DE69123845T2 - Regelung einer aufladevorrichtung - Google Patents

Regelung einer aufladevorrichtung

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Description

  • Der Gegenstand der Erfindung betrifft die Regelung einer Turboaufladevorrichtung des Typs, der eine erste und eine zweite Turboeinheit umfaßt. Derartige turboaufladende Anordnungen sind beispielsweise aus der FR-A-2 615 902 oder der EP-A-0 334 206 bekannt.
  • Die Anforderungen an zukünftige Motoren, betreffend weniger Kraftstoffverbrauch, reduzierte Abgasemission, ein leichteres Gewicht, reduzierte Raumanforderungen, längere Lebensdauer und erhöhte Leistungskonzentration, werden zunehmen. Ein Weg, dies zu erreichen, besteht darin, einen ein kleineres Hubvolumen aufweisenden Auflademotor zu verwenden anstatt einen größeren Saugmotor.
  • Durch Verwendung alternativer Kraftstoffe, vorzugsweise Motorgüte aufweisenden Methanolalkohol (M100 oder alternativ M85, wobei 100/85 herkömmlicherweise den Anteil von Methanol im Kraftstoff angibt), wird es möglich, die Eigenschaften der hohen Oktanzahl dieser Kraftstoffe zu nutzen, um die Motorkompression zwecks eines höheren Wirkungsgrads zu erhöhen. Des weiteren kann in einem Auflademotor der Ladedruck erhöht werden, ohne daß es zu unkontrollierter Verbrennung (Klopfen) kommt. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, den Betrag des Aufladens bei niedrigen Drehzahlen wie auch die Empfindlichkeit zu erhöhen, um ein höheres Drehmoment zu erzielen. Dies ist normalerweise aufgrund des Klopfrisikos bei herkömmlichen Motoren nicht möglich, wenn als Kraftstoff Benzin verwendet wird.
  • Reihenmotoren, beispielsweise (es sind ebenso andere Zylinderkonfigurationen möglich) des Verbrennungstyps, die vorzugsweise mit Methanol (M100 oder M85) betrieben werden, bieten einzigartige Möglichkeiten, gut funktionierende Turboladebedingungen mit exzellenter Kraftstoffwirtschaftlichkeit und reduzierten Abgasemissionen zu kombinieren.
  • Bei hintereinander angeordneten Turboladeeinrichtungen ist es möglich, in einem weiten Drehzahlbereich optimale Wirkungsgradbedingungen zu erreichen. Eine kleine Turboeinheit, die so konfiguriert ist, daß sie bei niedrigen Drehzahlen effizient ist, kann mit einer größeren Einheit kombiniert werden, die primär für höhere Drehzahlen bis zum Vollastbereich des Motors ausgelegt ist.
  • Durch Verwendung von Methanolkraftstoffen wie auch durch eine effizientere Aufladung werden die Gasmischung und der Zylinder nicht so stark erhitzt und die Bildung von Stickstoffoxidverbindungen (NOx-Verbindungen) wird reduziert.
  • Mittels elektronisch geregelter Aufladung wird es möglich, den Aufladedrucklevel sowohl für Methanolkraftstoff wie auch fur reine Benzinbetriebsbedingungen (niedrigerer Ladedruck aufgrund der niedrigeren Oktanzahl) zu umreißen. Wenn zudem ein Kraftstoffverbrauchssensor verwendet wird, wird es auch möglich, die Zwischenkraftstoffmischung (Qualitäten/Oktanzahl) zu erfassen und davon Gebrauch zu machen, und der Ladedrucklevel kann auf die Möglichkeiten einer jeden individuellen Kraftstoffqualität eingestellt werden.
  • Eine geregelte Aufladung, um einen Drehmoment bezogenen Sollwert zu erreichen, die Verwendung von Methanolkraftstoffen und von sequentieller Turboaufladung schaffen in Kombination miteinander praktisch über den gesamten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Auf diese Weise können Leistungscharakteristiken erhalten werden, die es erlauben, daß ein großer Saugmotor durch einen Lademotor mit gleicher Leistung ersetzt werden kann, wie es zuvor erläutert wurde. Die erzielten Vorteile bestehen darin, daß der Motor für eine vorgegebene Leistungsabgabe unter einer hohen spezifischen Last mit sich daraus ergebenden reduzierten Pumpverlusten und Reibungsverlusten arbeitet. Das Ergebnis ist ein verbesserter spezifischer Kraftstoffverbrauch und ein niedrigerer Absolutverbrauch (entsprechend dem kleineren Motor, da aufgrund der Oktanzahl des Methanolkraftstoffs die Mindestkompression schwach bleiben kann).
  • Mit Hilfe der drehmomentgesteuerten Regelung (Sollwert als eine Funktion der Drehzahl) und mit Hilfe von Regelventilen mit besonderem Design kann ein Übergang von der kleinen Turboeinheit zur größeren ohne Ladedruck- und Drehzahlabfälle ausgeführt werden.
  • Reihenmotoren schaffen durch Einbau einer kleinen und einer großen Turboeinheit, die kurze Abgas- und Luftleitungen in einer hochkompakten Weise aufweisen, auch einzigartige, vorteilhafte Möglichkeiten zum Integrieren des sequentiellen Aufladens.
  • Die Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Turboladevorrichtungen und ist durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 2 definierten Merkmale gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme zu einer bevorzugten Ausführungsform und zu den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, wobei
  • Fig. 1 den strukturellen Aufbau einer in Reihe arbeitenden Turboeinheit schematisch darstellt,
  • Fig. 2 ein Blockdiagramm des Regelungsystems der Erfindung ist, und
  • Fig. 3 das Prinzip der Regelung der zwei Turboeinheiten zeigt.
  • Fig. 1 stellt eine Turboladeanordnung gemäß der Erfindung dar. Sie umfaßt eine erste Turboeinheit 1 und eine zweite Turboeinheit 2, wobei die letztere größer ist als die erste. Der Größenunterschied ist jedoch nicht zwingend notwendig. Auf der Lufteinlaßseite der Einheit ist ein erstes Regelventil 3 geschaffen, das elektronisch gesteuert werden kann, im vorliegenden Fall jedoch ein Rückschlagventil ist. Auf der Abgasseite ist ein zweites elektronisch gesteuertes Regelventil 4 geschaffen.
  • Ein erstes Abgas-Absperrventil (waste-gate valve) 5 ist in der ersten Turboeinheit 1 geschaffen und in der zweiten Turboeinheit ist ein zweites Abgas-Absperrventil 6 vorhanden, wobei beide elektronisch gesteuert werden.
  • Direkt neben der Ansaugleitung des Motors befindet sich ein Drehansaugventil 7, das in Erwiderung auf die Funktion des "herkömmlichen" Ventils 8 gesteuert wird. In bekannter Weise ist im Zylinderkopf ein Auslaßventil 9 geschaffen. Selbstverständlich kann die Erfindung in Motoren verwendet werden, die mehr als ein Auslaß- und ein Einlaßventil pro Zylinder aufweisen.
  • Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Sensor, der zur Messung der Abgastemperatur ausgestaltet ist. Außerdem bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen Drehzahlmesser 11 und das Bezugszeichen 12 bezeichnet die herkömmliche Drosselklappe.
  • Fig. 2 zeigt in Blockdiagrammform ein Regelsystem, das für die vorliegende Erfindung bestimmt ist. Es umfaßt eine Steuerungseinheit 13, die in herkömmlicher Weise mit einem Mikroprozessor, einer Speichereinheit und mit Eingangs- und Ausgangsmitteln zur Regelung verschiedener Parameter des Prozesses ausgestattet ist. An die Zentraleinheit 13 sind
  • Anschlüsse für Ein- und Ausgabesignale angeschlossen. Die Eingabesignale repräsentieren die Größen von vier verschiedenen Drucksignalen p1, p2, p3 und p4. Wie diese Drücke zu definieren sind, ist in Fig. 1 gezeigt. Die verschiedenen Drücke werden mit Hilfe von vier verschiedenen Drucksensoren (nicht gezeigt) herkömmlicher Art gemessen, die auf der Luftseite der Vorrichtung in durch die Bezugszeichen p1, p2, p3 bzw. p4 (siehe Fig. 1) angedeuteten Positionen angeordnet sind.
  • Mit der Steuerungseinheit 13 sind gleichermaßen der Drehzahlmesser 11, der Abgastemperatursensor 10 und eine Anzeigevorrichtung 14 angeschlossen, welche im Kraftstoffsystem (nicht gezeigt) positioniert ist, um Informationen hinsichtlich der Kraftstoffqualität zu geben. Die Anzeigeeinrichtung 14 gibt ein kontinuierliches Signal aus, das den Methanolgehalt im Kraftstoffgemisch angibt.
  • Von der Steuerungseinheit 13 werden Ausgabesignale zum Regelventil 4, zum ersten Abgas-Absperrventil 5 und zum zweiten Abgas-Absperrventil 6 ausgegeben.
  • Optionalerweise kann irgendwo auf der Luftseite der Turboeinrichtung ein Wärmetauscher vorgesehen sein.
  • Die Regelung des Turboladedrucks wird im einzelnen nachfolgend beschrieben. Wenn die Drehzahl des Motors niedrig ist (der Motor kann ein Reihenmotor, ein V-Motor, ein Dieselmotor, ein Wankelmotor oder ein anderer Verbrennungsmotortyp sein), wird die erste (kleinere) Turboeinheit 1 betrieben werden, so daß der gewünschte Ladedruck erreicht wird. Dies ist erwünscht, da die kleinere Einheit einen verhältnismäßig niedrigen Gasstrom benötigt, um einen hohe Wirkungsgrad zu erzielen. Um nur die erste Turboeinheit 1 (bei niedrigen Drehzahlen) zu betreiben, muß das erste Regelventil 4 geschlossen gehalten werden, während das zweite Abgas-Absperrventil 6 in offener Stellung gehalten wird. Dieser Prozeß wird durch die Steuerungseinheit 13 mit Hilfe eines Computerprogramms überwacht, das einem auf diesem technischen Gebiet bewanderten Fachmann bekannt ist.
  • Wenn der Druckunterschied "Sollwert minus aktuellem Druckwert p4" geregelt wird, und gleichzeitig die Drehzahl n des Motors zunimmt, findet ein kontinuierlicher "Übergang" statt, wobei der Betrieb der ersten Einheit graduell abnehmen wird, während die zweite größere Turboeinheit 2 "übernehmen" wird und in erhöhtem Maß betrieben wird.
  • In der extremen Situation, bei der eine hohe Drehzahl vorhanden ist und ein großer Unterschied zwischen dem Sollwert und dem aktuellen Wert des Drucks p4 besteht, wird die kleine Einheit 1 diesen Druckunterschied "kompensieren" und bis zu einem gewissen Ausmaß gleichzeitig mit der zweiten Einheit 2 betrieben werden.
  • Die Art und Weise, in der die zwei Turboeinheiten 1, 2 betrieben werden, kann mit Hilfe des Diagrammtyps, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, erläutert werden. Die Prozentsätze stellen das "Verhältnis" (von 100 %) der Turbofunktion dar, die auf die erste Einheit 1 als Funktion der Drehzahl n und des Unterschieds zwischen den Soll-/aktuellen Werten des Drucks aufgebracht wird.
  • Aufgrund der vorliegenden Erfindung wird ein hoher Wirkungsgrad der Turbofunktion über einen sehr großen Drehzahlbereich zielt. Eine Ansprechzunahme (d.h. wie schnell der Druckaufbau auftritt) wird ebenfalls erzielt.
  • Mit Hilfe der Kraftstoffqualitätanzeigeeinrichtung 14 wird es möglich, durch Berechnen der Sollwerte des Ladedrucks auf der Basis des aktuellen Kraftstoffverbrauchs den Ladebetrag der Turboeinheiten jederzeit zu steuern. Ist der Sollwert einmal festgesetzt worden, kann die Tabelle der Fig. 3 als Leithilfe für die Auswahl verwendet werden, welcher Einheit, 1 oder 2, eine Priorität gegeben werden soll. Es ist zu beachten, daß die Erfindung insbesondere sehr gut zusammnen mit Kraftstoffen verwendet werden kann, die Methanol beinhalten. Bei Verwendung allgemein bekannter Sensoren, wird es möglich, beispielsweise den Prozentanteil des Methanols im Benzin (oder umgekehrt) kontinuierlich zu registrieren.
  • Hinsichtlich der Regelung des Sollwertes einer Turboeinheit als solche, d.h. die Steuerung der Ventile 5 und 6, wird auf das schwedische Patent 8101119-9 Bezug genommen, das betitelt ist "Vorrichtung zur Steuerung des Ladedrucks in einem Turbo- Verbrennungsmotor".
  • Beim Übergang zwischen dem Betrieb der ersten Einheit 1 und dem Betrieb der zweiten Einheit 2 ist das Folgende anzuwenden. Bevor das Ventil 4 geöffnet wird, wird ein Check (hinsichtlich des Arbeitszyklus des Ventils 6) ausgeführt, um zu ermitteln, ob die Eineit 2 genug Leistung besitzt, um den Motor auf dem gewünschten Druck zu betreiben. Der Sollwert der Einheit 2 wird dann um einen Betrag vergrößert, der dem bestehenden Druck über der ersten Einheit 1 gleicht, während sich zur gleichen Zeit das Ventil 4 zu öffnen beginnt. Diese Vorgänge sind zeitgesteuert. Während der Öffnungsbewegung des Ventils 4 wird der Gegendruck des Motors reduziert, wodurch der Sollwert des Drucks p4 vermindert wird, um das Abtriebsdrehmoment des Motors beizubehalten. Auf diese Weise wird ohne Veränderung des Motordrehmomentes ein erfolgreicher Übergang von einer Einheit 1, 2 zur anderen erzielt (d.h. wenn sich das Ventil 4 öffnet).
  • Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung kann in Verbindung mit dem sogenannten Atkinson/Miller-Prozeß verwendet werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Turboaufladungsregelung in einem Verbrennungsmotor mit einer ersten Turboeinheit (1) und einer zweiten Turboeinheit (2), wobei die Turbinen und Kompressoren der Turboeinheiten (1, 2) auf den Auspuffbzw. Luftansaugseiten des Motors aufeinanderfolgend angeordnet sind und aufweisend ein einziges Luftansaugrohr, ein erstes Ventil (4), das der ersten Turboeinheit (1) zugeordnet und so angeordnet ist, daß die Motorverbrennungsgase in seinem geschlossenen Zustand zur Turbine der ersten Turboeinheit (1) und in seinem offenen Zustand hinter die Turbine der ersten Turboeinheit (1) geleitet werden, und ein zweites Ventil (6), das der zweiten Turboeinheit (2) zugeordnet und so angeordnet ist, daß die Motorverbrennungsgase in seinem geschlossenen Zustand zur Turbine der zweiten Turboeinheit (2) und in seinem offenen Zustand hinter der Turbine der zweiten Turboeinheit (2) geleitet werden, wodurch ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem Betrieb der ersten und zweiten Turboeinheiten (1, 2) bereitgestellt wird, und mit einer Zentraleinheit (13), an die ein Motordrehzahlsensor (11) sowie wenigstens ein Drucksensor angeschlossen ist, das ein Signal ausgibt, das wenigstens einen vorhandenen Druckpegel (p1 - p4) anzeigt, wobei die Zentraleinheit dazu ausgelegt ist, die Ventile ansprechend auf Signale von den Sensoren (11, p1 - p4) elektronisch zu steuern, und eine Kraftstoffqualitätsanzeigeeinrichtung (14), die in dem Kraftstoffsystem so angeordnet ist, daß das Aufladeausmaß der Turboeinheiten (1, 2) durch die Zentraleinheit (13) durch Berechnen von Sollwerten für den Ladedruck auf der Grundlage des Signals von der Anzeigeeinrichtung (14) gesteuert werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Turboeinheit (1) kleiner als die zweite Turboeinheit (2) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Turboeinheit (1) zum Betrieb bei einer vergleichsweise niedrigen Verbrennungsgasströmung vorgesehen ist, und daß die zweite Turboeinheit (2) zum Betrieb bei einer relativ hohen Verbrennungsgasströmung vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil (6) ein Abgas-Absperr(waste-gate) ventil ist, das elektrisch geöffnet werden kann.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das der ersten Turboeinheit (1) zugeordnete erste Ventil (4) bei niedrigen Drehzahlen geschlossen ist, und daß das der zweiten Turboeinheit (2) zugeordnete zweite Ventil (6) bei niedrigen Drehzahlen offen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffanzeigeeinrichtung (14) die Oktanzahl mißt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffanzeigeeinrichtung (14) die Kraftstoffzusammensetzung, z.B. den Methanolgehalt im Benzin mißt.
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