DE60312649T2

DE60312649T2 - Vorrichtung und verfahren zur regelung eines turboladers mit variabler geometrie

Info

Publication number: DE60312649T2
Application number: DE60312649T
Authority: DE
Inventors: Steven Don Rancho Palos Verdes ARNOLD
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: WO2003067060A1; EP1474597A1; DE60312649D1; US20030149522A1; US6665604B2; EP1474597B1; AU2003212932A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Konstruktion von Turboladern mit variabler Geometrie und im Besonderen ein Verfahren und ein System zum Steuern der Position eines Elements mit variabler Geometrie, das in einem Turbolader mit variabler Geometrie angeordnet ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Turbolader sind häufig verwendete Geräte zum Erhöhen der Ausgangsleistung eines Verbrennungsmotors. Ein typischer Turbolader umfasst ein Turbinenrad, das über eine gemeinsame welle mit einem Verdichterflügelrad gekoppelt ist. Abgas aus dem Motor wird in ein Turbinengehäuse und durch eine Einlassdüse hindurch umgeleitet. Das Abgas wird auf das Turbinenrad geleitet, womit Letzteres zur Rotation gebracht wird, wodurch wiederum die gemeinsame Welle und das Verdichterflügelrad in Drehung versetzt werden.
Das Verdichterflügelrad ist in einem Verdichtergehäuse mit einem Lufteinlass und einem Auslass für die Druckluft bzw. Ladeluft angeordnet. Es ist die Funktion des sich drehenden Verdichterflügelrads, die in das Verdichtergehäuse gelangende Luft unter Druck zu setzen und einen Druckluft- bzw. Ladeluftstrom zu erzeugen, der in ein Einlasssystem des Verbrennungsmotors geleitet wird. Diese Ladeluft wird mit Treibstoff vermischt, um ein Verbrennungsgemisch in den Verbrennungskammern des Motors bereitzustellen. Auf diese Weise stellt der Turbolader ein umfangreicheres Luft-Treibstoff-Gemisch bereit als über einen Lufteingangsstrom mit Umgebungsdruck bereitgestellt würde, was zu einer größeren Leistungsabgabe des Motors während der Verbrennung führt.
Der erzielbare Zuwachs an Motorleistung verhält sich direkt proportional zur Erhöhung des vom Turbolader erzeugten Drucks des Eingangsluftstroms. Den Ladedruck zu hoch werden zu lassen, kann jedoch zu schwerwiegenden Schäden sowohl am Turbolader als auch am Motor führen, insbesondere wenn der Motor über seinen vorgesehenen Leistungsbereich hinaus arbeiten muss.
Daher besteht eine Aufgabe bei der Konstruktion von Turboladern darin, den vom Turbolader bereitgestellten Ladedruck solcherart zu regulieren oder zu steuern, dass die Leistungsabgabe des Motors bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen optimiert wird, ohne den Motor zu beschädigen. Eine bekannte Technik zur Regulierung des Ladedrucks besteht in der Verwendung eines Turboladers mit einem Element mit variabler Geometrie, dessen Aufgabe es ist, die Abgasmenge zu steuern, die auf das Turbinenrad geleitet wird. Turbolader mit solchen Elementen mit variabler Geometrie werden als Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) bezeichnet.
Eine Art von VGT umfasst ein Element mit variabler Geometrie in Form mehrerer Leitschaufeln mit verstellbarer Position, die im Turbinengehäuse angeordnet sind und die in einer Einlassdüse des Turbinengehäuses beweglich sind, um die Abgasmenge zu regulieren, die zum Turbinenrad geleitet wird. Die Leitschaufeln in dieser Art VGT können geöffnet werden, um einen größeren Gasfluss über das Turbinenrad zu ermöglichen, womit bewirkt wird, dass sich das Turbinenrad mit höherer Geschwindigkeit dreht und den Ladedruck erhöht, oder sie können geschlossen werden, um den Abgasfluss zur Turbine zu verringern, womit der Ladedruck verringert wird. Damit kann die Höhe des Ladedrucks, der von dieser Art VGT erzeugt wird, durch die Änderung der Schaufelradposition derart reguliert werden, dass die Motorausgangsleistung bei gleichzeitiger Vermeidung von Motorschäden optimiert wird.
Für die Erzielung des gewünschten Ergebnisses von dem VGT und der gewünschten Ausgangsleistung des Motors ist es jedoch wichtig, dass das Element mit variabler Geometrie in diesem oder jedem anderen Typ VGT auf eine Weise betrieben wird, die die gewünschte Änderung hervorbringt. Da dieser Betrieb in einem dynamischen System sich ändernder VGT- und Motorbetriebsparameter stattfindet, ist es wünschenswert, dass ein Steuerungssystem verwendet wird, um diese dynamischen Betriebsparameter zu berücksichtigen und somit das gewünschte Ergebnis zu liefern.
Es ist daher erwünscht, dass das Steuerungssystem solcherart gestaltet wird, dass es mit einem VGT verwendet werden kann, um die gewünschte Änderung des darin angeordneten Elements mit variabler Geometrie zu bewirken und somit die gewünschte VGT- und Motorausgangsleistung zu erzielen.
WO-A-0159275 offenbart ein System zur Steuerung der Leitschaufelposition in einem Turbolader.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für Turbolader mit variabler Geometrie und ein dazugehöriges System. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Positionieren einer Gruppe von Leitschaufeln eines Turboladers mit variabler Geometrie bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bestimmen eines Ladedruckziels für den Turbolader,
Berechnen eines Abweichungswerts (err) zwischen dem Ladedruckziel und einem tatsächlichen Ladedruck,
Bestimmen einer Änderung der Leitschaufelposition (Δ^θ),
Bestimmen einer neuen Leitschaufelposition für den Turbolader auf der Grundlage der Änderung der Leit schaufelposition und
Positionieren der Gruppe von Leitschaufeln des Turboladers entsprechend der neuen Leitschaufelposition, dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitschaufelposition (Δ^θ) im Wesentlichen gleich k_p(err) + k_dd(err)/dt ist, wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist, und ferner folgende Schritte umfassend:
Modifizieren der neuen Leitschaufelposition mit einem Vorwärtsschubwert, FF, wobei FF im Wesentlichen gleich
(|dTP/dt| – Y)·K_a ist, wobei TP die absolute Drosselposition, Y ein Schwellenwert und K_a eine Konstante ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein System zum Anordnen einer Gruppe von Leitschaufeln eines Turboladers mit variabler Geometrie bereitgestellt, wobei das System Folgendes umfasst:
eine Ladedruckzielaufzeichnung zum Bestimmen eines Ladedruckziels für den Turbolader,
eine elektronische Steuereinheit, die zum Berechnen eines Abweichungswerts zwischen dem Ladedruckziel und einem tatsächlichen Ladedruck und zum Bestimmen einer neuen Leitschaufelposition für den Turbolader auf der Grundlage der Änderung der Leitschaufelposition konfiguriert ist,
ein PID-Modul, das zum Bestimmen der Änderung der Leitschaufelposition (Δ^θ) konfiguriert ist, und
einen Stellantrieb, der zum Positionieren der Gruppe von Leitschaufeln des Turboladers entsprechend der neuen Leitschaufelposition konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass:
die Änderung der Leitschaufelposition (Δ^θ) im Wesentlichen gleich k_p(err) + k_dd(err)/dt ist, und ferner Folgendes umfassend:
ein Vorwärtsschubmodul, das zum Modifizieren der neuen Leitschaufelposition mit einem Vorwärtsschubwert, FF, konfiguriert ist, wobei FF im Wesentlichen gleich (|dTP/dt| – Y)·K_a ist.
In einer offenbarten Ausführungsform kann ein offen geregelter Diagnosemechanismus vor dem Positionieren des Elements mit variabler Geometrie des Turboladers verwendet werden, wobei eine Zielposition des Elements mit variabler Geometrie aus einer Aufzeichnung eines offenen Regelkreises bestimmt wird. Danach wird die Differenz der Werte zwischen der neuen Position des Elements mit variabler Geometrie und der Zielposition des Elements mit variabler Geometrie berechnet und mit einem Fehlerschwellenwert verglichen. Ist die Wertedifferenz gleich dem oder größer als der Fehlerschwellenwert, kann ein Fehlersignal an das Motorsteuerungsmodul gesendet werden, um dieses zu veranlassen in einen Fehlermodus einzutreten. In einer offenbarten Ausführungsform wird ein Vorwärtsschubmechanismus verwendet, um die Steuerung vor dem Anordnen der Gruppe der Leitschaufeln des Turboladers zu verbessern.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird aus einer Ladedruckzielaufzeichnung ein Ladedruckziel für den VGT bestimmt. Das Ladedruckziel wird dann mit dem tatsächlichen Ladedruck verglichen, um einen ersten Abweichungswert, err_LD, zwischen dem Ladedruckziel und dem tatsächlichen Ladedruck zu berechnen. Auf dieser Basis wird zum Beispiel mit Hilfe einer herkömmlichen PTD-Technik ein Turbodrehzahlziel berechnet. Dann wird ein weiter Abweichungswert, err_LD, zwischen dem Turbodrehzahlziel und der tatsächlichen Turbodrehzahl des Turboladers berechnet. Der err_LD kann dann in ein PID-Modul eingespeist werden, um mit einer herkömmlichen PID-Technik eine neue Position des Elements mit variabler Geometrie für den Turbolader zu bestimmen. In bestimmten Ausführungsformen können das Turbodrehzahlziel und die neue Position des Elements mit variabler Geometrie mit einer modifizierten PID-Technik erzeugt werden. Zum Beispiel kann das Turbodrehzahlziel erzeugt werden, indem zuerst eine Änderung der Turbodrehzahl, Δ_DZ, bestimmt wird, wobei Δ_DZ im Wesentlichen gleich k_p(err_LD) + K_dd(err_LD)/dt ist, und dann Δ_DZ zu der tatsächlichen Turbodrehzahl addiert wird. Die neue Position des Elements mit variabler Geometrie kann unterdessen bestimmt werden, indem zuerst eine Änderung der Position des Elements mit variabler Geometrie Δ^Θ, berechnet wird, wobei Δ^Θ im Wesentlichen gleich k_p(err_LD) + k_dd(err_LD)/dt ist, und dann Δ^Θ zu einer vorhergehenden Position des Elements mit variabler Geometrie addiert wird. Dann kann ein Stellantrieb verwendet werden, um das Element mit variabler Geometrie des Turboladers entsprechend der neuen Position des Elements mit variabler Geometrie anzuordnen.
In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Ladedruckziel für den VGT bestimmt und ein Abweichungswert, err_LD, zwischen dem Ladedruckziel und dem tatsächlichen Ladedruck berechnet. Dann wird ein erstes Turbodrehzahlziel auf der Grundlage von err_LD erzeugt, beispielsweise mit einer herkömmlichen PID-Technik. Außerdem wird aus einer Turbinendruckaufzeichnung ein Turbinendruckziel für den Turbolader bestimmt. Das Turbinendruckziel wird mit dem tatsächlichen Turbinendruck verglichen, um einen zweiten Abweichungswert zu berechnen, der dann verwendet wird, um ein zweites Turbodrehzahlziel zu erzeugen. Beispielsweise kann das zweite Turbodrehzahlziel mit einer herkömmlichen PID-Technik erzeugt werden. Wenn sich der Motor im Leistungsmodus befindet, wird anschließend das erste Turbodrehzahlziel zur Verwendung bei der Be stimmung einer neuen Position des Elements mit variabler Geometrie ausgewählt. Befindet sich der Motor jedoch im Bremsmodus, so wird das zweite Turbodrehzahlziel ausgewählt. Je nach dem Modus des Motors wird dann das ausgewählte Turbodrehzahlziel mit der tatsächlichen Turbodrehzahl verglichen, um einen dritten Abweichungswert, err_DZ, zu berechnen, der zur Bestimmung einer neuen Position des Elements mit variabler Geometrie für den Turbolader verwendet wird.
In bestimmten Aspekten der vorliegenden Ausführungsform können das erste und das zweite Turbodrehzahlziel und die neue Position des Elements mit variabler Geometrie statt mit einer herkömmlichen PID-Technik auch mit einer modifizierten PID-Technik erzeugt werden. Zum Beispiel kann die Änderung der Turbodrehzahl, die zum Erreichen des ersten Turbodrehzahlziels notwendig ist, zuerst bestimmt und dann zu der tatsächlichen Turbodrehzahl addiert werden, um das erste Turbodrehzahlziel zu erzeugen, wobei die Änderung der Turbodrehzahl, Δ_DZ, im Wesentlichen gleich k_p(err_LD) + k_dd(err_LD)/dt ist. Analog dazu kann das zweite Turbodrehzahlziel erzeugt werden, indem die Änderung der Turbodrehzahl, Δ_DZ, zu der tatsächlichen Turbodrehzahl addiert wird, wobei Δ_DZ im Wesentlichen gleich k_p(err_Turbine) + k_dd(err_Turbine)/dt ist. Die neue Position des Elements mit variabler Geometrie kann unterdessen bestimmt werden, indem zuerst die Änderung der Position des Elements mit variabler Geometrie, Δ^Θ, berechnet wird und dann Δ^Θ zu der Position des Elements mit variabler Geometrie des vorhergehenden Schritts addiert wird, wobei Δ^Θ im Wesentlichen gleich k_p(err_DZ) + k_dd(err_DZ)/dt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Nachdem somit die Erfindung allgemein beschrieben wurde, wird nunmehr auf die dazugehörigen Zeichnungen verwiesen, die nicht unbedingt maßstabsgerecht sind. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Steuerungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem Turbolader mit variabler Geometrie;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens eines Steuerungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem Turbolader mit variabler Geometrie;
3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Steuerungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem Turbolader mit variabler Geometrie;
4 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Steuerungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem Turbolader mit variabler Geometrie; und
5 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Steuerungssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem Turbolader mit variabler Geometrie.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden die vorliegenden Erfindungen anhand der dazugehörigen Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen einige, aber nicht alle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Vielmehr können diese Erfindungen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollten nicht als auf die vorliegend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt interpretiert werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit die vorliegende Offenbarung geltenden rechtlichen Erfordernissen genügt.
Gleichartige Bezugszeichen verweisen durchgehend auf gleichartige Elemente.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruierte Steuerungssysteme für Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) sind insbesondere dafür ausgelegt, den Abgasfluss auf ein Turbinenrad in dem Turbolader zu regeln, womit die Druckluftabgabe seitens des Turboladers gesteuert wird.
1 stellt ein aufgeladenes Verbrennungsmotorsystem 100 dar, das ein Steuerungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst. Das Motorsystem umfasst einen Verbrennungsmotor 102, eine Motorsteuerungseinheit (MSE) 104, einen Stellantrieb 106 und einen VGT 108, der über Luft- und Abgasströme mit dem Motor in Verbindung steht. Der VGT umfasst eines oder mehrere Elemente mit variabler Geometrie, die beweglich darin angeordnet sind und die zwecks Bewegung/Positionssteuerung mit dem Stellantrieb gekoppelt sind.
Die MSE 104 kann eine Ladedruckzielaufzeichnung 110, ein Ladedruckzielkorrekturmodul 112, ein Proportional-Integral-Differenzial-Modul (PID-Modul) 114, eine Aufzeichnung eines offenen Regelkreises 116, ein Fehlererkennungsmodul 118, ein Vorwärtsschubmodul 120 und einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) 122 umfassen. Der VGT 108 kann ein Element mit variabler Geometrie in Form einer Anzahl von aerodynamischen Leitschaufeln umfassen, die beweglich an einer Einlassdüse der VGT-Turbine befestigt sind und die dem Turbinenrad nachgeordnet positioniert sind, welches in dem Gehäuse angeordnet ist. Ein beispielhafter VGT dieser Art ist in der US-Patentschrift 6,269,642 offenbart, die per Verweis Bestandteil der vorliegenden Beschreibung ist. Die Position der Leitschaufeln in dem VGT 108 wird durch den Stellantrieb 106 gesteuert, der derart konfiguriert sein kann, dass er alle Leit schaufeln gleichzeitig schrittweise dreht, um den Kehlbereich der Einlassdüse zu steuern und somit die Abgasmenge zu steuern, die in den VGT 108 fließt.
Der Stellantrieb 106 kann eine der geeigneten, auf dem Fachgebiet bekannten Konstruktionen sein, beispielsweise eine positionsabhängige Stellantriebskonstruktion. Eine geeignete Stellantriebskonstruktion ist in der US-Patentschrift 6,269,642 offenbart. Alternativ kann der Stellantrieb 106 ein elektrischer Stellantrieb mit Positionsrückmeldung sein, der derart konfiguriert ist, dass er mit der MSE 104 als Teil eines Steuernetzwerks (Controller Area Network, CAN) in Verbindung steht, bei dem es sich um einen Kommunikationsstandard handelt, der häufig für Steuerungen innerhalb von Fahrzeugen verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können Sensoren verwendet werden, um auf eine auf dem Fachgebiet bekannte Weise die Menge des Treibstoffflusses zum Motor 102 zu messen sowie auch die Drehzahl des Motors 102 zu messen. Es wird angemerkt, dass die Treibstoffmenge und die Motordrehzahl in der vorliegenden Anmeldung auch als „Motorparameter" bezeichnet werden. Die von den Sensoren gemessene Treibstoffmenge und Motordrehzahl werden in die Ladedruckzielaufzeichnung 110 eingespeist. Die Ladedruckzielaufzeichnung 110 kann eine Aufzeichnung sein, die in einer Speicherkomponente der MSE 104 gespeichert ist, welche beispielsweise gewünschte Ladedruckdaten für eine gegebene Treibstoffmenge oder Motordrehzahl enthält. Auf der Basis der Treibstoffmenge oder Motordrehzahl wird aus der Ladedruckzielaufzeichnung 110 ein Ladedruckziel bestimmt. In einer Ausführungsform kann auch der Bremszustand des Fahrzeugs als Faktor in die Bestimmung des Ladedruckziels einfließen.
Das Ladedruckziel wird in das Ladedruckzielkorrekturmodul 112 eingespeist, das auch Eingaben von Sensoren erhält, die den Umgebungsdruck, P₀, messen. Eine Funktion des Ladedruckzielkorrekturmoduls 112 besteht darin, zu hohe Drehzahlen des VGT 108 in solchen Situationen zu verhindern, in denen der Umgebungsdruck relativ gering ist, so dass die Erfüllung des Ladedruckziels zu zu hohen Drehzahlen des Turboladers führen würde. Zum Beispiel kann das Ladedruckzielkorrekturmodul 112 einen maximal zulässigen Ladedruck in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck, der Motordrehzahl und der Drehzahlgrenze des Turboladers bestimmen. Wenn das aus der Ladedruckzielaufzeichnung 110 bestimmte Ladedruckziel den maximal zulässigen Ladedruck überschreitet, kann das Ladedruckzielkorrekturmodul 112 das Ladedruckziel auf eine zulässige Höhe reduzieren. Auf diese Weise kann das Ladedruckzielkorrekturmodul 112 dafür konfiguriert sein, das Ladedruckziel in Situationen anzupassen, in denen das Ladedruckziel zu zu hohen Drehzahlen des Turboladers führen würde.
Das von dem Ladedruckzielkorrekturmodul 112 erzeugte korrigierte Ladedruckziel wird dann am Summierknoten 113 mit dem tatsächlichen Ladedruck verglichen, um die Abweichung zwischen dem Ladedruckziel und dem tatsächlichen Ladedruck zu bestimmen. Der Abweichungswert, der in der vorliegenden Anmeldung auch als „err" bezeichnet wird, wird in das PID-Modul 114 eingespeist. Das PID-Modul 114 kann dafür konfiguriert sein, eine neue Position des Elements mit variabler Geometrie (z.B. Leitschaufel), θ_neu, zu bestimmen, um das Ladedruckziel zu erreichen, und zwar unter Einsatz eines auf dem Fachgebiet bekannten PID-Filterverfahrens.
In einer Ausführungsform kann das PID-Modul 114 dafür konfiguriert sein, statt θ_neu direkt zu bestimmen, die Änderung der Leitschaufelposition, Δ^Θ, zu berechnen, die zum Erreichen des Ladedruckziels erforderlich ist. Zum Beispiel kann das PID-Modul 114 dafür konfiguriert sein, Δ^Θ gemäß der Formel 1 unten zu berechnen: ΔΘ = kp(err) + kdd(err)/dt Formel 1wobei „err" der Abweichungswert ist, der als die Differenz zwischen dem tatsächlichen Ladedruck und dem Ladedruckziel wie am Summierknoten 113 bestimmt definiert ist, und wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist, die in auf dem Fachgebiet bekannter Weise bestimmt wurden. Dann wird eine neue Leitschaufelposition, Δ^Θ, durch Addition von Δ^Θ und θ_alt am Summierknoten 113 bestimmt. Ist θ_neu erst bestimmt, können andere Korrektur-/Diagnosemechanismen verwendet werden, um den Grad der Steuerung zu verbessern. In einer Ausführungsform kann ein offen geregelter Diagnosemechanismus implementiert sein, wobei eine Leitschaufelzielposition, θ_Ziel, aus einer Aufzeichnung des offenen Regelkreises 116 bestimmt wird.
Die Aufzeichnung des offenen Regelkreises 116 kann beispielsweise eine Aufzeichnung sein, die in einer Speicherkomponente der MSE 104 gespeichert ist, die nur auf der Basis der Treibstoffmenge und Motordrehzahl eine gewünschte Leitschaufelposition für verschiedene Treibstoffmengen und Motordrehzahlen auflistet. θ_neu und θ_Ziel können dann in ein Fehlererkennungsmodul 118 eingegeben werden, das dafür konfiguriert sein kann, die Wertedifferenz zwischen θ_neu und θ_Ziel zu bestimmen, um θ_Diff zu erzeugen. Das Fehlererkennungsmodul 118 kann ferner dafür konfiguriert sein, θ_Diff mit einem Fehlerschwellenwert zu vergleichen. Bestimmt das Fehlererkennungsmodul 118 beispielsweise, dass θ_Diff gleich dem Fehlerschwellenwert ist oder diesen überschreitet, kann das Fehlererkennungsmodul 118 eine Fehlermeldung an ein Steuermodul (nicht dargestellt) in der MSE 104 senden, womit es der MSE 104 das Signal gibt, in einen Fehlermodus einzutreten.
In einer Ausführungsform kann nach der Bestimmung von θ_neu auch ein Vorwärtsschubmodul implementiert sein. Das Vorwärtsschubmodul 120, das vom Motor 102 Daten über die Drosselposition und/oder Treibstoffmenge erhält, kann dafür konfiguriert sein, den Vorwärtsschubwert („FF") in Abhängigkeit vom Absolutwert der Änderung der Drosselposition („TP"), einem Schwellenwert („Y") und einem Konstantwert („K_a") gemäß der Formel 2 unten zu bestimmen: FF = (|dTP/dt| – Y)·Ka Formel 2
Alternativ kann der Vorwärtsschubwert aus dem Absolutwert der Änderung der Treibstoffmenge, statt der Änderung der Drosselposition, bestimmt werden. Der vom Vorwärtsschubmodul 120 erzeugte Vorwärtsschubwert kann dann zu θ_neu addiert werden, um θ_neu zu modifizieren. Auf diese Weise, d.h. indem die Drosselposition und/oder Treibstoffmenge zwecks Ergänzung der abweichungsbasierten Bestimmung von θ_neu durch das PID-Modul 114 berücksichtigt werden, dient das Vorwärtsschubmodul 120 zum Bereitstellen zahlreicher Vorteile, einschließlich der Reduzierung des Turbolochs.
θ_neu wird in einen D/A-Wandler 122 eingespeist, der dafür konfiguriert sein kann, θ_neu in ein analoges Signal umzuwandeln. In einer Ausführungsform ist der D/A-Wandler 122 ein Spannungstreiber, der dafür konfiguriert ist, θ_neu in ein gepulstes Modulationssignal („PMW"-Signal) umzuwandeln. Alternativ kann der D/A-wandler 122 ein Stromtreiber sein, der dafür konfiguriert ist, θ_neu in einen schwankenden Strom umzuwandeln. Das Signal aus dem D/A-Wandler 122 wird dann zur Steuerung der Position des Stellantriebs 106 verwendet.
Als Reaktion auf das Signal vom D/A-Wandler 122 stellt der Stellantrieb 106 die Leitschaufelposition des VGT 108 so ein, dass sie mit θ_neu übereinstimmt. Auf diese Weise kann die Leitschaufelposition des VGT 108 gesteuert und eingestellt werden, womit der Abgasfluss in den VGT 108 reguliert wird und somit die Höhe des vom VGT 108 erzeugten Ladedrucks gesteuert wird.
2 stellt ein beispielhaftes VGT-Steuerungssystemverfahren 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar, wobei das Element mit variabler Geometrie des VGT eingestellt wird. Es wird angemerkt, dass das Steuerungsverfahren 200 in einem Motorsystem wie dem Motorsystem 100 in 1 implementiert werden kann.
Das Steuerungsverfahren 200 beginnt mit Schritt 202 und geht zu Schritt 204 über, wo die Motordrehzahl und/oder Treibstoffmenge gemessen wird/werden. Die Motordrehzahl und die Treibstoffmenge können mit einem geeigneten, auf dem Fachgebiet bekannten Messmittel gemessen werden, beispielsweise mittels eines Sensors. Die gemessene Motordrehzahl und Treibstoffmenge werden in eine MSE eingegeben, die entweder die Motordrehzahl oder die Treibstoffmenge verwenden kann, um eine gewünschte Leitschaufelposition für einen mit dem Motor gekoppelten VGT zu bestimmen.
Als Nächstes werden in Schritt 206 des Steuerungsverfahrens 200 die gemessene Motordrehzahl und/oder Treibstoffmenge zur Bestimmung eines Ladedruckziels für den VGT verwendet. Das Ladedruckziel kann beispielsweise aus einer Ladedruckzielaufzeichnung bestimmt werden, die in einer Speicherkomponente in der MSE gespeichert ist, welche gewünschte Ladedruckhöhen für verschiedene Motordrehzahlen und Treibstoffmengen enthält. Anschließend kann das Ladedruckziel gegebenenfalls in Schritt 208 korrigiert werden, wenn festgestellt wird, dass die Realisierung des Ladedruckziels zu zu hohen Drehzahlen des Turboladers führen würde. In einem solchen Fall kann das Ladedruckziel verringert werden, um zu hohe Drehzahlen des Turboladers zu vermeiden.
Nachdem das Ladedruckziel in Schritt 208 gegebenenfalls korrigiert wurde, geht das VGT-Steuerungsverfahren 200 zu Schritt 210 über, in dem ein Abweichungswert oder „err" zwischen dem Ladedruckziel und dem tatsächlichen Ladedruck bestimmt wird. Der Abweichungswert aus Schritt 210 wird dann in Schritt 212 zum Bestimmen der neuen Leitschaufelposition, θ_neu, für den VGT verwendet. Die neue Leitschaufelposition kann durch Verwendung eines geeigneten, auf dem Fachgebiet bekannten PID-Filters bestimmt werden. Alternativ kann θ_neu bestimmt werden, indem zuerst die Änderung der Leitschaufelposition, Δ^Θ, berechnet wird, die zum Realisieren des Ladedruckziels erforderlich ist. In einer Ausführungsform wird Δ^Θ gemäß der Formel 1 unten bestimmt: ΔΘ = kp(err) + kdd(err)/dt Formel 1wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist, die in auf dem Fachgebiet bekannter Weise bestimmt wurden. Ist Δ^Θ erst berechnet, kann dann θ_neu bestimmt werden, indem Δ^Θ zu der alten Leitschaufelposition addiert wird.
Nach der Bestimmung von θ_neu in Schritt 212 umfasst das Steuerungsverfahren 200 in einer Ausführungsform den Schritt 214, in dem ein offen geregelter Diagnosemechanismus angewendet wird. In Schritt 214 kann die Leitschaufelzielposition, θ_Ziel, aus einer Aufzeichnung des offenen Regelkreises bestimmt werden, die in einer Speicherkomponente in der MSE gespeichert ist. Die Aufzeichnung kann gewünschte Leitschaufelpositionen lediglich auf der Basis der Treibstoffmenge und der Motordrehzahl auflisten. Die Differenz zwischen θ_neu und θ_Ziel wird dann mit einem Fehlerschwellenwert verglichen. Ist die Differenz zwischen θ_neu und θ_Ziel gleich dem Fehlerschwellenwert oder überschreitet sie diesen, so kann beispielsweise eine Fehlermeldung erzeugt werden, und das System kann dazu veranlasst werden, in einen Fehlermodus einzutreten.
In einer Ausführungsform wird in Schritt 216 nach der Bestimmung von θ_neu in Schritt 212 ein Vorwärtsschub mechanismus angewendet. In Schritt 216 kann ein Vorwärtsschubwert, FF, gemäß der Formel 2 unten berechnet werden: FF = (|dTP/dt| – Y)·Ka Formel 2wobei TP die absolute Drosselposition, Y ein Schwellenwert und K_a eine Konstante ist. In einer Ausführungsform kann statt der Drosselposition in der Formel 2 eine Treibstoffmenge zur Berechnung von FF verwendet werden.
Als Nächstes wird in Schritt 218 das Signal, das die neue Leitschaufelposition darstellt, in ein analoges Signal umgewandelt. Das Signal kann beispielsweise entweder mit einem Spannungstreiber oder einem Stromtreiber umgewandelt werden. Das gewandelte Signal wird dann in Schritt 220 verwendet, um die Stellantriebsposition einzustellen, die wiederum in Schritt 222 die Leitschaufelposition des VGT einstellt. Die Leitschaufelposition wird derart eingestellt, dass das in den vorherigen Schritten bestimmte Ladedruckziel erreicht wird. Das Steuerungsverfahren 200 kehrt dann zu Schritt 204 zurück, in dem die Motordrehzahl und die Treibstoffmenge erneut gemessen werden, und der Regelkreis kann wiederholt werden. Auf diese Weise kann die Geometrie des VGT und insbesondere die Leitschaufelposition des VGT gesteuert werden.
In bestimmten Ausführungsformen können zusätzliche Steuerungsmechanismen implementiert sein, die andere Faktoren wie etwa das Bremsen des Fahrzeugs bei der Bestimmung der neuen Leitschaufelposition für den Turbolader berücksichtigen. Es wird nun auf 3 verwiesen, die das beispielhafte Motorsystem 300 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei in der Ausführungsform ein offen geregelter Motorbremssteuermechanismus implementiert ist, um die Steuerung der Leitschaufelposition zu verbessern. Es wird angemerkt, dass der Motor 302, der VGT 308, der Stellan trieb 306 und der D/A-Wandler 322 des Motorsystems 300 jeweils dem Motor 102, dem VGT 108, dem Stellantrieb 106 und dem D/A-Wandler 122 des in 1 dargestellten Motorsystems 100 entsprechen. Wie dargestellt umfasst das Motorsystem 300 ferner eine MSE 304.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können Sensoren zum Messen der Treibstoffflussmenge zum Motor 302 sowie der Motordrehzahl des Motors 302 verwendet werden. Die von den Sensoren gemessene Treibstoffmenge und/oder Motordrehzahl werden in die Ladedruckzielaufzeichnung 310 eingespeist. Die Ladedruckzielaufzeichnung 310 kann beispielsweise eine Datei sein, die in einer Speicherkomponente der MSE 304 gespeichert ist und den gewünschten Ladedruck für eine gegebene Treibstoffmenge oder Motordrehzahl aufzeichnet. Auf der Basis der Treibstoffmenge oder Motordrehzahl wird aus der Ladedruckzielaufzeichnung 310 ein Ladedruckziel bestimmt.
Das Ladedruckziel wird in ein Ladedruckzielkorrekturmodul 312 eingespeist, das auch Eingaben von Sensoren an dem Motor 302 erhält, die den Umgebungsdruck, P₀, messen. Eine Funktion des Ladedruckzielkorrekturmoduls 312 besteht darin, zu hohe Drehzahlen des VGT 308 in solchen Situationen zu verhindern, in denen der Umgebungsdruck relativ gering ist, so dass die Erfüllung des Ladedruckziels zu zu hohen Drehzahlen des Turboladers führen würde. Zum Beispiel kann ein maximal zulässiger Ladedruck in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck, der Motordrehzahl und der Drehzahlgrenze des VGT bestimmt sein. Wenn das aus der Ladedruckzielaufzeichnung 310 bestimmte Ladedruckziel den maximal zulässigen Ladedruck überschreitet, kann das Ladedruckzielkorrekturmodul 312 das Ladedruckziel auf eine zulässige Höhe reduzieren. Auf diese Weise passt das Ladedruckzielkorrekturmodul 312 das Ladedruckziel in Situationen an, in denen das aus der Ladedruckzielaufzeichnung 310 ermittelte Ladedruckziel zu zu hohen Drehzahlen des VGT führen würde.
Das von dem Ladedruckzielkorrekturmodul 312 erzeugte korrigierte Ladedruckziel wird dann am Summierknoten 313 mit dem tatsächlichen Ladedruck verglichen, um die Abweichung zwischen dem Ladedruckziel und dem tatsächlichen Ladedruck zu bestimmen. Der Abweichungswert, der in der vorliegenden Anmeldung auch als „err" bezeichnet wird, wird in das PID-Modul 314 eingespeist. Das PID-Modul 314 kann dafür konfiguriert sein, eine neue Leitschaufelposition, θ_neu, für den VGT 308 zu bestimmen, um das Ladedruckziel mit einer geeigneten den proportionalen Zuwachs, integralen Zuwachs und differenzialen Zuwachs filternden Technik („PID-Technik") zu erzielen. In einer Ausführungsform kann das PID-Modul 314 dafür konfiguriert sein, statt θ_neu mittels einer herkömmlichen PID-Technik direkt zu bestimmen, die Änderung der Leitschaufelposition, Δ^Θ, zu berechnen, die zum Erreichen des Ladedruckziels erforderlich ist. Zum Beispiel kann das PID-Modul 314 dafür konfiguriert sein, Δ^Θ gemäß der Formel 3 unten zu berechnen: ΔΘ = kp(errLD) + kdd(errLD)/dt Formel 3wobei „err_LD" der Abweichungswert ist, der als die Differenz zwischen dem tatsächlichen Ladedruck und dem Ladedruckziel wie am Summierknoten 313 bestimmt definiert ist, und wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist, die in auf dem Fachgebiet bekannter Weise bestimmt wurden. Dann kann eine neue Leitschaufelposition, θ_neu, durch Addition von Δ^Θ zu der Leitschaufelposition des vorhergehenden Schritts am Summierknoten 315 bestimmt werden.
In einer Ausführungsform kann nach der Bestimmung von θ_neu auch ein Vorwärtsschubmodul implementiert sein. Ein Vorwärtsschubmodul 320, das vom Motor 302 Daten über die Drosselposition und/oder Treibstoffmenge erhält, kann dafür konfiguriert sein, einen Vorwärtsschubwert („FF") in Abhängigkeit vom Absolutwert der Änderung der Drosselposition („TP"), einem Schwellenwert („Y") und einem Konstantwert („K_a") gemäß der oben erläuterten und unten gezeigten Formel 2 zu bestimmen: FF = (|dTP/dt| – Y)·Ka Formel 2
Alternativ kann der Vorwärtsschubwert aus dem Absolutwert der Änderung der Treibstoffmenge, statt der Änderung der Drosselposition, bestimmt werden. Der vom Vorwärtsschubmodul 320 erzeugte Vorwärtsschubwert kann dann am Summierknoten 315 zu θ_neu addiert werden, um θ_neu zu modifizieren. Auf diese Weise, d.h. indem die Drosselposition und/oder Treibstoffmenge zwecks Ergänzung der abweichungsbasierten Bestimmung von θ_neu durch das PID-Modul 314 berücksichtigt werden, bietet das Vorwärtsschubmodul 320 zahlreiche Vorteile, einschließlich einer Reduzierung des Turbolochs.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein Entscheidungsblock wie etwa der Begrenzungsblock 319 implementiert sein um zu gewährleisten, dass θ_neu in einem gewünschten oder zulässigen Bereich liegt. Am Begrenzungsblock 319 kann θ_neu mit einer maximalen und einer minimalen Leitschaufelposition verglichen werden. Wenn θ_neu einen der Schwellenwerte überschreitet, kann θ_neu am Begrenzungsblock 319 derart geändert werden, dass θ_neu zwischen die eingestellte maximale und minimale Leitschaufelposition gebracht wird. Wenn beispielsweise θ_neu die maximale Leitschaufelposition überschreitet, würde θ_neu auf den Wert der maximalen Leitschaufelposition neu eingestellt. Anschließend wird θ_neu in den Entscheidungsblock 321 eingespeist.
Fortfahrend mit 3 umfasst die MSE 304 ferner ein offen geregeltes Steuermodul 316, das Eingaben von Sensoren erhält, die die Drehzahl des Motors 302 messen. Das offen geregelte Steuermodul 316 kann dafür konfiguriert sein, in Abhängigkeit von der Motordreh zahl ein offen geregeltes Leitschaufelpositionsziel zu erzeugen. Eine geeignete, in einer Speicherkomponente gespeicherte Aufzeichnung, die die Leitschaufelposition in Abhängigkeit von der Motordrehzahl aufzeichnet, kann verwendet werden, um das Leitschaufelpositionsziel zu ermitteln. Das von dem offen geregelten Steuermodul 316 offen geregelte Leitschaufelpositionsziel wird dann in den Entscheidungsblock 321 eingespeist.
Am Entscheidungsbock 321 bestimmt die MSE 304, ob sich der Motor 302 im Bremsmodus oder im Nicht-Bremsmodus, d.h. im „Leistungsmodus", befindet. Befindet sich der Motor 302 im Leistungsmodus, so ist θ_neu das bevorzugte Leitschaufelpositionsziel für den aktuellen Schritt und wird nicht geändert. In Situationen jedoch, in denen sich der Motor 302 im Bremsmodus befindet, wird das von dem offen geregelten Steuermodul 316 offen geregelte Leitschaufelpositionsziel bevorzugt. In einem solchen Fall würde θ_neu das von dem offen geregelten Steuermodul 316 offen geregelte Leitschaufelpositionsziel annehmen.
Anschließend wird θ_neu in einen D/A-Wandler 322 eingespeist, der dafür konfiguriert sein kann, θ_neu in ein analoges Signal umzuwandeln. In einer Ausführungsform ist der D/A-Wandler 322 ein Spannungstreiber, der dafür konfiguriert ist, θ_neu in ein gepulstes Modulationssignal („PMW"-Signal) umzuwandeln. Alternativ kann der D/A-Wandler 322 ein Stromtreiber sein, der dafür konfiguriert ist, θ_neu in einen schwankenden Strom umzuwandeln. Das Signal aus dem D/A-Wandler 322 wird dann zur Steuerung der Position des Stellantriebs 306 verwendet. Als Reaktion auf das Signal vom D/A-Wandler 322 stellt der Stellantrieb 306 die Leitschaufelposition des VGT 308 so ein, dass sie mit θ_neu übereinstimmt.
Nunmehr wird auf 4 Bezug genommen, die ein beispielhaftes Motorsystem 400 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt, gemäß der eine Kaskaden-PID-Technik zur Steuerung der Drehzahl des Turboladers als Mittel zum Führen der Leitschaufelposition implementiert wird. Es wird angemerkt, dass der Motor 402, der VGT 408, der Stellantrieb 406 und der D/A-Wandler 422 des Motorsystems 400 jeweils dem Motor 102, dem VGT 108, dem Stellantrieb 106 und dem D/A-Wandler 122 des in 1 dargestellten Motorsystems 100 entsprechen.
Wie dargestellt umfasst das Motorsystem 400 ferner eine MSE 404. Eine Ladedruckzielaufzeichnung 410 der MSE 404 erhält Eingaben vom Motor 402, die die Motordrehzahl und/oder die Treibstoffmenge des Motors 402 angeben. Basierend auf der Treibstoffmenge oder Motordrehzahl des Motors 402 wird aus der Ladedruckzielaufzeichnung 410 ein Ladedruckziel ermittelt. Das Ladedruckziel wird dann am Summierknoten 411 mit dem tatsächlichen Ladedruck des VGT 408 verglichen, um eine Ladedruckabweichung zu bestimmen.
Die Ladedruckabweichung wird dann in ein PID 412 eingegeben, das eine beliebige, auf dem Fachgebiet bekannte PID-Technik verwenden kann, um ein Turboladedruckziel zu bestimmen. In bestimmten Ausführungsformen kann das PID 412 dafür konfiguriert sein, das Turboladedruckziel mit Hilfe eines modifizierten PID-Ansatzes zu bestimmen. Gemäß dem modifizierten PID-Ansatz wird eine Änderung der Turbodrehzahl, Δ_DZ, die zum Erreichen des Turbodrehzahlziels notwendig ist, zuerst berechnet und dann zu der tatsächlichen Turbodrehzahl addiert, um ein Turbodrehzahlziel zu erhalten. In solchen Ausführungsformen kann Delta Turbodrehzahl nach Formel 4 wie folgt berechnet werden: ΔDZ = kp(errLD) + kdd(errLD)/dt Formel 4wobei „err_LD" ein Abweichungswert ist, der als die Differenz zwischen dem tatsächlichen Ladedruck und dem Ladedruckziel wie am Summierknoten 411 bestimmt definiert ist, und wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist. Ist Δ_DZ erst bestimmt, kann die Turbodrehzahlgrenze berechnet werden, indem Δ_DZ und die tatsächliche Turbodrehzahl addiert werden.
Danach kann ein Begrenzungsblock 413 implementiert sein, um das Turbodrehzahlziel auf einen bestimmten Bereich einzugrenzen. Es kann eine Unter- und eine Obergrenze der Turbodrehzahl für das System eingestellt sein, um die Leistung bei gleichzeitiger Minimierung der Belastung für das System zu verbessern. Wenn also das von dem PID 412 bestimmte Turbodrehzahlziel außerhalb des gewünschten Bereichs liegt, kann das Turbodrehzahlziel am Begrenzungsblock 413 so neu eingestellt werden, dass es in dem gewünschten Bereich liegt.
Nachdem das Turbodrehzahlziel bestimmt wurde, wird es am Summierknoten 415 mit der tatsächlichen Turbodrehzahl verglichen. Die Differenz zwischen dem Turbodrehzahlziel und der tatsächlichen Turbodrehzahl, die als die Turbodrehzahlabweichung oder „err_DZ" definiert ist, wird dann in ein PID 414 eingespeist. Das PID 414 kann dafür konfiguriert sein, eine neue Leitschaufelposition (d.h. θ_neu) auf der Basis von err_DZ und einer bekannten PID-Technik zu bestimmen. Alternativ kann das PID 414 θ_neu bestimmen, indem es zuerst eine modifizierte PID verwendet, um eine gewünschte Änderung der Leitschaufelposition, Δ^θ, nach Formel 5 unten zu berechnen: Δθ = kp(errDZ) + kdd(errDZ)/dt Formel 5wobei „err_DZ" die Differenz zwischen der tatsächlichen Turbodrehzahl und dem Turbodrehzahlziel wie am Summierknoten 415 bestimmt ist, und wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist. Dann werden Δ^θ und die Leitschaufelposition aus dem vorhergehenden Schritt addiert, um den Wert θ_neu zu erhalten, der dann in den Summierknoten 417 eingegeben wird.
Wie in 4 dargestellt, können bestimmte Ausführungsformen des Motorsystems 400 auch ein Vorwärtsschubmodul 420 umfassen, das dem Vorwärtsschubmodul 120 des Motorsystems 100 in 1 entspricht. Dementsprechend erhält das Vorwärtsschubmodul 420 von Sensoren am Motor 402 Daten, die die Drosselposition und/oder Treibstoffmenge des Motors 402 angeben. Basierend auf der eingegebenen Drosselposition oder Treibstoffmenge, einem Schwellenwert („Y") und einem Konstantwert („K_a") erzeugt das Vorwärtsschubmodul 420 einen Vorwärtsschubwert, der in den Summierknoten 417 eingespeist wird, um θ_neu nach Bedarf zu modifizieren. Der Vorwärtsschubwert kann nach der oben beschriebenen Formel 2 berechnet werden.
Danach kann ein Begrenzungsblock 419 als Schutz implementiert sein, um θ_neu in einem gewünschten Bereich zu halten. Es können eine Ober- und eine Untergrenze der Leitschaufelposition definiert sein, und in dem Fall, dass θ_neu außerhalb dieser Parameter liegt, kann der Wert θ_neu so neu eingestellt werden, dass er zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert liegt. Danach wird θ_neu in einen D/A-Wandler 422 eingespeist, der θ_neu in ein analoges Signal zum Steuern des Stellantriebs 406 umwandelt. Als Reaktion auf das Signal vom D/A-Wandler 422 passt der Stellantrieb die Leitschaufelposition des VGT 408 so an, dass sie θ_neu entspricht. Auf diese Weise kann die Leitschaufelposition des VGT 408 gesteuert und eingestellt werden.
Nunmehr wird Bezug auf 5 genommen, die ein Motorsystem 500 gemäß einer Ausführungsform darstellt, nach der eine geschlossen geregelte Motorbremssteuerung auf der Basis des Turbinendrucks in Kombination mit einer Kaskaden-PID-Technik verwendet wird, um die Leitschaufelposition zu steuern. Es wird angemerkt, dass der Motor 502, der VGT 508, der Stellantrieb 506 und der D/A-Wandler 522 des Motorsystems 500 jeweils dem Motor 102, dem VGT 108, dem Stellantrieb 106 und dem D/A-Wandler 122 des in 1 dargestellten Motorsystems 100 entsprechen.
In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt eine MSE 504 zuerst nach zwei Verfahren ein Turbodrehzahlziel für den VGT 508. Gemäß dem ersten Verfahren bestimmt eine Ladedruckzielaufzeichnung 510 ein Ladedruckziel auf der Basis der Motordrehzahl und der Treibstoffmenge des Motors 502. Das Ladedruckziel wird dann an einem Summierknoten 511 mit dem tatsächliche Ladedruck des VGT 508 verglichen, um die Ladedruckabweichung zu ermitteln. Danach wird die Ladedruckabweichung in ein PID 512 eingegeben, das eine herkömmliche PID-Technik verwenden kann, um ein Turbodrehzahlziel auf der Basis der Ladedruckabweichung zu erzeugen. Alternativ kann das PID 512 dafür konfiguriert sein, das Turbodrehzahlziel mit einer modifizierten PID-Technik zu erzeugen, wonach eine gewünschte Änderung der Turbodrehzahl, Δ_DZ, berechnet und zur tatsächlichen Turbodrehzahl addiert wird, um das Turbodrehzahlziel zu erzeugen. Formel 4, die oben beschrieben ist, kann zur Berechnung von Δ_DZ wie unten dargestellt verwendet werden: ΔDZ = kp(errLD) + kdd(errLD)/dt Formel 4wobei „err_LD" der Abweichungswert ist, der als die Differenz zwischen dem tatsächlichen Ladedruck und dem Ladedruckziel definiert ist, und wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist. Ist Δ_DZ erst bestimmt, kann das Turbodrehzahlziel berechnet werden, indem Δ_DZ und die tatsächliche Turbodrehzahl addiert werden.
Im zweiten Verfahren zur Bestimmung eines Turbodrehzahlziels wird die Motordrehzahl des Motors 502 in eine Turbinendruckaufzeichnung 514 eingespeist. Die Turbinendruckaufzeichnung 514 kann beispielsweise eine Datei sein, die in einer Speicherkomponente der MSE 504 gespeichert ist und gewünschte Turbinendrücke für gegebene Motordrehzahlen aufzeichnet. Basierend auf der eingegebenen Motordrehzahl wird aus der Turbinendruckaufzeichnung 514 ein Turbinendruckziel bestimmt. Das Turbinendruckziel wird dann mit dem tatsächlichen Turbinendruck verglichen, wie er von Sensoren am Motor 502 gemessen wurde. Die Turbinendruckabweichung, die als die Differenz zwischen dem Turbinendruckziel und dem tatsächlichen Turbinendruck bezeichnet wird, wird durch Vergleichen des Turbinendruckziels mit dem tatsächlichen Turbinendruck am Summierknoten 515 bestimmt. Die Turbinendruckabweichung wird dann in ein PID 516 eingespeist, das mit Hilfe einer herkömmlichen PID-Technik ein Turbinendruckziel erzeugen kann. Alternativ kann stattdessen eine modifizierte PID-Technik verwendet werden, um das Turbinendruckziel zu ermitteln, indem zuerst die gewünschte Änderung der Turbinendrehzahl, Δ_DZ, bestimmt wird und dann der Wert Δ_DZ zur tatsächlichen Turbodrehzahl addiert wird. Δ_DZ kann nach Formel 6 unten berechnet werden: ΔTurbine = kp(errTurbine) + kdd(errTurbine)/dt Formel 6wobei „err_Turbine" ein Abweichungswert ist, der als die Differenz zwischen dem tatsächlichen Turbinendruck und dem Turbinendruckziel definiert ist, und wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist. Das Addieren von Δ_DZ zur tatsächlichen Turbodrehzahl erzeugt die Turbodrehzahl nach dem zweiten Verfahren.
Mit 5 fortfahrend bestimmt die MSE 504 an einem Entscheidungsblock 517, ob sich der Motor 502 im Leistungs- oder im Bremsmodus befindet. Befindet sich der Motor 502 in einem Leistungsmodus, so wird das mit dem ersten Verfahren (d.h. mit PID 512) erzeugte Turbodrehzahlziel ausgewählt, um die neue Leitschaufelposition für den aktuellen Schritt festzulegen. Wenn sich der Motor 502 andererseits im Bremsmodus befindet, so wird das nach dem zweiten Verfahren (d.h. mit PID 516) erzeugte Turbodrehzahlziel ausgewählt. Es wird angemerkt, dass das am Entscheidungsblock 517 ausgewählte Turbodrehzahlziel in der vorliegenden Anmeldung auch als „ausgewähltes Turbodrehzahlziel" bezeichnet wird.
Danach kann das am Entscheidungsblock 517 ausgewählte Turbodrehzahlziel an einem Begrenzungsblock 519 auf einen gewünschten Bereich von Turbodrehzahlen eingegrenzt werden, wobei, wenn die Turbodrehzahl außerhalb des gewünschten Bereichs liegt, die Turbodrehzahl so neu eingestellt werden kann, dass sie in dem gewünschten Bereich liegt. Das Turbodrehzahlziel wird dann an einem Summierknoten 521 mit der tatsächlichen Turbodrehzahl verglichen, um eine Turbodrehzahlabweichung, err_DZ, zu bestimmen, die in ein PID 518 eingegeben wird. Das PID 518 kann dafür konfiguriert sein, eine neue Leitschaufelposition (d.h. θ_neu) auf der Basis von err_DZ und einer bekannten PID-Technik zu bestimmen. Alternativ kann das PID 518 θ_neu bestimmen, indem es erst eine modifizierte PID-Technik zum Berechnen einer gewünschten Änderung der Leitschaufelposition, Δ^θ, nach der oben erläuterten und unten dargestellten Formel 5 verwendet: Δθ = kp(errDZ) + kdd(errDZ)/dt Formel 5wobei „err_DZ" die Differenz zwischen der tatsächlichen Turbodrehzahl und dem Turbodrehzahlziel wie am Summierknoten 521 bestimmt ist, und wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist. Dann werden Δ^θ und die Leitschaufelposition aus dem vorhergehenden Schritt addiert, um den Wert θ_neu zu erhalten, der dann in den Summierknoten 523 eingegeben wird.
In bestimmten Aspekten der vorliegenden Ausführungsform kann ein Vorwärtsschubmodul 520 implementiert sein, um die Steuerung der Leitschaufelposition zu verbessern.
Das Vorwärtsschubmodul 520 erhält von Sensoren am Motor 502 Eingaben, die die Drosselposition und/oder Treibstoffmenge des Motors 502 angeben. Das Vorwärtsschubmodul 520 kann dafür konfiguriert sein, basierend auf der eingegebenen Drosselposition oder Treibstoffmenge, einem Schwellenwert („Y") und einem Konstantwert („K_a") einen Vorwärtsschubwert zu erzeugen. Der Vorwärtsschubwert kann dann in den Summierknoten 523 eingegeben werden, um θ_neu nach Bedarf zu modifizieren. Der Vorwärtsschubwert kann nach der oben beschriebenen Formel 2 berechnet werden.
Danach kann ein Begrenzungsblock 525 zur MSE 504 gehören um zu gewährleisten, dass θ_neu in einem gewünschten Bereich von Leitschaufelpositionen liegt. Liegt θ_neu nicht im gewünschten Bereich, kann der Wert θ_neu am Begrenzungsblock 525 so eingestellt werden, dass er im gewünschten Bereich liegt. Danach wird θ_neu in einen D/A-Wandler 522 eingespeist, der θ_neu in ein analoges Signal zum Steuern des Stellantriebs 506 umwandelt. Basierend auf dem Signal vom D/A-Wandler 522, passt der Stellantrieb 506 die Leitschaufelposition des VGT 508 so an, dass sie θ_neu entspricht. Auf diese Weise kann die Leitschaufelposition des VGT 508 gesteuert und eingestellt werden.
Dem Fachmann werden sich dank der Lehren, die in der vorangegangenen Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der vorliegend dargestellten Erfindungen erschließen, auf die sich die Erfindungen beziehen. Daher versteht es sich, dass die Erfindungen nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein sollen und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sein sollen. Obschon im Vorliegenden spezifische Begriffe verwendet werden, werden sie lediglich in einem generischen und beschreibenden Sinne und nicht zum Zwecke der Be schränkung verwendet.

Claims

Verfahren zum Positionieren einer Gruppe von Leitschaufeln eines Turboladers mit variabler Geometrie (108), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen eines Ladedruckziels für den Turbolader, Berechnen eines Abweichungswerts (err) zwischen dem Ladedruckziel und einem tatsächlichen Ladedruck, Bestimmen einer Änderung der Leitschaufelposition (Δ^θ), Bestimmen einer neuen Leitschaufelposition für den Turbolader auf der Grundlage der Änderung der Leitschaufelposition und Positionieren der Gruppe von Leitschaufeln des Turboladers entsprechend der neuen Leitschaufelposition, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelposition (Δ^θ) im Wesentlichen gleich k_p(err) + k_dd(err)/dt ist, wobei k_p der proportionale Zuwachswert und k_d der differenziale Zuwachswert ist, und ferner folgende Schritte umfassend: Modifizieren der neuen Leitschaufelposition mit einem Vorwärtsschubwert, FF, wobei FF im Wesentlichen gleich (|dTP/dt| – Y)·K_a ist, wobei TP die absolute Drosselposition, Y ein Schwellenwert und K_a eine Konstante ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner einen Schritt des Korrigierens des Ladedruckziels auf der Grundlage eines Umgebungsdrucks solcherart umfasst, dass zu hohe Drehzahlen des Turboladers verhindert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner einen Schritt des Messens eines Motorparameters vor dem Schritt des Bestimmens des Ladedruckziels umfasst, wobei das Ladedruckziel aus einer Ladedruckzielaufzeichnung auf der Grundlage des Motorparameters bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner einen Schritt des Umwandelns der neuen Leitschaufelposition in ein Analogsignal nach dem Schritt des Bestimmens der neuen Leitschaufelposition und vor dem Schritt der Positionierung der Gruppe von Leitschaufeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner einen Schritt des Verwendens des Analogsignals zum Anordnen eines Stellantriebs umfasst.
System zum Anordnen einer Gruppe von Leitschaufeln eines Turboladers mit variabler Geometrie (108), wobei das System Folgendes umfasst: eine Ladedruckzielaufzeichnung (110) zum Bestimmen eines Ladedruckziels für den Turbolader, eine elektronische Steuereinheit, die zum Berechnen eines Abweichungswerts zwischen dem Ladedruckziel und einem tatsächlichen Ladedruck und zum Bestimmen einer neuen Leitschaufelposition für den Turbolader auf der Grundlage der Änderung der Leitschaufelposition konfiguriert ist, ein PID-Modul, das zum Bestimmen der Änderung der Leitschaufelposition (Δ^θ) konfiguriert ist, und einen Stellantrieb, der zum Positionieren der Gruppe von Leitschaufeln des Turboladers entsprechend der neuen Leitschaufelposition konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass: die Änderung der Leitschaufelposition (Δ^θ) im Wesentlichen gleich k_p(err) + k_dd(err)/dt ist, und ferner Folgendes umfassend: ein Vorwärtsschubmodul, das zum Modifizieren der neuen Leitschaufelposition mit einem Vorwärts schubwert, FF, konfiguriert ist, wobei FF im Wesentlichen gleich (|dTP/dt| – Y)·K_a ist.
System nach Anspruch 6, ferner ein Ladedruckzielkorrekturmodul umfassend, das zum Korrigieren des Ladedruckziels auf der Grundlage eines Umgebungsdrucks solcherart konfiguriert ist, dass zu hohe Drehzahlen des Turboladers verhindert werden.
System nach Anspruch 6, ferner Folgendes umfassend: einen Sensor, der zum Messen eines Motorparameters konfiguriert ist, wobei das Ladedruckziel aus der Ladedruckzielaufzeichnung (110) auf der Grundlage des Motorparameters bestimmt wird.
System nach Anspruch 6, ferner einen D/A-Wandler umfassend, der zum Umwandeln der neuen Leitschaufelposition in ein Analogsignal konfiguriert ist.
System nach Anspruch 9, wobei das Analogsignal zur Positionierung des Stellantriebs verwendet wird.