DE19901069A1 - Brennkraftmaschine mit ansteuerbarer Ladeluft-Förderleistungseinstelleinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren parallelen Abgasturboladern, die jeweils eine ansteuerbare Förderleistungs-Einstelleinheit zur variablen Einstellung der Ladeluft-Förderleistung umfassen. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind Mittel zur Fehlfunktionsüberwachung jeder einzelnen Förderleistungs-Einstelleinheit vorgesehen, die bei erkannter Fehlfunktion einer jeweiligen Förderleistungs-Einstelleinheit eine entsprechende Fehlfunktionsinformation abgeben. DOLLAR A Verwendung z. B. für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren parallelen Abgasturboladern, die jeweils eine ansteuer­ bare Förderleistungs-Einstelleinheit zur variablen Einstellung der Ladeluft-Förderleistung umfassen. Derartige Abgasturbolader, bei denen die Ladeluft-Förderleistung variiert werden kann, er­ möglichen es, den Wirkungsgrad des Turboladers an den Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine anzupassen und damit das Ansprech­ verhalten, den Verbrauch sowie die Emissionen der Brennkraftma­ schine zu optimieren.

Aus der DE 39 42 499 A1 ist es bekannt, den Luftdurchsatz einer zwei parallelen Abgasturboladern nachgeordneten, gemeinsamen Saugluftleitung eines Verbrennungsmotors mittels elektrischen Ventilen zu steuern, um die Turboladerleistung optimal an den Motorbetriebszustand anzupassen.

In der DE 195 31 871 C1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, dessen Turbine einen Turbinenleit­ apparat aufweist, über den die Anströmrichtung der Abgase auf die Turbinenschaufeln sowie der Anströmquerschnitt selbst vari­ iert werden können. Der Turbinenleitapparat ist durch einen Stellmotor verstellbar, zu dessen Betrieb eine Steuereinheit vorgesehen ist. Die Steuereinheit mit Stellmotor gestattet durch Verstellen des Turbinenleitapparats eine Regelung des mittels eines Drucksensors erfaßten aktuellen Ladedrucks. Dies ermög­ licht das Einregeln von Ladedrucksollwerten, die einem von Mo­ tordrehzahl und Einspritzmenge abhängigen, günstigen Ladedruck­ kennfeld entsprechen.

In der DE 195 47 994 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei pa­ rallel wirkenden Abgasturboladern offenbart, die Frischluft in eine gemeinsame oder alternativ in zwei separate Sauganlagen für zwei Zylinderbänke der Brennkraftmaschine fördern. Eine ähnliche Anordnung mit zwei parallelen Turboladern für separate Saugtrak­ te ist in der DE 38 32 965 A1 offenbart, wobei dort mittels ei­ nes Drucksensors und eines Differenzdrucksensors oder mittels eines einzigen, wahlweise auf je einen der beiden Saugtrakte schaltbaren Drucksensors die Drücke in den Saugtrakten erfaßt werden und so auf gleiche Druckwerte geregelt werden können.

Bei den herkömmlichen Anordnungen mit zwei parallelen, in eine gemeinsame Saugleitung fördernden Turboladern kann mit einer herkömmlichen Ladedruckregelung nur gewährleistet werden, daß der gewünschte Ladedruck erreicht wird, es kann jedoch nicht festgestellt werden, mit welcher Gewichtung die beiden Turbola­ der zum Aufbau des Ladedrucks beitragen. Im Normalbetrieb kann bei bezüglich der Luftführung symmetrischem Motoraufbau und gleichen Abgasanströmwinkeln der beiden Turbolader von gleichen Beiträgen beider Lader ausgegangen werden. Tritt jedoch eine elektrische oder mechanische Störung an der Förderleistungs-Ein­ stelleinheit eines oder beider Lader auf, so kann dies bei ins­ gesamt stimmender Fördermenge zu stark ungleichmäßigen Förder­ leistungen der beiden Lader führen, was von der Ladedruckregelung nicht erkannt wird und zu einem Fehlverhalten führt, das eine me­ chanische Zerstörung eines oder beider Lader verursachen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren parallelen Abgasturboladern der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Turboladerfunktion effektiv über­ wacht werden kann, um dadurch z. B. eine sehr genau applizierbare Ladedruckregelung realisieren zu können und dennoch einen nur ge­ ringen Sicherheitsabstand zur Abgasturbolader-Pumpgrenze einhal­ ten zu müssen.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 durch eine Brennkraftmaschi­ ne gelöst, in der Mittel zur Funktionsüberwachung jeder einzel­ nen Förderleistungs-Einstelleinheit des jeweiligen Abgasturbola­ ders vorgesehen sind, die bei erkannter Fehlfunktion einer je­ weiligen Förderleistungs-Einstelleinheit eine entsprechende Fehlfunktionsinformation abgeben. Dies gewährleistet eine zuver­ lässige und individuelle Funktionsüberwachung des bzw. der Tur­ bolader.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 weist die Brenn­ kraftmaschine wenigstens zwei parallele Abgasturbolader auf, deren Ladeluftaustrittsseiten zu einem gemeinsamen Saugrohrab­ schnitt der Brennkraftmaschine geführt sind und denen ein Lade­ druck-Regelkreis mit einem den Ladedruck im gemeinsamen Saug­ rohrabschnitt erfassenden Sensor zugeordnet ist. Des weiteren ist ein die Förderleistungs-Einstelleinheiten in Abhängigkeit von Ladedrucksensor-Ausgangssignal ansteuernder Ladedruckregler zur Einregelung vorgebbarer Ladedrucksollwerte vorgesehen. Auf diese Weise wird ein ladedruckgeregeltes Abgasturboladersystem geschaffen, das trotz der Förderung von Ladeluft durch mehrere parallele Lader in ein gemeinsames Saugrohrsystem eine Funkti­ onsüberwachung eines jeden einzelnen Abgasturboladers vorsieht.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 wird die Fehl­ funktionsinformation von den Mitteln zur Fehlfunktionsüberwa­ chung als Signal auf einen Datenbus oder als periodisches Masse­ tastungssignal auf eine elektrische. Steuerleitung gegeben, über welche in umgekehrter Richtung die Ansteuersignale für die För­ derleistungs-Einstelleinheit übertragen werden. Auf diese Weise wird eine einfache Möglichkeit zur Übertragung von Fehlfunktions­ informationen geschaffen.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 weist der jewei­ lige Abgasturbolader eine Vorrichtung zur Verstellung des An­ strömwinkels für den Abgasstrom an den Turbinenschaufeln auf. Zudem ist der jeweiligen Förderleistungs-Einstelleinheit eine Anströmwinkelregeleinheit für die Turbinenschaufeln zugeordnet, und die Mittel zur Fehlfunktionsüberwachung sind so ausgelegt, daß sie feststellen, ob die Anströmwinkelregeleinheit für die Turbinenschaufeln den Anströmwinkel innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer auf einen vorgebbaren Sollwert einregelt, und daß sie die Fehlfunktionsinformation abgeben, wenn dies nicht der Fall ist.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 beinhalten die Mittel zur Fehlfunktionsüberwachung einen Luftmassensensor zur Erfassung der vom jeweiligen Abgasturbolader geförderten Luft­ masse und geben die Fehlfunktionsinformationen ab, wenn die ge­ messene Ladeluftmasse bleibend um mehr als ein vorgebbares Maß von einem vorgebbaren Ladeluftmassen-Sollwert abweicht.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 beinhalten die Mittel zur Fehlfunktionsüberwachung einen Differenzdrucksensor zur Erfassung der Ladedruckdifferenz zwischen mindestens zwei der mehreren parallelen Abgasturbolader und geben die Fehlfunk­ tionsinformation ab, wenn die gemessene Druckdifferenz größer als ein vorgebbarer Druckdifferenz-Schwellwert ist.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Brenn­ kraftmaschine mit zwei parallelen Abgasturboladern.

In der Figur sind eine linke und eine rechte Zylinderbank 1, 2 einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, die über ein gemeinsames Saugluftleitungssystem 3, dem ein Ladeluftkühler 4 zugeordnet ist, mit Saugluft versorgt werden. Das Saugluftlei­ tungssystem 3 wird über zwei parallele Abgasturbolader 5, 6 mit komprimierter Frischluft gespeist, die über Abgasturbinen durch das in Abgasleitungen 7 strömende Abgas der jeweiligen Zylinder­ bank 1, 2 angetrieben werden.

Um den Ladedruck im Saugluftleitungssystem 3 auf einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine günstigen Wert im Motorkennfeld einzuregeln, sind für die Abgasturbinen jeweils mechanische Ver­ stellvorrichtungen 8, 9 vorgesehen, die zum Einstellen des An­ strömwinkels des Abgases an die Turbinenschaufeln dienen und so­ mit ein Einstellen der Ladeluft-Förderleistung gestatten. Jeder mechanischen Verstellvorrichtung 8, 9 ist zur Realisierung eines Turbinenschaufeln-Lageregelkreises eine vorzugsweise in ein zen­ trales Motorsteuergerät integrierte Anströmwinkelregeleinheit 10, 11 für die Turbinenschaufeln zugeordnet, welche die jeweili­ ge Verstellvorrichtung 8, 9 zur Einstellung eines Schaufellage- Sollwertes ansteuert, der von einem im Motorsteuergerät imple­ mentierten, überlagerten Ladedruckregler 12 ermittelt und der jeweiligen Anströmwinkelregeleinheit 10, 11 über Steuerleitungen 14, 15 als Stellgröße zugeführt wird, vorzugsweise in Form eines pulsweitenmodulierten Signals. Der Ladedruck wird mittels eines Ladedrucksensors 13 im Saugleitungssystem 3 erfaßt und dem Lade­ druckregler 12 als Rückführgröße zugeführt.

Zur Fehlfunktionsüberwachung der beiden Turbolader 5, 6 ist für den oben beschriebenen Aufbau mit den Förderleistungs-Einstell­ einheiten in Form der Turbinenschaufel-Lageregelkreise mit den Anströmwinkelregeleinheiten und den davon elektrisch angesteuer­ ten, mechanischen Schaufelverstellvorrichtungen eine Fehlerrück­ meldung von den Lageregelkreisen vorgesehen, vorzugsweise zum den Ladedruckregler 12 enthaltenden Motorsteuergerät. In den Lageregelkreisen beinhaltet diese Funktionsrückmeldung Mittel zur Erkennung, ob die gewünschte Turbinenschaufellage vom be­ treffenden Lageregelkreis innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums eingeregelt werden kann. Wenn dies nicht der Fall ist, wird auf einen vorliegenden Fehler geschlossen und eine entsprechende Fehlerinformation abgegeben.

Zur Reduzierung des Verkabelungsaufwandes erfolgt diese Fehler­ rückmeldung im vorliegenden Beispiel als auf der zugehörigen Steuerleitung 14, 15 rückgemeldetes Fehlfunktionssignal. Zu die­ sem Zweck sind die Steuerleitungen 14, 15 geeignet auf bidirek­ tionale Signalübertragung ausgelegt. Eine bevorzugte Vorgehens­ weise besteht darin, die Fehlerinformation durch Massetastung der betreffenden Steuerleitung 14, 15 im Lageregelkreis 8, 10 bzw. 9, 11 über selbige zu übertragen, so daß sie von den puls­ weitenmodulierten Stellgrößensignalen vom Ladedruckregler 12 zum jeweiligen Lageregelkreis unterscheidbar ist. Zur Unterscheidung der rückgemeldeten Fehlerinformation von Störungen auf den Steu­ erleitungen 14, 15, die standardmäßig überwacht werden, wie bei­ spielsweise Leitungskurzschlüsse oder Leitungsunterbrechungen, wird die Fehlerinformation durch periodische Massetastung in charakteristischen Zeitabständen von z. B. 100 ms bis 500 ms über­ tragen.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist eine Verbindung des Ladedruckreglers 12 und der Anströmwinkelregel­ einheit 10 bzw. 11 miteinander über ein CAN-Bussystem vorgese­ hen. Sowohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel als auch in diesem Fall kann ein erweitertes Datenübertragungsproto­ koll definiert werden, um eine Übertragung von weitergehenden Diagnoseinformationen von den jeweiligen Anströmwinkelregelein­ heiten 10, 11 zum Motorsteuergerät zu ermöglichen.

Bei einer weiteren modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Funktion jedes Abgasturboladers, speziell einer Förderleistungs-Einstelleinheit, mittels zusätzlicher Sen­ sorik zu überwachen, z. B. mittels Luftmassensensoren, wie Heiß­ luftmassensensoren zur Bestimmung der von jedem Lader 5, 6 ge­ förderten Luftmasse. Alternativ kann ein Differenzdrucksensor vorgesehen sein, mit dem der Differenzdruck vor den beiden La­ dern 5, 6 überwacht wird.

In allen Fällen ist es für die Erfindung charakteristisch, daß Mittel zur individuellen Fehlfunktionsüberwachung jeder einzel­ nen Förderleistungs-Einstelleinheit von vorzugsweise mehreren parallelen Abgasturboladern vorgesehen sind, die bei erkannter Fehlfunktion einer jeweiligen Förderleistungs-Einstelleinheit eine entsprechende Fehlfunktionsinformation abgeben. Damit kön­ nen entsprechende Fehlfunktionen einer von mehreren parallelen Förderleistungs-Einstelleinheiten auch dann erkannt werden, wenn insgesamt die gewünschte Gesamtförderleistung von mehreren pa­ rallelen Turboladern trotzdem noch bereitgestellt wird.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren parallelen Ab­ gasturboladern (5, 6), die jeweils eine ansteuerbare Förderlei­ stungs-Einstelleinheit (8, 9) zur variablen Einstellung der Ladeluft-Förderleistung umfassen, gekennzeichnet durch Mittel (10, 11) zur individuellen Fehlfunktionsüberwachung jeder einzelnen Förderleistungs-Einstelleinheit (8, 9), die bei er­ kannter Fehlfunktion einer jeweiligen Förderleistungs-Einstell­ einheit (8, 9) eine entsprechende Fehlfunktionsinformation abge­ ben.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - wenigstens zwei parallele Abgasturbolader (5, 6) deren Lade­ luftaustrittsseiten zu einem gemeinsamen Saugrohrabschnitt (3) der Brennkraftmaschine geführt sind,
• - einen Ladedruck-Regelkreis mit einem den Ladedruck im gemeinsa­ men Saugrohrabschnitt erfassenden Sensor (13) und
• - einen die Förderleistungs-Einstelleinheiten (8, 9) in Abhängig­ keit vom Ladedrucksensor-Ausgangssignal ansteuernden Ladedruck­ regler (12) zur Einregelung vorgebbarer Ladedrucksollwerte.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlfunktionsinformation von den Mitteln (10, 11) zur Fehl­ funktionsüberwachung als Signal auf einen Datenbus oder als pe­ riodisches Massetastungssignal auf eine elektrische Steuerlei­ tung (14, 15) gegeben wird, über welche in umgekehrter Richtung die Ansteuersignale für die Förderleistungs-Einstelleinheit (8, 9) übertragen werden.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die jeweilige Förderleistungs-Einstelleinheit (8, 9) eine Ver­ stellvorrichtung zur Verstellung des Anströmwinkels für den Ab­ gasstrom an den Turbinenschaufeln und eine Anströmwinkelregel­ einheit für die Turbinenschaufeln aufweist und
• - die Mittel (10, 11) zur Fehlfunktionsüberwachung so ausgelegt sind, daß sie feststellen, ob die Anströmwinkelregeleinheit mittels der Verstellvorrichtung den Anströmwinkel innerhalb ei­ ner vorgebbaren Zeitdauer auf einen vorgebbaren Sollwert ein­ regelt, und daß sie die Fehlfunktionsinformation abgeben, wenn dies nicht der Fall ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (10, 11) zur Fehlfunktionsüberwachung einen Luft­ massensensor zur Erfassung der vom jeweiligen Abgasturbolader (5, 6) geförderten Ladeluftmasse beinhalten und die Fehlfunk­ tionsinformation abgeben, wenn die gemessene Ladeluftmasse blei­ bend um mehr als ein vorgebbares Maß von einem vorgebbaren Lade­ luftmassen-Sollwert abweicht.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (10, 11) zur Fehlfunktionsüberwachung einen Diffe­ renzdrucksensor zur Erfassung der Ladedruckdifferenz zwischen mindestens zwei der mehreren parallelen Abgasturbolader beinhal­ ten und die Fehlfunktionsinformation abgeben, wenn die gemessene Druckdifferenz größer als ein vorgebbarer Druckdifferenz-Schwell­ wert ist.