DE19955256A1 - Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Radialverdichter aus, der von einer Abgasturbine mit einem verstellbaren Leitapparat angetrieben wird, dessen Strömungsquerschnitte mit abnehmendem Abgasvolumenstrom verkleinert werden. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die Leistung der Abgasturbine zusätzlich zum abnehmenden Abgasvolumenstrom kurzfristig verringert und/oder der Abfall der Drehzahl der Brennkraftmaschine kurzfristig verzögert wird, wenn eine Geschwindigkeit einer Rücknahme eines Gaspedals einen kritischen Wert überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aufge­ ladenen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader werden sowohl für selbstzündende Hubkolben­ brennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung als auch fremdgezün­ dete Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung oder Quantitätsregelung eingesetzt, um die Leistung zu steigern oder die Abgasqualität zu verbessern, indem durch komprimierte Luft die Zylinderladung verbessert und die Expansionsenergie der Verbrennungsgase vermehrt genutzt wird.

Abgasturbolader sind bewährte Hilfsaggregate mit einem einfa­ chen Aufbau und einer langen Lebensdauer. Sie bestehen in der Regel aus einer Abgasturbine mit einer konstanten Schaufelgeo­ metrie, die einen Radialverdichter antreibt. Während die Abga­ sturbine als Strömungsmaschine gut mit dem Radialverdichter zusammenarbeitet, zeigen beide Aggregate als Abgasturbolader ein anderes Betriebsverhalten als die Hubkolbenbrennkraftma­ schine, das nur schwer an die Bedürfnisse der Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine anzupassen ist. Legt man den Abgasturbolader für den Vollastbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, ist der Förderdruck im Vollast-Niederdrehzahlbereich aufgrund des verringerten Abgasvolumenstroms und der reduzierten Gasge­ schwindigkeit durch die Abgasturbine unzureichend. Legt man dagegen den Abgasturbolader für den Vollast-Niedrigdrehzahl­ bereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, ist das Fördervo­ lumen im Vollastbereich zu hoch, so daß die zu hohe Abgasmenge über ein Bypassventil abgeführt werden muß, um den gewünschten Ladedruck zu erhalten. Dies hat erhebliche Wirkungsgradverlu­ ste zur Folge.

Es ist bekannt, den Radialverdichter im Vollast-Niedrigdreh­ zahlbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine zusätzlich zur Ab­ gasturbine mechanisch durch einen Elektromotor oder eine Ga­ sturbine anzutreiben oder die Abgasturbine zusätzlich mit den Brenngasen einer Brennkammer zu beaufschlagen. Diese Lösungen erfordern einen großen Bauaufwand und Regelungsbedarf.

Zur "Entschärfung" des oben dargestellten Zielkonflikts werden Abgasturbolader mit einer variablen Schaufelgeometrie einge­ setzt. Die EP 0 598 174 A1 beschreibt einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, dessen Abgasturbine ein Laufrad hat, das von einem mindestens teilweise diagonal durchströmten Leitapparat mit einem spiralförmigen Leitkanal umgeben ist. Dieser besitzt einen ringdüsenförmigen Mündungsbereich, in dem ein variables Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet ist. Bei Vollast der Brennkraftmaschine sind die Strömungsquerschnitte des Leitgitters vollständig geöffnet, während für einen Teil­ lastbetrieb oder Vollast-Niedrigdrehzahl der Brennkraftmaschi­ ne die Strömungskanäle des Leitgitters durch Verdrehen eines Teils des Leitgitters teilweise abgeriegelt sind. Durch diese Maßnahmen kann im Teillastbereich oder Vollast-Niedrigdrehzahl der Brennkraftmaschine die Drehzahl der Abgasturbine trotz des verringerten Volumenstroms auf einem hohen Niveau gehalten werden und somit das verfügbare Kennfeld auf der Seite der Ab­ gasturbine des Abgasturboladers verbreitert werden. Allerdings bleibt das Kennfeld des Radialverdichters prinzipiell unverän­ dert.

Um den Vorteil auf der Abgasturbinenseite möglichst gut nutzen zu können, ist es erforderlich, bis an die Grenzen des Kenn­ felds des Radialverdichters zu gehen, die durch die Maximal­ drehzahl, die Stopf- und die Pumpgrenze bestimmt sind. Unter "Pumpen" bei Radialverdichtern versteht man ein Rückströmen des komprimierten gasförmigen Mediums aufgrund einer Strö­ mungsablösung im Verdichterrad aus einem Speichervolumen auf der Druckseite des Radialverdichters, wenn der Volumenstrom durch den Radialverdichter soweit abfällt, daß der Radialver­ dichter den erforderlichen Förderdruck gegen den Speicherdruck nicht mehr erzeugen kann. Ist der Druck auf der Druckseite des Radialverdichters durch die Rückströmung soweit abgefallen, daß der Radialverdichter wieder einen entsprechenden Förder­ druck liefert, setzt die Förderung in Förderrichtung wieder ein, bis sich der Speicher wieder aufgeladen hat und sich der Pumpvorgang wiederholt. Das "Pumpen" führt zu hohen mechani­ schen Belastungen des Abgasturboladers und ist mit einem für den Fahrer störenden Geräusch verbunden.

Stärker noch als von den maximal erreichbaren Werten für Drehmoment und Leistung wird der Fahrleistungseindruck eines Kraftfahrzeugs von der Spontanität der Reaktion auf Gaspedal­ bewegungen und - vor allem bei aufgeladenen Brennkraftmaschi­ nen - vom Drehmomentaufbau bei Beschleunigung aus niedrigen Drehzahlen geprägt. Da die Geschwindigkeit des Drehmomentauf­ baus davon abhängt, wie schnell der Ladedruck aufgebaut wird, können hierfür Abgasturbolader mit einer variablen Schaufel­ geometrie auf der Abgasturbinenseite vorteilhaft eingesetzt werden, indem die Leitschaufeln am Beginn eines Beschleuni­ gungsvorgangs aus dem Teillastbereich weitgehend geschlossen werden, so daß die Abgasturbine sehr stark beschleunigt.

Obwohl ein ausreichender Abstand zur Pumpgrenze des Radialver­ dichters im stationären Betrieb eingehalten wird, können in­ stationär kurzzeitig Pumpvorgänge auftreten. Diese Gefahr be­ steht insbesondere, wenn der Fahrer des Kraftfahrzeugs aus ei­ nem Fahrzustand mit einem hohen Verdichterdruckverhältnis und mittleren bis niedrigen Motordrehzahlen schnell das Gaspedal zurücknimmt und die Drehzahl der Brennkraftmaschine, z. B. bei Fahrzeugen mit hydrodynamischen Kupplungen, bzw. Wandlern oder bei Schaltungen mit Zugkraftunterbrechung, schnell sinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpen des Ra­ dialverdichters auch bei einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine zu vermeiden, ohne im stationären Betrieb einen größeren Abstand von der Pumpgrenze in Kauf nehmen zu müssen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wenn der Fahrer eines Fahrzeugs sehr schnell das Gaspedal zu­ rücknimmt, besteht die Möglichkeit, daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine stark abfällt. Während mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine das Schluckvermögen der Brennkraftmaschine schnell sinkt, dreht sich der Abgasturbolader aufgrund der Massenträgheit seiner rotierenden Teile noch mit hoher Dreh­ zahl. Kurzzeitig steigt dadurch der Druck in der Ladeluftlei­ tung und damit das Verdichterdruckverhältnis über den Soll­ wert, so daß die Pumpgrenze überschritten wird. Solche Ver­ hältnisse treten insbesondere bei Fahrzeugen mit Automatge­ trieben und einem hydrodynamischen Wandler auf oder, wenn die Gasrücknahme mit einer Schaltung mit Zugkraftunterbrechung verbunden ist. Dies um so mehr, wenn kurz zuvor während einer Beschleunigungsphase die Strömungsquerschnitte des Leitappa­ rats der Abgasturbine zur Beschleunigung der Abgasturbine ver­ kleinert wurden.

Nach der Erfindung wird die Leistung der Abgasturbine zusätz­ lich zum abnehmenden Abgasvolumenstrom bei Rücknahme des Gas­ pedals kurzfristig verringert und/oder der Abfall der Drehzahl der Brennkraftmaschine kurzfristig verzögert, wenn die Ge­ schwindigkeit der Rücknahme eines Gaspedals einen kritischen Wert überschreitet. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch geschehen, daß die Strömungsquerschnitte des Leitapparats kurzfristig verstärkt geöffnet werden, und/oder daß bei einer überkritischen Rücknahme des Gaspedals die eingespritzte Kraftstoffmenge verzögert verringert wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dafür gesorgt, daß zum einen die Drehzahl der Abgasturbine reduziert wird, indem die Strömungsquerschnitte des Leitapparats kurzfristig vergrö­ ßert werden und/oder zum anderen, daß das Schluckvolumen der Brennkraftmaschine kurz vor Erreichen des kritischen Druckver­ hältnisses nur langsam reduziert wird. Nach kurzer Zeit werden die Strömungsquerschnitte des Leitapparats der Abgasturbine wieder auf den Sollwert geschlossen, um ein gutes Anbinden an einen anschließenden Beschleunigungsvorgang, z. B. nach einem Schaltvorgang, zu gewährleisten. Dadurch wird das Fördervolu­ men des Abgasturboladers und/oder das Schluckvolumen der Brennkraftmaschine schnell und wirkungsvoll aufeinander abge­ stimmt.

Wird bei einer überkritischen Rücknahme des Gaspedals die ein­ gespritzte Kraftstoffmenge verzögert verringert, kann der Ein­ druck entstehen, daß das Fahrzeug bei Rücknahme des Gaspedals nachschiebt. Es ist daher vorteilhaft, die Einspritzmenge als Reaktion auf die Gaspedalbewegung zunächst um einen Teilbetrag sehr schnell zu reduzieren, damit der Fahrer eine eindeutige Verzögerungsreaktion spürt, und anschließend verlangsamt abzu­ senken.

Da sich bei einem Fahrzeug ohne hydrodynamische Antriebsein­ heit die Drehzahl der Brennkraftmaschine bei einer Gasrücknah­ me nur ändern kann, wenn die Zugkraft unterbrochen ist oder das Fahrzeug stark verzögert, ist es zweckmäßig, die vorgese­ hen Maßnahmen von diesen Parametern abhängig zu machen, um un­ nötige Regelvorgänge zu vermeiden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Hubkolbenbrennkraftma­ schine mit einem Abgasturbolader und

Fig. 2 ein Diagramm, in dem Veränderungen einiger Parameter über der Zeit dargestellt sind.

Ein Radialverdichter 6, der von einer Abgasturbine 8 angetrie­ ben wird, saugt über eine Ansaugleitung 5 Luft aus der Umge­ bung an und fördert die verdichtete Luft über eine Ladeluft­ leitung 4 und einen Ladeluftkühler 7 sowie Ansaugstutzen 3 zu einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 1. Diese besitzt mehrere Zy­ linder 2, in die Kraftstoff mittels einer Kraftstoffeinspritz­ vorrichtung 14 über eine Druckleitung 16 und Einspritzventile 17 eingespritzt wird. Die während der Verbrennung der Zylin­ derladung entstehenden Abgase gelangen über Abgaskrümmer 11 und eine Abgasleitung 10 zur Abgasturbine 8. Diese besitzt ei­ nen Leitapparat 9 mit einer variablen Schaufelgeometrie, des­ sen Strömungsquerschnitte mittels eines nicht dargestellten VNT-Stellers (Variable Nozzle Turbine) verändert werden kön­ nen.

Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 treibt über eine Kupplung 18 ein Getriebe 19 an, das mit Zugkraftunterbrechung schaltbar ist und über eine Abtriebswelle 20 ein nicht näher dargestell­ tes Fahrzeug antreibt. Zur Steuerung und Regelung der Hubkol­ benbrennkraftmaschine 1 ist eine elektronische Steuereinheit 13 vorgesehen, die über Signalleitungen 15 mit der Kraftstoff­ einspritzvorrichtung 14, der Kupplung 18, dem Leitapparat 9, der Abgasturbine 8 und einem Gaspedal 12 verbunden ist. Das Gaspedal 12 wird von einem Fahrer betätigt. Sein Positionswin­ kel ϕ entspricht in erster Näherung der Einspritzmenge des Kraftstoffs, die durch die Steuereinheit 13 bestimmt wird.

Beim Schalten des Getriebes 19 wird die Zugkraft unterbrochen, indem die Kupplung 18 vom Fahrer oder automatisch geöffnet wird. Gleichzeitig wird das Gaspedal 12 zurückgenommen, so daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 stark abfällt. Entspre­ chend der Drehzahl verringert sich das Schluckvermögen der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1, d. h. die Luftmenge, die von der Ladeluftleitung 4 durch die Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 in die Abgasleitung 10 gelangt. Dadurch reduziert sich ebenfalls die Abgasmenge auf der Auslaßseite der Hubkolbenbrennkraftma­ schine 1 und die Antriebsleistung der Abgasturbine 8. Aller­ dings durch die Massenträgheit der rotierenden Teile des Abga­ sturboladers, bestehend aus der Abgasturbine 8 und dem Radial­ verdichter 6, dreht sich dieser noch eine Weile mit hoher Drehzahl. Da aus der Ladeluftleitung 4 relativ wenig Luft ent­ nommen wird, steigt der Druck in der Ladeluftleitung 4 und da­ mit das Verdichterdruckverhältnis stark an, d. h. das Verhält­ nis des Drucks in der Ladeluftleitung 4 zum Druck in der An­ saugleitung 5, so daß die Pumpgrenze überschritten wird. Dies könnte dadurch vermieden werden, daß ein größerer Auslegungs­ abstand zur stationären Pumpgrenze gewählt würde, was aller­ dings zu einer Einbuße an maximalem Ladedruck und damit an Drehmoment bei kleinen Drehzahlen der Hubkolbenbrennkraftma­ schine 1 führt.

Nach der Erfindung wird das Überschreiten der Pumpgrenze da­ durch vermieden, daß bei einer schnellen Rücknahme des Gaspe­ dals 12 durch die Steuereinheit 13 die Einspritzmenge des Kraftstoffs und damit der Drehzahlabfall der Brennkraftmaschi­ ne kurzfristig verzögert wird. Dadurch erhöht sich das Schluckvolumen der Brennkraftmaschine 1 und damit der Volumen­ strom durch den Radialverdichter 6, so daß das Pumpen vermie­ den wird.

Um den Eindruck zu vermeiden, daß das Fahrzeug noch nach­ schiebt, wenn der Fahrer das Gaspedal 12 schnell zurücknimmt, kann zunächst ein Teilbetrag der Einspritzmenge schnell redu­ ziert werden, damit der Fahrer eine eindeutige Verzögerungsre­ aktion spürt und anschließend verlangsamt abgesenkt werden. Ferner besteht nach der Erfindung die Möglichkeit, die Lei­ stung der Abgasturbine 8 kurzzeitig zu reduzieren, indem die Strömungsquerschnitte des Leitapparats 9 vermehrt geöffnet werden, damit die Abgasturbine 8 schneller in ihrer Drehzahl sinkt und der Radialverdichter 6 einen geringeren Volumenstrom fördert. Nach kurzer Zeit werden dann die Strömungsquerschnit­ te des Leitapparats wieder auf den Sollwert geschlossen, um ein gutes Anbinden bei einem anschließenden Beschleunigungs­ vorgang zu gewährleisten. Es können auch beide Maßnahmen kom­ biniert angewendet werden, so daß sowohl die Leistung der Ab­ gasturbine 8 kurzfristig verringert als auch der Abfall der Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 kurzfristig verzö­ gert wird, wenn die Geschwindigkeit einer Rücknahme des Gaspe­ dals 12 einen kritischen Wert übersteigt.

Da sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 bei einem Fahr­ zeug nur verringern kann, wenn die Zugkraft unterbrochen ist, das Fahrzeug stark abgebremst wird oder ein hydrodynamisches Antriebselement, eine hydrodynamische Kupplung oder ein Wand­ ler eine Drehzahlabsenkung zulassen, ist es zweckmäßig, diese Parameter im erfindungsgemäßen Verfahren im Zusammenhang mit der Gasrücknahme zu berücksichtigen.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf einiger Parameter. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden s aufgetragen, während als Koordinate entsprechend den Parametern geeignete Einheiten aufgetragen sind. Die durchgezogenen Linien stellen den übli­ chen Verlauf dar, während die gestrichelten Linien eine opti­ mierte Auslegung darstellen. So zeigt eine Kurve 21 die norma­ le Reduzierung der Einspritzmenge bei einer schnellen Rücknah­ me des Gaspedals 12, während die Kurve 22 deutlich macht, daß die Einspritzmenge zunächst über einen Teilbereich schnell ab­ fällt und anschließend verlangsamt abgesenkt wird. Die dazuge­ hörigen Kurven 23 und 24, die den Luftmassenstrom durch den Radialverdichter 6 zeigen, machen deutlich, daß im Normalfall bei einer schnellen Reduzierung der Einspritzmenge der Luft­ massenstrom stark abfällt und dann schwankt, d. h. der Radial­ verdichter "pumpt", während die Kurve 24 auf ein stabiles Ver­ halten schließen läßt. Die Kurve 25 und 26 zeigen das Tastver­ hältnis des VNT-Stellers des Leitapparats 9. Die Kurve 26 zeigt, daß der Leitapparat 9 bei einer kritischen Rücknahme des Gaspedals 12 gegenüber der Kurve 25 deutlich mehr geöffnet wird, mit der Folge, daß der Druck in der Ladeluftleitung 4 nach der Kurve 28 deutlich unter dem Druck nach der Kurve 27 liegt und damit ebenfalls das Pumpen des Radialverdichters 6 vermieden wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Radialverdichter, der von ei­ ner Abgasturbine mit einem verstellbaren Leitapparat angetrie­ ben wird, dessen Strömungsquerschnitte mit abnehmendem Abgas­ volumenstrom verkleinert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Abgasturbine (8) zusätzlich zum abnehmenden Abgasvolumenstrom kurzfristig verringert und/oder der Abfall der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) kurzfristig verzögert wird, wenn eine Geschwindigkeit einer Rücknahme eines Gaspe­ dals (12) einen kritischen Wert überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsquerschnitte des Leitapparats (9) kurzfristig ver­ stärkt geöffnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer überkritischen Rücknahme des Gaspedals (12) die Einspritzmenge des Kraftstoffs als Reaktion auf die Gaspedal­ bewegung (12) verzögert verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge des Kraftstoffs als Reaktion auf die Gaspedal­ bewegung zunächst um einen Teilbetrag schnell reduziert und anschließend verlangsamt abgesenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fahrzeug ein Getriebe aufweist, das mit Zug­ kraftunterbrechung schaltet, und daß die vorgesehenen Maßnah­ men nur durchgeführt werden, wenn die Geschwindigkeit der Rücknahme des Gaspedals während einer Zugkraftunterbrechung und/oder einer vorgegebenen Fahrzeugverzögerung einen überkri­ tischen Wert überschreitet.