WO2005061871A1 - Verfahren zur regelung eines abgasturboladers - Google Patents

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WO2005061871A1
WO2005061871A1 PCT/EP2004/014557 EP2004014557W WO2005061871A1 WO 2005061871 A1 WO2005061871 A1 WO 2005061871A1 EP 2004014557 W EP2004014557 W EP 2004014557W WO 2005061871 A1 WO2005061871 A1 WO 2005061871A1
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WO
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control
compressor
air mass
bank
operating point
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PCT/EP2004/014557
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Marcus Reissing
Roland Weik
Joachim Augstein
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/16—Other safety measures for, or other control of, pumps
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1409—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method using at least a proportional, integral or derivative controller
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/1422—Variable gain or coefficients
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine charged by means of a compressor according to the preamble of patent claim 1.
  • a method for controlling a charging device for an internal combustion engine in which an air mass flow in the intake path of the compressor is used as a control variable.
  • the control range is divided into at least four sub-ranges, each with different control characteristics, depending on a gradient of the variable to be controlled and a difference between the variable to be controlled and the command variable.
  • a method for controlling an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine charged by means of a compressor is provided for this purpose, in which an operating point of the compressor is used as a reference variable for the control. This will make a maximum Dynamics achieved in charging mode.
  • the higher control quality with full utilization of the compressor map enables both component and bi-turbo engines to be protected and thus improved operational safety.
  • turbochargers Due to the dynamic boost pressure control according to the invention, larger turbochargers can be used without having to forego good response behavior.
  • the liter output of the internal combustion engines can thereby be increased. It is also possible to increase the overall efficiency in the part-load and full-load range.
  • the operating point control according to the invention can be used in all types of turbochargers, as well as in all supercharging systems, such as, for example, mono, bi, step and parallel systems.
  • the quotient of the air mass flow and the pressure ratio at the compressor is used as the reference variable for controlling the exhaust gas turbocharger.
  • the operating point for the control of the exhaust gas turbocharger is determined in a simple manner from a compressor map using a predetermined swallowing line of the internal combustion engine.
  • a PI controller with pilot control is used.
  • the desired operating point can be set simply and quickly with the help of the pilot control, so that the PI controller only has to correct the deviation of the pilot control.
  • the operating point control is carried out separately for each cylinder bank in a V-shaped internal combustion engine. It is beneficial ⁇ way when a bank balance is made. This bank compensation enables an increase in the total cylinder charge if the air mass flow is limited on one cylinder bank and at the same time additional air mass can be supplied on the other cylinder bank. With higher mass flows it can happen that the exhaust gas back pressure of a bank becomes too high and there are filling differences between the banks.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of the operating point control according to the invention.
  • Fig. 2 blocks 1 to 3 from FIG. 1 in detail
  • Fig. 4 shows an example of an operating point map of a compressor
  • Fig. 5 shows a basic example of an operating point controller
  • Fig. ⁇ a structure for a pilot control with exhaust gas temperature correction
  • Fig. 7 shows a structure of an adaptation of the wastegate control
  • Fig. 8 a structure for a pump detection or for the control of the diverter valve.
  • the method for regulating an exhaust gas turbocharger shown in FIG. 1 relates to a V-shaped internal combustion engine, each with at least one compressor for the left and right cylinder banks.
  • the starting point for the control is the total target air mass flow msdks_w, which is to be fed to the internal combustion engine. From this value, setpoints for the air mass flow in the left or right cylinder bank are determined in block 1 and fed to a second block 2, 2 '. Since the structure for both cylinder banks is identical, only the blocks for the left cylinder bank are generally explained below.
  • the second block 2 is also supplied with a raw value for the actual air mass mshfmuf_wli for the left cylinder bank.
  • a limited target value is determined from these input variables.
  • this limited setpoint is possibly reduced.
  • the resulting setpoint is then fed to a fourth block 4, where the actual value is set to this setpoint using a PI controller with feedforward control.
  • the fourth block 4 is followed by a sixth block 6 with a diagnostic routine and a seventh block 7 with a wastegate control.
  • a control, including pilot control, for a diverter valve is determined in a fifth block 5 and set accordingly in an eighth block 8.
  • FIG. 2 The content of blocks 1 to 3 from FIG. 1 is shown in detail in FIG. 2. This is a setpoint specification with cylinder bank compensation.
  • the total target air mass flow msdks_w is divided by two in block 9 and thus the target air mass flows msdks_wli for the left bank and msdks wre for the right bank are determined. Since that too
  • the structure in FIG. 2 is identical for both cylinder banks, only the blocks for the left cylinder bank are explained below.
  • the target air mass flow msdks_wli is supplied not only to an air mass target value limitation IdoLMmmaxli but also to a block 10 designed as a limiter, and a limited air mass target value ldmLMSoll_li for the left cylinder bank is determined from this by forming a minimum value.
  • the value for the air mass setpoint limitation IdoLMmmaxli indicates the maximum permissible air mass and can, for example, be stored in a map.
  • this limited air mass setpoint ldmLMSoll_li is fed to a calculation block 11. From the result of this calculation, a filtered target control variable for the left bank is then determined in block 12 using a map.
  • a block 13 is also provided for bank balancing, in which a difference between the target air mass flow msdks_wli and the limited air mass target value ldmLMSoll_li of the left cylinder bank is determined.
  • the bank with the smaller filling is given a lower target mass flow in order to lower the exhaust gas back pressure.
  • This bank-wise different distribution of the target mass flow is made possible, for example, with the aid of a weighting characteristic which limits one bank and increases the other bank.
  • FIG. 3 shows the setpoint limitation corresponding to block 2 from FIG. 1 or block 10 from FIG. 2.
  • the input variables used are the atmospheric pressure anmADF, the speed nmot, the charge air temperature after the charge air cooler anmLTF, the corrected intake pressure upstream of the compressor anmVDF_Link (with pressure loss), the intake temperature anmATl, the raw value for the actual air mass mshfmuf_w, and the operating point change (compressor delta) and from this the air mass setpoint value IdoLMmmax described with reference to FIG. 2 is calculated.
  • FIG. 4 shows an example of a compressor map, the corrected air mass flow being plotted on the right and the pressure ratio P2 / P1 being plotted upwards.
  • the pumping limit of the compressor which should not be exceeded during operation, is shown in dashed lines.
  • An engine swallowing line is also entered. Depending on the engine speed, this specifies which air mass flow from the internal combustion engine is required at which pressure ratio of the compressor. In the example shown, the required air mass flow increases with increasing speed.
  • the pressure ratio also increases with increasing speed, but decreases again at very high speeds.
  • an optimal operating point can in turn be determined from the compressor map using the engine intake line.
  • the difference between the two operating points is used according to the invention as an input variable for controlling the exhaust gas turbocharger with pilot control.
  • the actual regulation of the exhaust gas turbocharger then only has to ensure the deviation of the already controlled actual value from the setpoint. This significantly improves the dynamics and the quality of the control.
  • the quotient of the air mass flow and pressure ratio on the compressor is preferably used as the reference variable for the control, the associated mass flows and pressures being measured with the aid of sensors and, if necessary, being corrected using suitable models.
  • control range is subdivided into at least four sub-ranges, each with different control characteristics, depending on a gradient of the variable to be controlled and a difference in the variable to be controlled.
  • a generally defensive controller application is provided in quadrants I and III.
  • a generally aggressive controller application is provided in quadrants II and IV.
  • the actual value for the controlled variable is determined there in block 50, in which the reduced actual air mass anmLMMred is multiplied by the corrected intake pressure upstream of the compressor anmVDF_Link and then divided by the corrected boost pressure after the compressor ldoP_Link.
  • the filtered controlled variable is then determined with the aid of a filter 51 and fed to an addition block 52.
  • the filtered setpoint which results as a result of the method according to FIG. 2, is also fed to the addition block 52.
  • the addition block 52 provides the compressor delta as the output variable, that is to say the deviation of the actual control variable from the target control variable.
  • an operating point gradient is determined from the current compressor delta and the last available value (block 54).
  • controller 4 sets the P component IdoRGP and the I component as the output variable ldoRGI available.
  • the two components are then added in addition block 56, added in a further addition block 57 to the corrected pilot control IdoVSkorr, and the entire controller output IdoSG is determined therefrom.
  • the controller output IdoSG is then restricted to the permissible upper and lower limits IdoSGmax, IdoSGmin and then made available to a diagnostic block 6 and a wastegate controller 7.
  • These limits IdoSGmax, IdoSGmin are determined as a function of the engine speed nmot and the operating size of the reduced actual air mass anmLMMred divided by the pressure ratio ldoP_Link / anmVDF_Link using suitable maps.
  • FIG. 6 shows an adaptation of this regulation for the wastegate control.
  • the wastegate control adjusts the power generated by the turbine and thus also the power made available to the compressor.
  • Fig. 8 finally shows the pump detection or the control of the diverter air recirculation valve.
  • the operating behavior of a compressor is described by a compressor map (see Fig. 4), in which the pressure ratio (i.e. boost pressure at the compressor outlet / suction pressure at the compressor inlet) is shown above the volume flow is.
  • the usable map area is limited to the left (i.e. in the direction of small volume flows) by the so-called surge limit. If the volume flows are too small, the flow separates from the compressor guide vanes. This makes the conveying process unstable.
  • the air flows backwards through the Compressor until a stable pressure ratio is restored.
  • the pressure builds up again.
  • the process is repeated in quick succession. This creates a noise, the so-called pumping noise.
  • Fig. 8 The function shown in Fig. 8 is used to open a diverter valve when the turbocharger is operating in pump mode.
  • the aim is to quickly reduce the high compression ratio and thus quickly lead it out of operating pumps beyond the surge limit. This prevents the formation of noise.
  • the diverter valve is opened by a map during high dynamics.
  • the diverter valve is opened as a function of engine speed nmot and the operating point setpoint during quasi-steady-state conditions by another map. All outputs of these two maps must be above a hysteresis limit (holding element) in order to control the diverter valve. If the map output values fall below the surge limit, the diverter valve closes again.
  • the pumping limit shown in FIG. 4 is also included in the determination of the air mass setpoint limitation IdoLMmmax shown in FIG. 3.
  • the operating point control has been described in connection with a V-shaped internal combustion engine. With the exception of bank balancing, the operating point control can of course also be applied to other internal combustion engines. Correction values were also determined at various points. These corrections improve the result of the operating point control. Such correction models are particularly useful if the available sensors are not provided in the most favorable positions for operating point control. For example, pressure sensors should be provided directly at the compressor inlet and outlet. Since this is often not possible for reasons of installation space, these influences are preferably eliminated by means of appropriate correction models. However, the teaching according to the invention is not limited to such operating point regulations with correction methods.
  • IdoSG controller output P / I components + pilot control
  • IdoVSkorr corrected feedforward control msdks_w Set air mass flow total msdks_wli Set air mass flow left bank msdks_wre Set air mass flow right bank mshfmm_w Filtered actual air mass mshfmuf_wli Raw value actual air mass left bank mshfmuf_wre Raw value actual air mass right bank nmot speed
  • Target control variable Filtered operating point target control variable filtered left and left
  • Target control variable Filtered operating point target control variable filtered right right
  • T_Delta standardized exhaust gas temperature - current exhaust gas temperature

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäss wird als Führungsgrösse für die Regelung des Abgasturboladers ein Betriebspunkt des Verdichters, insbesondere der Quotient aus dem Luftmassenstrom und dem Druckverhältnis am Verdichter, verwendet.

Description

Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 100 62 350 AI ist ein Verfahren zur Regelung einer Aufladeeinrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem als Führungsgröße ein Luftmassenstrom im Ansaugweg des Verdichters verwendet wird. Hierbei ist der Regelbereich in Abhängigkeit eines Gradienten der zu regelnden Größe und einer Differenz der zu regelnden Größe von der Führungsgröße in wenigstens vier Teilbereiche mit jeweils unterschiedlicher Regelcharakteristik unterteilt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine mit verbesserter Dynamik im Aufladebetrieb zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist hierzu ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine vorgesehen, bei der als Führungsgröße für die Regelung ein Betriebspunkt des Verdichters verwendet wird. Dadurch wird eine maximale Dynamik im Aufladebetrieb erreicht. Gleichzeitig kann durch die höhere Regelgüte unter voller Ausnutzung des Verdichterkennfeldes sowohl bei Mono- als auch bei Bi-Turbomotoren ein verbesserter Bauteilschutz und damit eine verbesserte Betriebssicherheit gewährleistet werden.
Durch die erfindungsgemäße dynamische Ladedruckregelung können größere Turbolader verwendet werden, ohne auf ein gutes Ansprechverhalten verzichten zu müssen. Dadurch kann die Literleistung der Brennkraftmaschinen erhöht werden. Außerdem ist eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades im Teillast- sowie im Volllastbereich möglich.
Die erfindungsgemäße Betriebspunktregelung kann bei allen Turboladertypen, sowie bei allen Aufladesystemen, wie zum Beispiel Mono-, Bi-, Stufen-, Parallelsystemen, verwendet werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird als Führungsgröße für die Regelung des Abgasturboladers der Quotient aus dem Luftmassenstrom und dem Druckverhältnis am Verdichter verwendet .
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Betriebspunkt für die Regelung des Abgasturboladers auf einfache Art und Weise aus einem Verdichter-Kennfeld anhand einer vorgegebenen Schlucklinie der Brennkraftmaschine ermittelt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein PI- Regler mit Vorsteuerung verwendet. Durch die erfindungsgemäße Betriebspunktregelung kann der gewünschte Betriebspunkt einfach und schnell mit Hilfe der Vorsteuerung eingestellt werden, so dass der PI-Regler nur noch die Abweichung der Vorsteuerung ausregeln muss. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer v-förmigen Brennkraftmaschine die Betriebspunktregelung für jede Zylinderbank separat durchgeführt. Dabei ist es vorteil¬ haft, wenn ein Bankausgleich vorgenommen wird. Durch diesen Bankausgleich wird eine Erhöhung der gesamten Zylinderfüllung ermöglicht, falls auf einer Zylinderbank der Luftmassenstrom begrenzt und gleichzeitig auf der anderen Zylinderbank noch zusätzliche Luftmasse zugeführt werden kann. Bei höheren Massenströmen kann es nämlich vorkommen, dass der Abgasgegendruck einer Bank zu hoch wird und es zu Füllungsunterschieden zwischen den Bänken kommt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der Zeichnung.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Struktur der erfindungsgemäßen Betriebspunktregelung,
Fig . 2 die Blöcke 1 bis 3 aus Fig. 1 im Detail,
Fig . 3 die Ermittlung der Sollwert Begrenzung im Detail,
Fig . 4 ein Beispiel für ein Betriebspunkt-Kennfeld eines Verdichters,
Fig . 5 ein Prinzipbeispiel für einen Betriebspunkt-Regler,
Fig . β eine Struktur für eine Vorsteuerung mit Abgas- Temperatur-Korrektur,
Fig . 7 eine Struktur einer Adaption der Wastegate- Ansteuerung, und
Fig . 8 eine Struktur für eine Pumperkennung bzw. für die Ansteuerung des Schubumluftventils. Das in Fig. 1 dargestellte Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers betrifft eine v-förmige Brennkraftmaschine mit jeweils zumindest einem Verdichter für die linke und die rechte Zylinderbank. Ausgangspunkt für die Regelung ist der gesamte Soll-Luftmassenstrom msdks_w, welcher der Brennkraftmaschine zugeführt werden soll. Aus diesem Wert werden in Block 1 jeweils Sollwerte für dem Luftmassenstrom in der linken beziehungsweise rechten Zylinderbank ermittelt und einem zweiten Block 2, 2' zugeführt. Da die Struktur für beide Zylinderbänke identisch ist werden im Folgenden generell nur die Blöcke für die linke Zylinderbank erläutert.
Dem zweiten Block 2 wird außerdem ein Rohwert für die Ist- Luftmasse mshfmuf_wli für die linke Zylinderbank zugeführt. In dem zweiten Block 2 wird aus diesen Eingangsgrößen ein begrenzter Sollwert ermittelt. In einem anschließenden dritten Block 3 wird dieser begrenzte Sollwert gegebenenfalls noch reduziert. Der daraus resultierende Sollwert wird anschließend einem vierten Block 4 zugeführt, wo der Istwert mit Hilfe eines PI-Reglers mit Vorsteuerung auf diesen Sollwert eingestellt wird. An den vierten Block 4 schließt sich noch ein sechster Block 6 mit einer Diagnoseroutine und ein siebter Block 7 mit einer Wastegate-Ansteuerung an. Parallel dazu wird in einem fünften Block 5 eine Steuerung, einschließlich Vorsteuerung, für ein Schubumluftventil ermittelt und in einem achten Block 8 entsprechend eingestellt .
Der Inhalt der Blöcke 1 bis 3 aus Fig. 1 ist in Fig. 2 im Detail dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine , Sollwertvorgabe mit Zylinderbankausgleich. Der gesamte Soll-Luftmassenstrom msdks_w wird in Block 9 durch zwei geteilt und somit die Soll-Luftmassenströme msdks_wli für die linke Bank und msdks wre für die rechte Bank ermittelt. Da auch die Struktur in Fig. 2 für beide Zylinderbänke identisch ist werden im Folgenden wiederum nur die Blöcke für die linke Zylinderbank erläutert. Der Soll-Luftmassenstrom msdks_wli wird neben einer Luftmassen-Sollwertbegrenzung IdoLMmmaxli einem als Begrenzer ausgeführten Block 10 zugeführt und daraus durch Minimalwertbildung ein begrenzter Luftmassen- Sollwert ldmLMSoll_li für die linke Zylinderbank ermittelt. Der Wert für die Luftmassen-Sollwertbegrenzung IdoLMmmaxli gibt die maximal zulässige Luftmasse an und kann beispielsweise in einem Kennfeld abgelegt sein. Dieser begrenzte Luftmassen-Sollwert ldmLMSoll_li wird neben einem Gewichtungsfaktor zur Berechnung einer reduzierten Luftmasse ldmM_BASEli, einem korrigierten Ansaugdruck vor dem Verdichter (mit Druckverlust) anmVDF_Linkli und einem korrigierten Ladedruck nach dem Verdichter (mit Druckverlust) ldoP_Linkli einem Berechnungsblock 11 zugeführt. Aus dem Ergebnis dieser Berechnung wird anschließend in Block 12 anhand eines Kennfeldes eine gefilterte Sollregelgröße für die linke Bank ermittelt.
Für den Bankausgleich ist außerdem ein Block 13 vorgesehen, in welchem eine Differenz zwischen dem Soll-Luftmassenstrom msdks_wli und dem begrenzten Luftmassen-Sollwert ldmLMSoll_li der linken Zylinderbank ermittelt wird. Ein entsprechender Block 13" ist für die rechte Zylinderbank vorgesehen. Die Differenz der rechten Zylinderbank aus Block 13' wird in einem Block 14 ebenfalls auf einen Maximalwert für den Luftmassenübertrag zwischen den beiden Bänken begrenzt und anschließend einem Summierblock 15 zugeführt. Durch diesen Bankausgleich wird eine Erhöhung der gesamten Zylinderfüllung ermöglicht, falls auf einer Zylinderbank der Luftmassenstrom begrenzt und gleichzeitig auf der anderen Zylinderbank noch zusätzliche Luftmasse zugeführt werden kann. Bei höheren Massenströmen kann es nämlich vorkommen, dass der Abgasgegen- druck einer Bank zu hoch wird und es zu Füllungsunterschieden zwischen den Bänken kommt. Um diese Füllungsungleichheit zu korrigieren wird der Bank mit der kleineren Füllung ein geringerer Soll-Massenstrom vorgegeben, um damit den Abgasgegendruck zu senken. Diese bankweise unterschiedliche Verteilung des Soll-Massenstromes wird beispielsweise mit Hilfe einer Gewichtungskennlinie ermöglicht, welche für eine Bank begrenzend und für die andere Bank erhöhend wirkt.
In Fig. 3 ist die Sollwert Begrenzung entsprechend Block 2 aus Fig. 1 beziehungsweise Block 10 aus Fig. 2 näher dargestellt. Dabei werden als Eingangsgrößen der Atmosphärendruck anmADF, die Drehzahl nmot, die Ladelufttemperatur nach Ladeluftkühler anmLTF, der korrigierte Ansaugdruck vor dem Verdichter anmVDF_Link (mit Druckverlust) , die Ansaugtemperatur anmATl, der Rohwert für die Ist-Luftmasse mshfmuf_w, sowie die Betriebspunktänderung (Verdichterdelta) verwendet und daraus der anhand Fig. 2 beschriebene Luftmassen Sollbegrenzungswert IdoLMmmax berechnet.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für ein Verdichterkennfeld, wobei nach rechts der korrigierte Luftmassenstrom und nach oben das Druckverhältnis P2/P1 aufgetragen sind. Gestrichelt dargestellt ist die Pumpgrenze des Verdichters, welche im Betrieb nicht überschritten werden sollte. Weiterhin ist eine Motorschlucklinie eingetragen. Diese gibt in Abhängigkeit von der Motordrehzahl an, welcher Luftmassenstrom von der Brennkraftmaschine bei welchem Druckverhältnis des Verdichters benötigt wird. In dem gezeigten Beispiel steigt der benötigte Luftmassenstrom mit zunehmender Drehzahl an. Das Druckverhältnis steigt ebenfalls mit zunehmender Drehzahl an, nimmt aber bei sehr hohen Drehzahlen wieder ab. Somit kann bei bekanntem Verdichter-Kennfeld und bekannter Motorschlucklinie im Betrieb der Brennkraftmaschine der jeweils optimale Betriebspunkt vorbestimmt werden. Eine Änderung der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine führt in der Regel zu einer Drehzahländerung. Für diese Zieldrehzahl kann wiederum anhand der Motorschlucklinie aus dem Verdichterkennfeld ein optimaler Betriebspunkt bestimmt werden. Die Differenz zwischen den beiden Betriebspunkten wird erfindungsgemäß als Eingangsgröße für die Regelung des Abgasturboladers mit Vorsteuerung verwendet. Die eigentliche Regelung des Abgasturboladers muss dann lediglich noch die Abweichung des bereits vorgesteuerten Istwertes zum Sollwert gewährleisten. Dadurch wird die Dynamik und gleichzeitig auch die Qualität der Regelung deutlich verbessert.
Als Führungsgröße für die Regelung wird vorzugsweise der Quotient aus Luftmassenstrom und Druckverhältnis am Verdichter verwendet, wobei die zugehörigen Massenströme und Drücke mit Hilfe von Sensoren gemessen und gegebenenfalls mit Hilfe geeigneter Modelle noch korrigiert werden.
Die im Block 4 von Fig. 1 dargestellte PI-Regelung mit Vorsteuerung ist bereits in der DE 100 62 350 AI beschrieben und wird daher an dieser Stelle nur noch kurz erläutert. Bei diesem Verfahren wird der Regelbereich in Abhängigkeit eines Gradienten der zu regelenden Größe und einer Differenz der zu regelnden Größe in wenigsten vier Teilbereiche mit jeweils unterschiedlicher Regelcharakteristik unterteilt ist. So ist beispielsweise in den Quadranten I und III, in denen ein negativer Gradient der zu regelnden Größe vorliegt, eine allgemein defensive Reglerapplikation vorgesehen. Bei positivem Gradienten der zu regelnden Größe in den Quadranten II und IV ist hingegen eine allgemein aggresive Reglerapplikation vorgesehen. Mit Hilfe der Aufteilung des Regelbereichs in die Quadranten I, II, III und IV lässt sich eine hohe Dynamik im Aufladebetrieb einer Brennkraftmaschine bei gleichzeitig verbesserter Regelgüte erreichen. Ein Fahrzeug reagiert dadurch spontan auf den Fahrpedalwunsch des Fahrers, ohne dass eine unerwünschte Zeitverzögerung, ein so genanntes Turboloch, auftritt. Gleichzeitig wird die Brennkraftmaschine durch die verbesserte Regelgüte zuverlässig vor unzulässig hohen Brennraumdrücken geschützt.
In Fig. 5 ist die Anwendung dieses bekannten Regelverfahrens auf die erfindungsgemäße Betriebspunktregelung dargestellt. Der Istwert für die Regelgröße wird dort in Block 50 ermittelt, in dem die reduzierte Ist-Luftmasse anmLMMred mit dem korrigierten Ansaugdruck vor Verdichter anmVDF_Link multipliziert und anschließend durch den korrigierten Ladedruck nach Verdichter ldoP_Link dividiert wird. Anschließend wird mit Hilfe eines Filters 51 die gefilterte Regelgröße ermittelt und einem Additionsblock 52 zugeführt. Dem Additionsblock 52 wird außerdem noch die gefilterte Sollregelgröße zugeführt, die sich als Ergebnis des Verfahrens gemäß Fig. 2 ergibt. Als Ausgangsgröße stellt der Additionsblock 52 das VerdichterDelta, also die Abweichung der Ist-Regelgröße von der Sollregelgröße, zur Verfügung. In einem weiteren Additionsblock 53 wird aus dem aktuellen VerdichterDelta und dem letzten verfügbaren Wert (Block 54) ein Betriebspunktgradient ermittelt.
Die Werte VerdichterDelta und Betriebpunktgradient werden dem eigentlichen Regler 4, vorzugsweise einem PI-Regler mit Vorsteuerung gemäß der Patentanmeldung DE 100 62 350 AI, als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt. Als Ausgangsgröße stellt der Regler 4 den P-Anteil IdoRGP und den I-Anteil ldoRGI zur Verfügung. Die beiden Anteile werden anschließend im Additionsblock 56 addiert, in einem weiteren Additionsblock 57 zur korrigierten Vorsteuerung IdoVSkorr addiert und daraus der gesamte Reglerausgang IdoSG ermittelt.
In einem Block 58 wird dann der Reglerausgang IdoSG noch auf zulässige obere und unteren Grenzen IdoSGmax, IdoSGmin eingeschränkt und anschließend einem Diagnoseblock 6 und einer Wastegate-Steuerung 7 zur Verfügung gestellt. Diese Grenzen IdoSGmax, IdoSGmin werden in Abhängigkeit von der Motordrehzahl nmot und der Betriebsgröße reduzierte Ist- Luftmasse anmLMMred dividiert durch das Druckverhältnis ldoP_Link/anmVDF_Link anhand von geeigneten Kennfeldern ermittelt .
Bei der Vorsteuerung kann unter Umständen eine Abgastemperatur-Korrektur vorteilhaft sein. Eine entsprechende Reglerstruktur ist in Fig. 6 dargestellt. Eine Adaption dieser Regelung für die Wastegate-Ansteuerung zeigt Fig. 7. Die Wastegate-Ansteuerung stellt die von der Turbine erzeugte und damit auch die dem Verdichter zur Verfügung gestellte Leistung ein.
Die Pumperkennung beziehungsweise die Ansteuerung des Schub- umluftventils zeigt schließlich Fig. 8. Das Betriebsverhalten eines Verdichters wird durch ein Verdichterkennfeld (siehe Fig. 4) beschrieben, bei dem das Druckverhältnis (also Ladedruck am Verdichterausgang / Ansaugdruck am Verdichtereingang) über dem durchgesetzten Volumenstrom dargestellt ist. Der nutzbare Kennfeldbereich ist nach links (also in Richtung kleine Volumenströme) durch die so genannte Pumpgrenze begrenzt. Bei zu kleinen Volumenströmen löst sich die Strömung von den Verdichterleitschaufeln. Der Fördervorgang wird dadurch instabil. Die Luft strömt rückwärts durch den Verdichter, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis einstellt. Der Druck baut sich erneut auf. Der Vorgang wiederholt sich in schneller Folge. Dabei entsteht ein Geräusch, das so genannte Pumpgeräusch.
Die in Fig. 8 dargestellte Funktion dient zum Öffnen eines Schubumluftventils beim Betrieb des Turboladers im Pumpbetrieb. Ziel ist es, das hohe Verdichtungsverhältnis schnell abzubauen und damit aus Betriebspumpen jenseits der Pumpgrenze schnell herauszuführen. Die Geräuschbildung wird dadurch verhindert .
In Abhängigkeit von der Betriebspunktänderung beziehungsweise dem Betriebspunktgradient und dem Verdichterdelta wird das Schubumluftventil während hoher Dynamik durch ein Kennfeld geöffnet. Außerdem wird das Schubumluftventil in Abhängigkeit von Motordrehzahl nmot und der Betriebspunkt-Sollregelgröße während quasistationären Zuständen durch ein weiteres Kennfeld geöffnet. Alle Ausgänge dieser beiden Kennfelder müssen hierbei oberhalb einer Hysteresegrenze (Halteglied) liegen, um das Schubumluftventil anzusteuern. Fallen die Kennfeldausgangsgrößen wieder unter die Pumpgrenze schließt das Schubumluftventil wieder.
Zur Pumpvermeidung geht außerdem die in Fig. 4 dargestellt Pumpgrenze auch in die in Fig. 3 dargestellte Ermittlung der Luftmassen Sollwertbegrenzung IdoLMmmax ein.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wurde die Betriebspunktregelung in Zusammenhang mit einer v-förmigen Brennkraftmaschine beschrieben. Mit Ausnahme des Bankausgleichs ist die Betriebspunktregelung aber selbstverständlich auch auf andere Brennkraftmaschinen anwendbar. Außerdem wurden an verschiedenen Stellen Korrekturwerte ermittelt. Durch diese Korrekturen wird das Ergebnis der Betriebspunktregelung verbessert. Insbesondere sind solche Korrekturmodelle sinnvoll, wenn die zur Verfügung stehenden Sensoren nicht an den für die Betriebspunktregelung günstigsten Positionen vorgesehen sind. Beispielsweise sollten Drucksensoren direkt am Verdichtereingang und -ausgang vorgesehen werden. Da dies aus Bauraumgründen häufig nicht möglich ist werden diese Einflüsse vorzugsweise durch entsprechende Korrekturmodelle beseitigt. Die erfindungsgemäße Lehre ist jedoch nicht auf solche Betriebspunktregelungen mit Korrekturverfahren beschränkt.
Bezugszeichenliste
anmADF Atmosphärendruck anmATl Ansaugtemperatur anmLMMred reduzierte Ist-Luftmasse anmLTF Ladelufttemperatur nach Ladeluftkühler nach Drosselklappe anmVDF_Linkli korrigierter Ansaugdruck vor Verdichter linke Bank (mit Druckverlust) anmVDF_Linkre korrigierter Ansaugdruck vor Verdichter rechte Bank (mit Druckverlust) ldmLMSoll_li Luftmasse Sollwert linke Bank ldmLMSoll_re Luftmasse Sollwert rechte Bank ldmM BASE = (IdwPlref/anmVDF) * (anmATl / IdwTlref) (Referenzdruck / korrigierter Ansaugdruck vor Verdichter) * (Ansaugtemperatur / Referenztemperatur) ldmM_BASEli Gewichtungsfaktor zur Berechnung der reduzierten Luftmasse linke Bank ldmM_BASEre Gewichtungsfaktor zur Berechnung der reduzierten Luftmasse rechte Bank ldmP_Llin Ist-Ladedruck
IdoRGI I-Anteil Regler
IdoRGP P-Anteil Regler
IdoLMmmaxli Luftmasse Sollwertbegrenzung linke Bank
IdoLMmmaxre Luftmasse Sollwertbegrenzung rechte Bank ldoP_Linkli korrigierter Ladedruck nach Verdichter linke Bank (mit Druckverlust) ldoP_Linkre korrigierter Ladedruck nach Verdichter rechte Bank (mit Druckverlust)
IdoSG Reglerausgang (P-/I-Anteile + Vorsteuerung
IdoSGmax Maximalwert Reglerausgang
IdoSGmin Minimalwert Reglerausgang
IdoSGAdaption Adaptionswert für Reglerausgang ldo_VS Vorsteuerung
IdoVSkorr korrigierte Vorsteuerung msdks_w Soll-Luftmassenstrom gesamt msdks_wli Soll-Luftmassenstrom linke Bank msdks_wre Soll-Luftmassenstrom rechte Bank mshfmm_w Gefilterte Ist-Luftmasse mshfmuf_wli Rohwert Ist-Luftmasse linke Bank mshfmuf_wre Rohwert Ist-Luftmasse rechte Bank nmot Drehzahl
Sollregelgröße Gefilterte Betriebspunkt-Sollregelgröße gefiltert links links
Sollregelgröße Gefilterte Betriebspunkt-Sollregelgröße gefiltert rechts rechts
T_Abgas Aktuelle Abgastemperatur
T_Abgasnorm normierte Abgastemperatur
T_Delta normierte Abgastemperatur - Aktuelle Abgastemperatur
VerdichterDelta Betriebspunktänderung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, dass als Führungsgröße für die Regelung ein Betriebspunkt des Verdichters verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Führungsgröße für die Regelung der Quotient aus dem Luftmassenstrom und dem Druckverhältnis am Verdichter verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebspunkt für die Regelung aus einem Verdichter-Kennfeld anhand einer vorgegebenen Schlucklinie der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein PI-Regler mit Vorsteuerung verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer v-förmigen Brennkraftmaschine die Betriebspunktregelung für jede Zylinderbank separat durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Soll-Luftmassenstrom (msdks_w) jeweils zur Hälfte auf die beiden Zylinderbänke aufgeteilt wird, dass die Soll-Luftmassen (IdoLMSoll) für die beiden Zylinderbänke jeweils auf maximal zulässige Luftmasse-Sollwerte (IdoLMmmax) begrenzt werden und dass dann, wenn einer der beiden Zylinderbänke nur eine begrenzte Luftmasse zur Verfügung stellen kann die andere Zylinderbank mit Hilfe eines Bankausgleichs die fehlende Luftmasse zusätzlich zur Verfügung stellt.
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