleichmäßig, insbesondere ü­ ber alle Betriebspunkte und im instationären Betrieb, mit Verbrennungsluft zu versorgen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 10 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Zustandsgröße des Motors unmittelbar im Verdichter oder im Bereich eines Verdich­ ters gemessen, insbesondere eine Zustandsgröße, die proportio­ nal zum Luftmassenstrom durch den Verdichter ist. Es wird da­ durch der Regelung eine Zustandsgröße zugrunde gelegt, die ein Maß für die Beschickung der Zylinderreihen mit Verbrennungsluft darstellt. Zweckmäßig wird eine Zustandsgröße im Bereich des Verdichtereintritts gemessen.
Das erzeugte Stellsignal wird einem Stellglied zugeführt, das unmittelbar den wirksamen Turbinenquerschnitt beeinflußt. Zweckmäßig sind die Turbinen beider Abgasturbolader mit varia­ bel einstellbarer Turbinengeometrie versehen. Über das Stell­ glied kann der wirksame Turbinenquerschnitt eingestellt werden, wobei dem Stellglied ein in der Regeleinheit gemäß der verwen­ deten Regelvorschrift erzeugtes Stellsignal zugeführt wird. Je nach verwendeter Regelstrategie kann die Zustandsgröße über die Einstellung einer oder beider variabler Turbinengeometrien ein­ geregelt werden.
Insbesondere das instationäre Verhalten der Brennkraftmaschine verbessert sich, weil Regelabweichungen direkt erfaßt und schneller ausgeglichen werden können. Durch beide Verdichter wird der gleiche Luftmassenstrom durchgesetzt, etwaige Unter­ schiede, die sich beispielsweise aus Fertigungstoleranzen erge­ ben können, werden ausgeglichen, was verbesserte Bedingungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und niedrigen Abgasemissionen zur Folge hat. Die Regelstrecke wird auf Größen und Motorkompo­ nenten beschränkt, die einen unmittelbaren Einfluß auf den durchgesetzen Luftmassenstrom haben.
Als besonders einfacher und schnell durchzuführender Regelungs­ typ kann eine Differenz-Regelung eingesetzt werden, bei der vorteilhaft die Differenz von zwei veränderlichen, physikali­ schen Motor-Zustandsgrößen im Bereich des Verdichtereintritts gemessen wird. Als Zustandsgrößen kommen bevorzugt der Luftmas­ senstrom am Verdichtereintritt, die Drehzahl des Abgasturbola­ ders oder der Diffusordruck in Betracht, welcher im Eintritts­ bereich der Verdichterdiffusoren der Turbolader abgegriffen wird. Von diesen Zustandsgrößen wird die Differenz zwischen den beiden Abgasturboladern gemessen, zweckmäßig mit Hilfe eines Differenzen-Sensors, und der Regelung zugrunde gelegt. Bei der Differenz-Regelung wird in vorteilhafter Weise der Differenz­ wert auf einen Referenzwert eingeregelt, der zweckmäßig Null ist, so daß die Zustandsgrößen im Bereich beider Verdichterein­ tritte den gleichen Sollwert einnehmen.
Gemäß einer anderen Regelung wird die Zustandsgröße nur eines Abgasturboladers mit einer Sollgröße verglichen, ein Differenz­ wert aus der Differenz der Zustandsgrößen des ersten und des zweiten Abgasturboladers gebildet, die Zustandsgröße des ersten Abgasturboladers und der Differenzwert addiert und zumindest eine der beiden Zustandsgrößen soweit variiert, bis der Diffe­ renzwert einen Referenzwert, insbesondere Null, einnimmt. In dieser Ausführung übernimmt der Abgasturbolader, dessen Zu­ standsgröße mit der Sollgröße verglichen wird, die Aufgabe ei­ nes Führungselements; die Zustandsgröße dieses Turboladers wird zunächst auf den Sollwert geregelt. Der andere Abgasturbolader wird dem führenden Abgasturbolader nachgeführt, indem die Dif­ ferenz der Zustandsgröße dieses Turboladers zur Zustandsgröße des führenden Turboladers auf Null geregelt wird, so daß die Zustandsgrößen beider Turbolader den gleichen Wert einnehmen. Die Aufteilung in führenden und nachfolgenden Turbolader hat den Vorteil, daß nur der absolute Sollwert für die Zustandsgrö­ ße des führenden Turboladers vorgegeben werden muß, wohingegen die Zustandsgröße des nachfolgenden Turboladers über die ein­ fach durchzuführende und regelungstechnisch robuste Differenz­ regelung eingestellt wird.
Die Sollgröße kann aus einem in der Regeleinheit abgespeicher­ ten Verdichterkennfeld ausgelesen werden, das bei unterschied­ lichen Turbolader-Drehzahlen den Zusammenhang zwischen Massen­ durchsatz und Totaldruckverhältnis darstellt. In dem Kennfeld können eine Vielzahl von Motor-Betriebslinien für bestimmte Po­ sitionen der variablen Turbinengeometrie und bestimmte Motor­ drehzahlen für verschiedene Motorlasten und Motorbetriebsarten wie befeuerter Betrieb oder Motorbremsbetrieb abgelegt werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnun­ gen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi­ ne mit zwei Zylinderreihen und einem Abgasturbolader pro Zylinderreihe,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Verdichter eines Abgastur­ boladers.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 eines Kraft­ fahrzeugs weist zwei Zylinderreihen 2, 3 mit jeweils mehreren Zylindern auf. Um den Zylindern verdichtete Verbrennungsluft zuzuführen, ist jeder Zylinderreihe 2, 3 jeweils ein Abgastur­ bolader 4, 7 zugeordnet. Der der Zylinderreihe 2 zugeordnete Abgasturbolader 4 besteht aus einer Turbine 5 in einer ersten Abgasleitung 14, die von der ersten Zylinderreihe 2 abzweigt, und einem über eine Welle mit der Turbine 5 verbundenen Ver­ dichter 6 in einer ersten Ansaugleitung 10. Der der zweiten Zy­ linderreihe 3 zugeordnete Abgasturbolader 7 ist spiegelbildlich zum ersten Abgasturbolader 4 angeordnet; der zweite Abgasturbo­ lader 7 besteht aus einer Turbine 8 in einer zweiten Abgaslei­ tung 15, die von der zweiten Zylinderreihe 3 abzweigt, und ei­ nem über eine Welle mit der Turbine 8 verbundenen Verdichter 9 in einer zweiten Ansaugleitung 11.
Die beiden Ansaugleitungen 10, 11 münden stromab der Verdichter 6, 9 in einen gemeinsamen Ansaugleitungsstrang 12, über den die verdichtete Frischluft mit dem für beide Zylinderreihen 2, 3 einheitlichen Ladedruck p2S dem Motor zugeführt wird. Vor dem Eintritt in ein Sammelrohr des Motors wird die verdichtete Luft in eine Ladeluftkühler 13 gekühlt.
Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, die Ansaugleitungen für beide Zylinderreihen getrennt auszuführen, so daß keine Druck­ durchmischung zwischen den beiden Ansaugleitungen möglich ist und jede Zylinderreihe mit dem von dem zugehörigen Verdichter gelieferten Ladedruck beschickt wird.
Die Abgasleitungen 14, 15 sind für die beiden Zylinderreihen 2, 3 getrennt ausgeführt, so daß jede Turbine 5, 8 mit einem sepa­ raten Abgasgegendruck p3 beaufschlagt wird. Auch hier kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein, eine Verbindung zwischen den beiden Abgasleitungen 14, 15 zu schaffen, um einen Druckaus­ gleich herzustellen.
Beide Abgasturbolader 4, 7 sind mit einer variabel einstellba­ ren Turbinengeometrie ausgestattet, die es ermöglicht, den wirksamen Turbinenquerschnitt zu erweitern bzw. zu reduzieren. Die variable Turbinengeometrie ist im Ausführungsbeispiel als verstellbares Leitgitter 16 an der ersten Turbine 5 bzw. 17 an der zweiten Turbine 8 realisiert, das über ein Stellglieder 18, 19 in die gewünschte Position verstellt werden kann. Die Stell­ glieder 18, 19 werden von Energiequellen 20, 21 mit Stellener­ gie - je nach Typ des Stellglieds Druck oder Spannung - ver­ sorgt. Zur Einstellung der Leitgitter 16, 17 sind die Stell­ glieder 18, 19 über Signalleitungen 22, 23 mit einer Regel­ einheit 24 verbunden, in der Stellsignale St1, St2 erzeugt wer­ den, wobei die Steilsignale St1, St2 für die Stellglieder 18, 19 in Modulatoren 25, 26 in ein den Energiequellen 20, 21 phy­ sikalisch entsprechendes Signal umgewandelt werden.
Die Stellglieder 18, 19 können über eine Kommunikationsleitung 36 unmittelbar miteinander verbunden sein. Über die Kommunika­ tionsleitung 36 wird zweckmäßig ein Signalaustausch vorgenom­ men, um beide Turbinen auf den gleichen wirksamen Turbinenquer­ schnitt einzustellen. Es kann angezeigt sein, den ersten Turbo­ laders 4 als Führungs-Turbolader auszubilden, der auf eine ge­ wünschte Sollgröße eingeregelt wird, und den zweiten Turbolader 7 dem ersten Turbolader 4 nachfolgen zu lassen. Über die Kommu­ nikationsleitung 36 kann ein erster, ungeregelter Abgleich zwi­ schen den Turbinen 5, 8 beider Turbolader vorgenommen werden.
Weiterhin ist eine Abgasrückführungs-Einrichtung 27 vorgesehen, die Rückführleitungen 28, 29 mit Sperrventilen 31, 32 umfaßt, wobei die erste Rückführleitung 28 Abgas der ersten Zylinder­ reihe 2 zum gemeinsamen Ansaugleitungsstrang 12 und entspre­ chend die zweite Rückführleitung 29 Abgas der zweiten Zylinder­ reihe 3 ebenfalls zum gemeinsamen Ansaugleitungsstrang 12 rück­ führt. Die Sperrventile 30, 31 werden von Steilsignalen gesteu­ ert, die über Signalleitungen 32, 33 von der Regeleinheit 24 übertragen werden.
Um beide Zylinderreihen 2, 3 gleichmäßig mit Verbrennungsluft zu versorgen, werden die Turbinen 5, 8 beider Abgasturbolader 4, 7 über ihre Stellglieder 18, 19 mit Hilfe der Steilsignale St1, St2 der Regeleinheit 24 so geregelt, daß sich eine ge­ wünschte Turbinenleistung für die beiden Turbinen 5, 8 und dar­ aus resultierend eine gewünschte Luftbeschickung jeder Zylin­ derreihe 2, 3 einstellt. Zur Regelung werden Zustandsgrößen Z1, Z2 im Eintrittsbereich der Verdichter 6, 9 gemessen und diese einem Bauteil 34 zugeführt, das als Differenzenbilder ausge­ führt ist, in dem als resultierende Zustandsgröße Z die Diffe­ renz der beiden Zustandsgrößen Z1, Z2 ermittelt wird. In dieser Ausführung bildet das Bauteil 34 einen Teil der Regeleinheit 24.
Alternativ kann das Bauteil 34 als Differenz-Meßglied ausgebil­ det sein, mit dem unmittelbar die Differenz der die Zustands­ größen Z1, Z2 repräsentierenden Meßwerte aufgenommen werden kann. Die Differenz wird anschließend als Zustandsgröße Z der Regeleinheit 24 über die Signalleitung 35 zugeleitet.
Als Zustandsgrößen können der Luftmassenstrom am Verdichterein­ tritt, die Drehzahl des Abgasturboladers oder der Druck, der im Eintritt eines Diffusors der Turbine anliegt, gemessen werden.
In der Regeleinheit 24 wird die Zustandsgröße Z zur Erzeugung der Stellsignale St1, St2 aufbereitet. Die Regeleinheit 24 kom­ muniziert mit einem Speicher 37, in dem ein Verdichterkennfeld abgelegt ist. Aus dem Verdichterkennfeld kann in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine die Sollgröße aus­ gelesen und in der Regeleinheit 24 zum Vergleich mit der Zu­ standsgröße Z verarbeitet werden. Insbesondere durch einen ein­ fachen Vergleich der Zustandsgröße mit der Sollgröße, insbeson­ dere mit Sollgröße Null, können Stellsignale St1, St2 für die Stellglieder 18, 19 der variablen Turbinengeometrien erzeugt werden.
Als zusätzliche zu berücksichtigende Größe kann der Regelein­ heit über die Signalleitung 38 der Ladedruck p2s zugeführt wer­ den.
In der Regeleinheit 24 können vorgegebene Verdichter- Betriebsgrenzen berücksichtigt werden, um unzulässig hohe Bela­ stungen zu vermeiden. Durch die Beachtung der Verdichter- Betriebsgrenzen kann außerdem verhindert werden, daß die Posi­ tionen der Turbinenleitgitter der beiden Turbinen zu weit aus­ einanderdriften. Bei einer Differenzregelung kann der nachge­ führte Abgasturbolader 7 so vorgesteuert werden, daß ein maxi­ mal zulässiger Abstand der Betriebspunkte beider Verdichter eingehalten wird.
Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Verdichter 6, der ein Verdichterrad 39 und einen Diffusor 40 aufweist, wel­ cher dazu dient, die vom Verdichterrad beschleunigte Luft mög­ lichst ohne Verluste zu verlangsamen, wodurch Druck und Tempe­ ratur der Luft ansteigen. Im Bereich des Diffusoreintritts 41 ist in einer Gehäusebohrung ein Drucksensor 43 zur Aufnahme des Diffusordrucks angeordnet. Der Diffusordruck wird als Zustands­ größe dem Differenzenbilder zugeführt, in dem durch Differenz­ bildung der Diffusordrücke der beiden Verdichter die Zustands­ größe Z gebildet wird.
Die verdichtete und erwärmte Luft verläßt den Verdichter 6 über den Diffusoraustritt 42.
Das Verfahren und die Vorrichtung können sowohl für den befeu­ erten Betrieb als auch für den Motorbremsbetrieb eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung einer aufgeladenen Brennkraftmaschi­ ne, die zwei Zylinderreihen (2, 3) aufweist, wobei jeder Zylinder­ reihe (2, 3) ein einstellbarer Abgasturbolader (4, 7), beste­ hend aus Verdichter (6, 9) und Turbine (5, 8), zugeordnet ist, die eine Regeleinheit (24) aufweist, in der unter Berücksichti­ gung von den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschrei­ benden Zustandsgrößen (Z, Z1, Z2) ein Stellsignal (St1, St2) zur Einstellung mindestens eines Abgasturboladers (4, 7) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die beiden Abgasturbolader (4, 7) jeweils mittels einer va­ riablen Turbinengeometrie eingestellt werden, wobei ein Stellglied (18, 19) auf die Turbinengeometrie einwirkt,
  • 2. jeweils eine Zustandsgröße (Z, Z1, Z2) im Bereich jedes Ver­ dichters (6, 9) gemessen wird,
  • 3. aus mindestens einer der gemessenen Zustandsgrößen (Z, Z1, Z2) gemäß einem gegebenen Regelgesetz eine Regelgröße gebil­ det wird, die als Stellsignal (St1, St2) mindestens einem der Stellglieder (18, 19) zugeführt wird, um auf die Turbinenge­ ometrie mindestens einer Turbine (5, 8) der Abgasturbolader (4, 7) einzuwirken,
  • 4. zwischen den Stellgliedern (18, 19) Signale zum ungeregelten Abgleich der Turbinengeometrien der Abgasturbolader (4, 7) direkt ausgetauscht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße aus dem Differenzwert von zwei Zustandsgrö­ ßen (Z1, Z2) des ersten und des zweiten Abgasturboladers (4, 7) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzwert auf einen Referenzwert geregelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert gleich Null ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsgrößen (Z1, Z2) die Luftmassenströme durch die Verdichter (6, 9) sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsgrößen (Z, Z1, Z2) die Luftmassenströme an den Verdichtereintritten sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsgrößen (Z, Z1, Z2) die Drehzahlen der Verdich­ ter (6, 9) sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsgrößen (Z, Z1, Z2) die Diffusordrücke im Be­ reich der Eintritte der Diffusoren sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Regelgröße zu vergleichende Sollgröße aus ei­ nem in der Regeleinheit (24, 27) abgespeicherten Verdichter­ kennfeld ausgelesen wird.
10. Vorrichtung zur Regelung einer aufgeladenen Brennkraftma­ schine, insbesondere Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die zwei Zylinderreihen (2, 3) aufweist, wobei jeder Zylinder­ reihe (2, 3) ein einstellbarer Abgasturbolader (4, 7), beste­ hend aus Verdichter (6, 9) und Turbine (5, 8), zugeordnet ist, die eine Regeleinheit (24) aufweist, in der unter Berücksichti­ gung von den Betriebszustand der Brennkraftmaschine kennzeich­ nenden Zustandsgrößen (Z, Z1, Z2) ein Stellsignal (St1, St2) zur Einstellung mindestens eines Abgasturboladers (4, 7) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die Turbinen (5, 8) der beiden Abgasturbolader (4, 7) mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet sind, wobei auf die Turbinengeometrien durch Stellglieder (18, 19) eingewirkt wird,
  • 2. im Bereich der Verdichter (6, 9) Sensoren (43) zur Erzeugung von Meßsignalen angeordnet sind, wobei die Meßsignale die Zustandsgrößen (Z, Z1, Z2) der Brennkraftmaschine repräsen­ tieren,
  • 3. die Sensoren (43) mit der Regeleinheit (24) verbunden sind, die die Meßsignale mit einer Sollgröße vergleicht, daraus ein Stellsignal (St1, St2) ableitet und an mindestens eines der Stellglieder (18, 19) ausgibt, um auf die Turbinengeo­ metrie mindestens eines Abgasturboladers (4, 7) einzuwirken,
  • 4. die Stellglieder (18, 19) durch eine Kommunikationsleitung (36) direkt miteinander verbunden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Eintritts (41) eines Diffusors (40) des Ver­ dichters (6, 9) ein Drucksensor (43) zur Aufnahme des Diffu­ sordrucks vorgesehen ist.
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