DaimlerChrysler AG
Regelungsvorrichtung, Verbrennungsmotor, Fahrzeug und Verfahren zur Ladedruckregelung zweier Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung zur Ladedruckregelung von mindestens zwei durch Abgas eines Verbrennungsmotors antreibbaren Abgasturbolädern zur Beladung des Verbrennungsmotors mit Verbrennungsluft, mit Regelungsmitteln zur Bereitstellung eines LadedruckstellSignals zur Ladedruckregelung der Abgasturbolader anhand eines Ladedruck-Istwert- Signals und eines Ladedruck-Sollwertsignals, und mit Last- Verteilungsmitteln zur Ansteuerung der Abgasturbolader anhand des Ladedruckstellsignals mittels Steuersignalen derart, dass die Abgasturbolader vorbestimmte Anteile zur Verbrennungsluftförderung beitragen.
Das Grundprinzip einer derartigen Regelungsvorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 197 51 977 für einen Verbrennungsmotor mit einem einzigen Abgasturbolader bekannt. Ein Verdichter des Turboladers verdichtet die Ansaugluft zur Beladung der Zylinder des Verbrennungsmotors mit Verbrennungsluft . Die Regelungsvorrichtung regelt den Abgasturbolader derart, dass die Verbrennungsluft mit einem vorbestimmten Ladedruck für den Verbrennungsmotor bereitsteht . Die Regelungsvorrichtung generiert ein Steuersignal zur Steuerung eines Aktuators an der Turbine des Abgasturbo-
laders. Der Aktuator betätigt beispielsweise eine variable Turbinengeometrie oder eine Bypassklappe an der Turbine und beeinflusst so den vom Abgasturbolader erzeugten Ladedruck. Als Regelungsmittel wird ein PIDT1-Regler vorgeschlagen.
Für einen in Serie produzierten Verbrennungsmotor mit mehreren Abgasturbolädern, beispielsweise einen sogenannten Bitur- bo-Motor, ist dieses Regelungskonzept um Last-Verteilungsmittel ergänzt, die man auch im Falle einer gleichmäßigen Verteilung der Last als Gleichstellungsregler bezeichnen kann. Die Last-Verteilungsmittel ermöglichen einen möglichst symmetrischen Betrieb der Abgasturbolader. Beispielsweise ist jeweils ein Abgasturbolader einer Zylindergruppe mit je drei oder vier Zylindern zugeordnet und wird durch den Teil- Abgasstrom der jeweiligen Zylindergruppe angetrieben. Die Abgasturbolader tragen zur Verbrennungsluftfδrderung in unterschiedlichem Maße bei, was beispielsweise auf Fertigungstoleranzen bei den Abgasturbolädern, beim Verbrennungsmotor oder dergleichen zurückzuführen ist. Hier sorgen die Last- Verteilungsmittel für einen Ausgleich und steuern die Abgasturbolader derart an, dass die Abgasturbolader vorbestimmte Anteile zur Verbrennungsluftfδrderung beitragen.
Bei dem bekannten Regelungskonzept wird das Ladedruckstell- signal, das die Last-Verteilungsmittel zur Ansteuerung der Abgasturbolader auswerten, durch einen einzelnen Regler gebildet. Die Dynamik dieses Reglers ist eingeschränkt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Dynamik einer Regelungsvorrichtung bzw. eines Verfahrens der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird von der Regelungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Regelungsmittel als Kaskadenregelung ausgestaltet sind, bei der eine erste Regelungseinrichtung das Ladedruck-Istwertsignal und das Ladedruck-Sollwertsignal auswertet und einen Abgasdruck- Sollwertsignal für mindestens einen Abgasstrom des Verbrennungsmotors bereitstellt, und bei der eine zweite Regelungseinrichtung das Ladedruckstellsignal für die Last- Verteilungsmittel anhand des Abgasdruck-Sollwertsignals und mindestens eines vom Abgas des Verbrennungsmotors abhängigen Abgasdruck-Istwertsignals ermittelt .
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, eine zweistufige Regelung zu realisieren, bei der zunächst ein Abgasdruck-Sollwert- signal bereitgestellt wird. Dieses Abgasdruck-Sollwertsignal findet Eingang in eine zweite Regelungsstufe, bei der eines oder mehrere vom Abgas des Verbrennungsmotors abhängige Abgas-Istwertsignale ausgewertet werden. An die zweite Regelungseinrichtung schließen sich die Last-Verteilungsmittel an, die anhand des Ladedruckstellsignals, also des Ausgangssignals der Regelung, die Abgasturbolader so ansteuern, dass sie jeweils vorbestimmte Anteile zur Verbrennungsluftförderung beitragen. Es wird also in einem in sich geschlossenen Regelungskonzept kaskadenartig, z.B. zweistufig, zunächst das Ladedruckstellsignal generiert. Sodann wird dieses Ladedruckstellsignal auf die Abgasturbolader sozusagen aufgeteilt. Dabei ist eine symmetrische, gleichmäßige Lastverteilung besonders bevorzugt . Ungleichmäßige Lastverteilungen wären aber auch möglich.
Die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung bzw. das Regelungs- verfahren sind stabil und dabei wesentlich dynamischer als bekannte Regelungskonzepte. Es werden verhältnismäßig wenig
Regler benötigt. Durch das sequentielle, kaskadenartige und in sich geschlossene Regelungskonzept zur Bereitstellung des Ladedruckstellsignals werden unerwünschte oder unerlaubte Einschwingungsvorgänge, gegenphasiges Schwingungsverhalten o- der dergleichen vermieden, zumindest aber auf ein vernachlässigbar geringes Maß reduziert. Die Regelungsvorrichtung bzw. das Regelungsverfahren können auf Grund ihrer Stabilität schnell ausgelegt sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung.
Zweckmäßigerweise ist die Regelungsvorrichtung zur Ermittlung des mindestens einen Abgasdruck-Istwertsignals aus Teil- Abgasdruck-Istwerten von Teil-Abgasströmen ausgestaltet. Die Teil-Abgasströme dienen zum Antrieb jeweils eines Abgasturboladers. Beispielsweise stammt jeweils ein Teil-Abgasstrom von einer Zylindergruppe des Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor hat beispielsweise sechs oder acht Zylinder, wobei drei bzw. vier Zylinder jeweils zu einer Zylindergruppe zu- sammengefasst sind. Die Zylinder können beispielsweise V- förmig zueinander angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist die Anwendung der Regelungsvorrichtung im Zusammenhang mit einem Bi-Turbomotor, das heißt mit einem Motor mit zwei Abgasturboladern. Dabei ist vorzugsweise jeweils einer Zylindergruppe ein Abgasturbolader zugeordnet.
Vorteilhafterweise wird aus den Teil-Abgasdruck-Istwerten der Teilabgasströme ein mittlerer Abgasdruck-Istwert ermittelt, beispielsweise ein arithmetischer Mittelwert.
Die Last-Verteilungsmittel, die man bei einer gleichmäßigen Lastverteilung auch als Gleichstellungsregler bezeichnen
kann, körinen die Lastverteilung anhand des Ladedruckstellsignals auf der Basis verschiedener, den jeweiligen Abgasturboladern zugeordneter Eingangwerte vornehmen.
Vorzugsweise werten die Last-Verteilungsmittel zur Ansteuerung der Abgasturbol der Teil-Abgasdruck-Istwerte von die Abgasturbolader jeweils antreibenden Abgasströmen aus. Eine andere, ebenfalls zweckmäßige Maßnahme ist, dass die das Verteilungsmittel die Teil-Luftmengen-Istwerte der durch die Abgasturbolader jeweils geförderten Luftmengen auswerten. Beispielsweise können Luftmengen-Differenzwerte bzw. Abgasdruckdifferenzwerte gebildet werden. Prinzipiell wäre es auch möglich, dass die Last-Verteilungsmittel sowohl die Abgasdruckistwerte .als auch die Teil-Luftmengen-Istwerte auswerten. Es ist aber auch möglich, die Last-Verteilungsmittel zur wahlweisen Auswertung der Abgasdruckwerte oder der Luf mengenwerte umzuschalten. Hierfür hat sich ein Software-Umschalter, beispielsweise ein einstellbarer Parameter oder dergleichen, als zweckmäßig erwiesen.
Die nachfolgenden vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung beziehen sich auf die Last-Verteilungsmittel, wobei derartige Last-Verteilungsmittel an sich schon eine eigenständige Erfindung darstellen.
Wie bereits erläutert, können Toleranzen im Verstellmechanismus der Turbolader, unterschiedliche thermodynamische Wirkungsgrade, Unterschiede beim Abgasstrom oder dergleichen zu unterschiedlichem Förder-Verhalten der Abgasturbolader führen. Zwar unterscheiden sich diese Toleranzen bei den jeweiligen Konstellationen von Verbrennungsmotoren und Abgasturboladern. Allerdings sind bei einer gegebenen Kombination von Verbrennungsmotor und zwei oder mehr Abgasturbolädern die To-
leranzen zwischen den Abgasturboladern konstant oder zumindest weitgehend konstant. Dementsprechend speichern die Last- Verteilungsmittel zweckmäßigerweise einen einmal ermittelten Regelungswert in einem Speicher ab und benutzen diesen Regelungswert als Startwert bei Beginn eines erneuten Regelungs- zyklusses. Somit wird bereits zu Beginn eines Regelungs- zyklusses, beispielsweise nach dem erneuten Starten des Verbrennungsmotors, sehr schnell eine gleichmäßige Verteilung der Last auf die Abgasturbolader erreicht. Die Last- Verteilungsmittel sind sozusagen lernend, da dieser Speicherund Auslesevorgang bei jedem Regelungszyklus wiederholt wird.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung sieht vor, dass der Regelungswert in Abhängigkeit von einem Betriebsbereich des Verbrennungsmotors in dem Speicher abgelegt ist und das die Last-Verteilungsmittel den Regelungswert bei Erreichen des Betriebsbereichs wieder aus dem Speicher auslesen und als Startwert auswerten. Der Betriebsbereich kann beispielsweise durch eine Drehzahl und/oder eine Kraftstoffeinspritzmenge und/oder eine Verbrennungsluftmasse des Verbrennungsmotor definiert sein. Es versteht sich, dass auch Drehzahlbereiche, Kraftstoffeinspritzmengenbereiche und Verbrennungsluftmassen- bereiche zur Definition des oder der Betriebsbereiche geeignet sind.
Zweckmäßigerweise speichert die Regelungsvorrichtung nämlich mehrere Regelungswerte tabellenartig in dem Speicher ab. Die Felder einer derartigen Tabelle sind jeweils Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors zugeordnet. Es wird also nicht nur ein einziger Regelungswert sondern ein Regelungswertfeld abgespeichert, das man auch als Korrekturfeld bezeichnen kann, dessen Korrekturwerte in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder der Last des Motors abgelegt sind. Zur Definition
der Last des Motors eignet sich beispielsweise die Kraftstoffeinspritzmenge oder die zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigte Verbrennungsluftmasse.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung, und
Fig. 2 Last-Verteilungsmittel der Regelungsvorrichtung gemäß Figur 1.
Ein Fahrzeug 10 ist durch einen Verbrennungsmotor 11 antreibbar, bei dem es sich beispielsweise um einen Acht-Zylinder-V- Motor handelt. Der Verbrennungsmotor 11 ist beispielsweise mit Diesel-Kraftstoff, Benzin oder Methanol oder dergleichen betreibbar. Verdichter 12, 13 eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers 14, 15 verdichten Ansaugluft 16, 17 und speisen sie über Leitungen 18 in eine Kammer 19, z.B. eine Luftsammlerkammer, des Verbrennungsmotors 11 ein.
Aus der Kammer 19 werden je vier Zylinder 20, 21 von Zylindergruppen 22, 23 mit Verbrennungsluft 24 versorgt. Man kann die Zylindergruppen 22, 23 auch als Zylinderbänke bezeichnen.
Bei der Verbrennung des Kraftstoffes sowie der Verbrennungsluft 24 entsteht Abgas, das in einem ersten und einem zweiten Teil-Abgasstrom 25, 26 durch Leitungen 27, 28 aus den Zylindern 20, 22 ausströmt. Durch die Abgasströme 25, 26 werden Turbinen 29, 30 der Abgasturbolader 14, 15 angetrieben. Die Turbinen 29, 30 treiben die Verdichter 12, 13 an. Die Turbi-
nen 29, 30 weisen vorliegend variable Turbinengeometrien zur variablen Verdichtung der Ansaugluft 16, 17 auf. Die Turbinengeometrien sind durch Aktuatoren 31 bzw. 32 beeinflussbar. Die Aktuatoren 31, 32 sind beispielsweise Stellantriebe. Die Abgasturbolader 14, 15 könnten auch Bypassanordnungen, z.B. eine Bypassklappe oder dergleichen, zur Variierung der jeweiligen Verdichtungsleistung der Ansaugluft 16, 17 aufweisen.
Eine Motorsteuerung 33 steuert und überwacht die Funktionen des Verbrennungsmotors 11. Die Motorsteuerung 33 beeinflusst beispielsweise eine Zündung, eine Kraftstoffeinspritzung oder dergleichen in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 11. Die Motorsteuerung 33 enthält eine Regelungsvorrichtung 34 zur Ladedruckregelung der Abgasturbolader 14, 15. Die Regelungsvorrichtung 34 enthält Regelungsmittel 35 mit einer ersten Regelungseinrichtung 36 und einer zweiten Regelungseinrichtung 37, die kaskadenartig hintereinander geschaltet sind.
Die erste Regelungseinrichtung 36 bildet anhand eines beispielsweise von der Motorsteuerung 33 bereitgestellten Ladedruck-Sollwertsignals 38 sowie anhand eines Ladedruck- Istwertsignals 39 ein Differenzwertsignal 40. Das Ladedruck- Istwertsignal 39 wird beispielsweise durch einen an der Kammer 19 angeordneten Drucksensor 41 bereitgestellt, der den Ladedruck-Istwert der Verbrennungsluft 24 in der Kammer 19 ermittelt. Ein Regler 42, beispielsweise ein PID-Regler oder ein PIDT1-Regler, ermittelt anhand des Ladedruck- Differenzwertsignals 40 ein Abgasdruck-Sollwertsignal 43.
Die zweite Regelungseinrichtung 37 bildet ein Abgasdruckdifferenzwertsignal 44, indem von den Abgasdruck-Sollwerten 43 Abgasdruck-Mittelwerte 45 abgezogen werden. Die Abgasdruck-
Mittelwerte 45 bilden ein Mittelwertsignal, das aus Teil- Abgasdruck-Istwertsignalen 46, 47 gebildet wird. Die Teil- Abgasdruck-Istwertsignale 46, 47 werden durch Abgasdruck- Sensoren 48, 49 ermittelt, die an den Leitungen 27, 28 zur Messung des ersten und des zweiten Teil-Abgasstromes 25, 26 angeordnet sind. Die Sensoren 48, 49 ermitteln den Druck der Abgasströme 25, 26 beim Ausströmen aus den Zylindern 20, 21.
Im vorliegenden Fall sind die Abgasdruck-Mittelwerte 45 a- rithmetische Mittelwerte der Teil-Abgasdruck-Istwertsignale 46, 47. Sie werden durch Summierung der Teil-Abgasdruck- Istwertsignale 46, 47 durch eine Summationseinrichtung 50 und anschließende Multiplikation der Summe durch eine Multiplikationseinrichtung 51 mit dem Faktor 0,5 ermittelt. Es versteht sich, dass auch andere Methoden zur Bildung eines Abgasdruckistwertsignals möglich sind, wobei beispielsweise unterschiedliche Gewichtungen der Eingangswerte vorgenommen werden können.
Das Abgasdruck-Differenzwertsignal 44 wird einem Regler 52, beispielsweise einem PID-Regler oder PIDTl-Regler, zugeführt. Der Regler 52 ermittelt ein Ladedruckstellsignal 53, das einem Verteilregler 54 zugeführt wird. Der Verteilregler 54 bildet einen Bestandteil von Last-Verteilungsmitteln 55, die Steuersignale 56, 57 zur Ansteuerung der Aktuatoren 31, 32 erzeugen. Die Verteilungsmittel 55 steuern die Abgasturbolader 14, 15 derart an, dass sie vorbestimmte Anteile zur Verbrennungsluftfδrderung beitragen. Im vorliegenden Fall sollen die Anteile gleich groß sein, so dass man den Verteilregler 54 auch als Gleichstellungsregler bezeichnen kann. Prinzipiell wäre aber auch eine ungleichmäßige Lastverteilung denkbar, 'beispielsweise für unterschiedliche Lastbereiche des Verbrennungsmotors 11.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung werten die Last- Verteilmittel 55 die Teil-Abgasdruck-Istwertsignale 46, 47 zur Ermittlung der Steuersignale 56, 57 aus. Beispielsweise bildet eine Summationseinrichtung 58 ein Differenzwertsignal 59 aus den Teil-Abgasdruck-IstwertSignalen 46, 47, z.B. durch Subtraktion des Wertes 46 vom Wert 47. Der Verteilregler 54 wertet das Abgasdruck-Differenzwertsignal 59 aus.
Mit Hilfe eines beispielsweise als Softwareschalter oder Hardwareschalter ausgestalteten Schalters 60 kann der Verteilregler 54 alternativ auch einen Luftmengen-Differenzwertsignal 61 auswerten. Eine Summationseinrichtung 62 bildet den Luftmengen-Differenzwertsignal aus Teil-Luftmengen- Istwertsignalen 63, 64, wobei beispielsweise der Wert 64 vom Wert 63 subtrahiert wird. Die Teil-Luftmengen-Istwertsignale 63, 64 werden beispielsweise von Luftmengen-Sensoren 65, 66 ermittelt, die eingangsseitig an den Verdichtern 12, 13 angeordnet sind und die von den Verdichtern 12, 13 angesaugte Menge von Ansaugluft 16, 17 messen. Somit können die Last- Verteilungsmittel 55 die Abgasturbolader 14, 15 anhand der jeweils geforderten Ansaugluft-Mengen nach einer vorbestimmten Verteilung, vorliegend gleichmäßigen Verteilung ansteuern.
In Figur 2 ist eine besonders bevorzugte Variante der Last- Verteilungsmittel 55 gezeigt. Aus Gründen der Vereinfachung ist der Schalter 60 weggelassen. Die Last-Verteilungsmittel 55 gemäß Figur 2 werten die Teil-Luftmengen-Istwertsignale 63, 64 aus.
Der Verteilregler 54 ist beispielsweise ein Integrator „Iw mit einer Integrationskonstante K. Dem Verteilregler 54 wird das Luftmengen-Differenzwertsignal 61 zugeführt. Der Verteil-
regier 54 ermittelt Regelungswerte 67. Die Regelungswerte 67 sind z.B. Korrekturwerte, mit denen das Ladedruckstellsignal 52 korrigiert wird. Zur Bildung des Steuersignals 56 werden die Regelungswerte 67 durch eine Summationseinrichtung 68 zu dem Ladedruckstellsignal 53 addiert. Zur Bildung des Steuersignals 57 werden die Regelungswerte 67 von dem Ladedruckstellsignal 53 durch eine Summationseinrichtung 69 subtrahiert .
Die Integrationskonstante K des Verteilreglers 54 ist im vorliegenden Fall verhältnismäßig klein gewählt, der Regler ist somit zwar langsam, aber sehr stabil . Die Wahl einer kleinen Integrationskonstante K ist für die Reglerdynamik aber nicht nachteilig, weil der Verteilregler 54 jeweils am Ende eine Regelungszyklusses die Regelungswerte 67, also die Ausgangswerte des Verteilreglers 54, in einem Speicher 70 ablegt. Bei Beginn eines Regelungszyklusses entnimmt der Verteilregler 54 die Regelungswerte 67 wieder dem Speicher 70 und nützt sie als Startwerte, im vorliegenden Fall als Integrationsstartwerte .
Die Regelungswerte 67 sind in dem Speicher 70 tabellenartig abgelegt. Der Speicher 70 ist in Felder 71 bis 74 gegliedert, in die die Regelungswerte 67 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 11 abgelegt sind. Die Betriebsbereiche und somit die Felder 71 bis 74 hängen beispielsweise von der Drehzahl, der Kraftstoff-Einspritzmenge oder der Luftmasse (beispielsweise der Ansaugluft 16, 17) ab.
Wenn der Verbrennungsmotor 11 einen Betriebsbereich verlässt, beispielsweise den dem Feld 71 zugeordneten Betriebsbereich, speichert der Verteilregler 54 den aktuellen Regelungswert 67 in dem Feld 71 ab. Sodann ermittelt der Verteilungsregler 54,
in welchem sich anschließenden Betriebsbereich sich der Verbrennungsmotor 11 befindet, beispielsweise welches Drehzahlniveau und/oder Lastniveau der Verbrennungsmotor erreicht hat. In Abhängigkeit vom anschließenden Betriebsbereich liest der Verteilregler 54 beispielsweise den im Feld 72 oder den im Feld 73 abgespeicherten Regelungswert/Korrekturwert 67 aus und nützt ihn als Startwert für den nächsten Regelungszyklus . Somit ist der jeweilige Regelungswert 67, den der Verteilregler 54 an seinem Ausgang bereitstellt, in kurzer Regelzeit optimiert .
Aus Gründen der Vereinfachung sind teilweise die Worte "Sollwert" und "Istwert" verwendet worden. Bei einem Regelungsvorgang handelt es sich um einen kontinuierlichen Vorgang, so dass man alternativ auch die Begriffe Sollwertsignal bzw. Istwertsignal oder Differenzwertsignal verwenden kann. Dasselbe gilt umgekehrt. Es kann anstelle von "Sollwertsignal" und "Istwertsignal" auch "Sollwert" und "Istwert" verwendet werden.