DE3900034C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Steuerung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 31 35 691 A1 bekannt.

In der DE 34 38 176 A1 ist ein Regelkreis für die Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine beschrieben.

Die "Service-Fibel für Gemischaufbereitung, Band 4, 1982" betrifft einen Motor mit variabler Kraftstoffeinspritzung mit elektronischen Regelsystemen für den Anschluß weiterer elektronischer Regelkreise.

Ein Beispiel eines bekannten Dieselmotors, der mit einem Vorverdichter ausgerüstet ist, ist in Verbindung mit Fig. 3 erläutert. Die durch einen Verdichter 07 des Vorverdichters komprimierte Luft wird über ein Ansaugrohr einem Abgaskanal bzw. -block 09 zugeführt und strömt dann von dem Abgasblock 09 in einen Zylinder 01.

Im Zylinder 01 wird Luft durch einen Kolben komprimiert und Kraftstoff wird über ein Kraftstoffeinspritzventil 02 in den Zylinder eingespritzt, so daß der Kraftstoff und die Luft in dem Zylinder gezündet und zur Explosion gebracht werden. Mit 10 ist eine Kraftstoffeinspritzpumpe bezeichnet. Das durch die Verbrennung erzeugte Abgas wird über einen Speicher bzw. Puffer 03 für konstanten Druck und eine Düse 04 einer Turbine 05 des Vorverdichters bzw. Ladegerätes zugeführt, so daß die Turbine 05 angetrieben wird, um den Verdichter 07 konzentrisch zur Turbine 05 in Drehung zu versetzen.

Die bekannte Brennkraftmaschine zeigt die nachfolgend beschriebenen Probleme auf.

Da ein Düsenabschnitt der Turbine 05 des Vorverdichters bzw. Ladegeräts nicht änderbar ist, ist bei der bekannten Brennkraftmaschine die Strömungscharakteristik nur auf eine einzige Weise festzulegen und der Betriebsbereich der Maschine kann nicht geändert werden. Die Brennkrafteinspritzpumpe 10 hat außerdem eine festgelegte Einspritzzeitsteuerung und dementsprechend kann die Zykluseigenschaft im Zylinder nicht geändert werden.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden beiden Punkte ist die maximale Ausgangsleistung der bekannten Maschine hauptsächlich auf einen Wert limitiert, der durch den maximalen Druck im Zylinder und durch die Drehzahl des Vorverdichters festgelegt ist. Wenn die Ausgangsleistung der Maschine größer wird gegenüber der bemessenen Ausgangsleistung, wird die maximale Ausgangsleistung des Zylinders und die Drehzahl des Vorverdichters zu stark erhöht und der Betrieb der Maschine wird unmöglich.

Bei einer Brennkraftmaschine, die einen Vorverdichter nur mit veränderbarem Düsenquerschnitt aufweist, der Maximaldruck im Zylinder auf ein oberes Limit begrenzt wird oder weil die Drehzahl des Vorverdichters gehindert wird, sich zu stark zu erhöhen, wird der Vorverdichterdruck erhöht und die Verbrennung extrem verschlechtert, wenn der Düsenquerschnitt vergrößert wird. Bei einer Brennkraftmaschine, die nur mit einer Brennkrafteinspritzpumpe mit zeitlich veränderbarer Einspritzung ausgerüstet ist, wird der Betrieb der Brennkraftmaschine aufgrund einer zu starken Zunahme der Drehzahl des Vorverdichters unmöglich, auch wenn der Maximaldruck im Zylinder an einer Überschreitung des oberen Grenzwertes gehindert wird.

Wenn bei der bekannten Brennkraftmaschine der Betriebszustand in Richtung auf ein hohes Drehmoment verschoben wird, wird ein mittlerer Effektivdruck gegenüber dem Vorverdichtungsdruck relativ erhöht und der Betriebszustand der Brennkraftmaschine befindet sich vom Gesichtspunkt der thermischen Belastung in einem schwierigen Zustand. Um diesen schwierigen Zustand zu vermeiden, wird in Betracht gezogen, den Düsenquerschnitt des Vorverdichters zu reduzieren, um den Abgasdruck zu erhöhen und die thermische Belastung zu reduzieren. Bei einer Brennkraftmaschine, die jedoch nur einen Vorverdichter mit veränderbarem Düsenquerschnitt aufweist, hat sich der Maximaldruck im Zylinder zu stark erhöht aufgrund des erhöhten Abgasdruckes bei hoher Last.

Bei der bekannten Brennkraftmaschine sind der Düsenquerschnitt des Vorverdichters und die Einspritztaktgebung für den Kraftstoff festgelegt, so daß ein kontinuierlicher Betrieb bei 100% Last erreicht werden kann. Demzufolge kann ein Anstieg des Abgasdruckes und des Maximaldruckes im Zylinder zum Zwecke der Verbesserung des spezifischen Brennstoffverbrauches auch nicht bei Teillast erreicht werden, bei welcher der Maximaldruck im Zylinder vorherrschen könnte. Die Brennkraftmaschine, die nur mit einem Vorverdichter mit variablem Düsenquerschnitt ausgerüstet ist, verbessert durch den erhöhten Abgasdruck nur den Luftzustand, während eine Brennkraftmaschine, die nur mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe mit variabler Einspritzzeitsteuerung ausgerüstet ist, nur den Zykluswirkungsgrad durch erhöhten Maximaldruck im Zylinder verbessert, wobei die Verbesserung in beiden Fällen auf die Hälfte verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung bei einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die in optimalem Zustand über einen weiten Bereich niedriger Last bis zum Überlastbereich arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Steuerung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung erfolgt die gleichzeitige Steuerung des Düsenquerschnittes und der Kraftstoffeinspritzung, wodurch die Brennkraftmaschine in einem großen Bereich vom unteren Lastbetrieb bis zum Überlastbetrieb optimal betrieben werden kann. Hierdurch wird erreicht, daß durch Öffnung des Düsenquerschnitts innerhalb des Grenzbereiches, der die Kraftstoffverbrennung nicht verschlechtert und die Drehzahl des Vorverdichters nicht die obere Grenze überschreitet, durch Verzögerung der Kraftstoffeinspritzung in einem Bereich oberhalb des Nennleistungszustandes kontinuierlich betrieben werden kann. Damit wird nicht nur oberhalb der Nennleistung, sondern auch in einem Drehmoment starken Betrieb eine gute Charakteristik der Brennkraftmaschine gewährleistet. Zu diesem Zweck berechnet die Steuerung die Motorlast und Regelabweichungen, die ihrerseits zur Steuerung des Düsenquerschnitts benutzt werden.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Steuerung an Hand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Steuerung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise und der Wirkung der Steuerung,

Fig. 3 eine Systemdarstellung eines Dieselmotors mit einem Vorverdichter und einer Kraftstoffeinspritzpumpe gemäß einem Stand der Technik.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die mit einem Vorverdichter 2 mit veränderbarem Düsenquerschnitt und mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe 3 mit veränderbarer Einspritzzeitsteuerung ausgerüstet ist.

Mit 4 ist eine Steuerung für den Düsenquerschnitt bezeichnet, welche den Querschnitt der Düse des Vorverdichters bzw. Aufladers 2 steuert; mit 5 ist eine Einspritzzeitsteuerung angegeben, welche die Einspritzzeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzpumpe 3 steuert, während mit 6 ein Sensor für den Düsenquerschnitt bezeichnet ist, der den Düsenquerschnitt der Düse des Vorverdichters 2 feststellt, mit 7 ist ein Sensor bezeichnet, welcher die Einspritzzeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzpumpe 3 erfaßt, mit 8 ein Sensor zur Erfassung des Kraftstoffverbrauchs und mit 9 ist ein Tachometer angegeben.

Ein Computer bzw. Rechner 100 enthält die nachfolgend beschriebenen Elemente 101 bis 112. Die Bezugszeichen 101 und 102 bezeichnen Analog/Digital-Wandler, welche einen erfaßten Kraftstoffverbrauchswert, der vom Sensor 8 erhalten wird, bzw. eine erfaßte Drehzahl des Motors aufgrund des Tachometers 9 jeweils in Digitalsignale umwandeln; mit 103 ist ein Rechner für die Motorlast, mit 110 und 112 jeweils ein Analog/Digital-Wandler bezeichnet, wobei der eine Wandler 110 den erfaßten Düsen­ querschnittswert und der Wandler 112 das erfaßte Kraftstoff­ einspritzzeitsteuersignal jeweils in digitale Signale umsetzen.

Mit 104 ist eine Einrichtung zur Einstellung des Düsenquer­ schnittes angegeben, mit 105 eine Einrichtung zur Einstellung der Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung (Kraftstoffeinspritz-Timing) und mit 106 ein Speicher, der einen Sollwert des Düsenquerschnittes des Vorverdichters 2 und einen Sollwert, betreffend die Kraft­ stoffeinspritzung, für die Kraftstoffeinspritzpumpe 3 speichert.

Mit 107 ist eine Stelleinrichtung für den Düsenquerschnitt und mit 108 eine Stelleinrichtung für die zeitliche Kraftstoffein­ spritzung, mit 109 ein Digital/Analog-Wandler zur Umwandlung der Signale der Einrichtung 107 in Digitalsignale und mit 111 ein Digital/Analog-Wandler zur Umsetzung der Digitalsignale der Einstelleinrichtung 107 und mit 111 ein Digital/Analog-Wandler zur Umsetzung der Digitalsignale der Einstelleinrichtung 108, jeweils in Analogsignale, bezeichnet, wobei die Analogsignale des Digital/Analog-Wandlers 109 der Düsenquerschnittsteuerung 4 und die Analogsignale des Digital/Analog-Wandlers 111 der Einspritz­ zeitsteuerung 5 zugeführt werden.

Der Kraftstoffverbrauchswert, der durch den Sensor 8 erfaßt wird, und die Drehzahl des Motors, die durch das Tachometer 9 erfaßt wird, werden mittels A/D-Wandler 101 bzw. 102 in Digitalwerte umgesetzt und dem Rechner 100 zugeführt. Der die Motorlast errechnende Rechner 100 ermittelt einen mittleren Leistungsdruck während des Zeitpunkts des Betriebs auf der Grundlage der beiden Digitalwerte. Der Speicher 106 speichert vorher einen Sollwert des Düsenquerschnittes des Vorverdichters 2 und den Sollwert für die zeitliche Einspritzsteuerung der Einspritzpumpe 3 entspre­ chend einer Kombination von zwei numerischen Werten des mittleren Leistungsdruckes und der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Die Einrichtung 104 für die Düsenquerschnittseinstellung empfängt den Sollwert für den Düsenquerschnitt vom Speicher 106 und setzt diesen Wert. Der Sollwert des Düsenquerschnittes wird der Einstelleinrichtung 107 für den Düsenquerschnitt zugeführt, um einer vorbestimmten Korrektur unterworfen zu werden und wird dann in einen Analogwert durch den D/A-Wandler 109 umgewandelt. Die Steuerung 4 steuert den Düsenquerschnitt des Vorverdichters 2 entsprechend dem Analogwert des Düsenquerschnittes, der von der Einstelleinrichtung 107 erzeugt wird. Der Sensor 6 erfaßt den laufenden Wert (Istwert) des Düsenquerschnittes des Vorverdich­ ters 2 und dieser erfaßte Wert wird durch den A/D-Wandler 110 in einen Digitalwert umgesetzt, um dann der Einstelleinrichtung 107 für den Düsenquerschnitt zugeführt zu werden.

Die Einstelleinrichtung 107 errechnet eine Abweichung vom Sollwert, der durch die Setzeinrichtung 104 gesetzt ist, gegenüber dem erfaßten Istwert und liefert abhängig von der Abweichung ein Ausgangssignal, um dadurch den Düsenquerschnitt zu steuern.

Die Einrichtung 105 empfängt einen Sollwert für die Kraftstoff­ einspritztaktgebung aus dem Speicher 106 und setzt diesen Wert. Der Sollwert der Kraftstoffeinspritzung wird der Einstelleinrich­ tung 108 zugeführt, um einer vorbestimmten Korrektur unterworfen zu werden und wird dann durch den D/A-Wandler 111 in einen Analogwert umgesetzt.

Die Steuerung 5 steuert den Einspritztakt der Kraftstoff­ einspritzpumpe 3 entsprechend dem Analogwert des Wandlers 111. Der Sensor 7 erfaßt den laufenden Wert bezüglich der Einspritz­ taktgebung und der erfaßte Wert wird vom Wandler 112 in einen Digitalwert umgesetzt und an die Einstelleinrichtung 108 angelegt.

Die Einstelleinrichtung 108 berechnet eine Abweichung zwischen dem Sollwert, der von der Einstelleinrichtung 105 bezüglich der Kraftstoffeinspritztaktgebung gesetzt wird, und dem erfaßten Wert bzw. Istwert und erzeugt ein Ausgangssignal abhängig von der Abweichung, um dadurch die Kraftstoffeinspritztaktgebung zu regeln.

Ein Sensor für das Achsenmoment oder ein Drucksensor können anstelle des Sensors 8 für den Kraftstoffverbrauch vorgesehen werden und der Lastzustand wird durch den Rechner 103 berechnet.

Außerdem kann ein Drucksensor für die Ansaugluft bzw. das Ansauggas anstelle des Sensors 6 für den Düsenquerschnitt benutzt werden und ein Drucksensor im Zylinder kann anstelle des Sensors 7 für den Einspritztakt benutzt werden, während Sollwerte des Ansauggasdruckes und ein Wert für den Maximaldruck im Zylinder im Speicher gespeichert sein können, so daß der Ansauggasdruck und der Maximaldruck im Zylinder direkt gesteuert bzw. geregelt werden können.

Die vorstehend beschriebene Erfindung läßt die folgenden Wirkungen erreichen. Gemäß Fig. 2 wird bei Teillast der Düsen­ querschnitt reduziert und die Brennstoffeinspritzung beschleu­ nigt, um den Ansauggasdruck zu erhöhen und den Maximaldruck in dem Zylinder im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine bekannter Art, so daß der Zustand der Luft und der Zyklus im Zylinder verbessert werden können, um die Kraftstoffverbrauchsmenge zu reduzieren. In Fig. 2 ist das Ergebnis bei vorliegender Erfindung durch eine vollausgezogene Linie gezeigt, während das Ergebnis bei einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik (Fig. 3) durch eine gestrichelte Kurve wiedergegeben ist.

Bei einem Lastzustand, der über der bemessenen Ausgangsleistung liegt wird der Düsenquerschnitt erhöht um den Ansauggasdruck entsprechend der Ausgangsleistung zu regeln, so daß eine überhöhte Drehung des Vorverdichters verhindert werden kann, während die Kraftstoffeinspritzung (zeitmäßig) verzögert wird, so daß der Maximaldruck im Zylinder auf dem oberen Grenzwert beibehalten wird, um einen kontinuierlichen Betrieb im Überlast­ zustand zu erhalten. Gemäß Fig. 2 wird im drehmomentreichen Zustand der Düsenquerschnitt verringert, um die thermische Belastung zu reduzieren, während bei starker Last die Brennstoff­ einspritztaktgebung verlangsamt wird, um den Maximaldruck im Zylinder auf dem oberen Grenzwert zu halten, so daß der Last­ bereich des Betriebs im drehmomentreichen Zustand vergrößert werden kann.

Claims (5)

1. Steuerung bei einer Brennkraftmaschine mit einem Vorverdichter, mit varibalem Düsenquerschnitt und einer Einrichtung zur Düsenquerschnittsänderung, welche durch eine Düsenquerschnitt-Steuerung gesteuert wird, mit einem Rechner zur Lastberechnung für den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, und mit einer Stelleinrichtung für den Düsenquerschnitt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stelleinrichtung (104) den Düsenquerschnitt des Vorverdichters auf einen Sollwert abhängig von dem vom Rechner (100) berechneten Lastzustand einstellt,
daß eine Düsenquerschnitts-Abgleicheinrichtung (107) für den Düsenquerschnitt des Vorverdichters vorgesehen ist, welche die Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert des Düsenquerschnitts vermittelt und die Regelabweichung an die Steuerung (4) für den Düsenquerschnitt anlegt,
daß eine Einrichtung (3) zur variablen Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist, die durch eine Zeitsteuerung (5) gesteuert wird, daß eine Stelleinrichtung (105) zur Sollwert-Einstellung an der Zeitsteuerung (5) für die Kraftstoffeinspritzung entsprechend dem Lastzustand vorgesehen ist,
daß eine die Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert ermittelnde Abgleicheinrichtung (108) für die Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist, welche die ermittelte Regelabweichung an die Zeitsteuerung (5) anlegt, und
daß im unteren Lastbetrieb der Düsenquerschnitt gegenüber dem Nennbetriebszustand verkleinert und gleichzeitig die Kraftstoffeinspritzung beschleunigt wird.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Überlastzustand der Turbinen-Düsenquerschnitt ausreichend geöffnet wird und gleichzeitig die Kraftstoffeinspritzeinstellung verzögert wird.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Betriebszustand mit hohem Drehmoment der Düsenquerschnitt der Turbine kleiner gemacht wird, um die thermische Belastung zu reduzieren, während bei hoher Last die Kraftstoffeinspritztaktgebung verzögert wird, um den Maximaldruck im Zylinder auf dem oberen Grenzwert zu halten.

4. Steuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor für den Kraftstoffverbrauch und ein Sensor für die Drehzahl der Brennkraftmaschine angeordnet sind.

5. Steuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor für den Düsenquerschnitt und ein Sensor zur Erfassung der Kraftstoffeinspritztaktgebung angeordnet sind.