WO2007112911A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung oder steuerung eines verdichters eines abgas-turboladers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung oder steuerung eines verdichters eines abgas-turboladers Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling or controlling the compressor of an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine according to claim 1 or 8.
  • an engine turbocharger control management system in which for controlling the compressor of the turbocharger, a pressure sensor is arranged directly at the inlet of the compressor. Another pressure sensor is provided directly at the outlet of the compressor in the compressor outlet line. Further, a speed sensor is provided which determines the compressor speed, for example by determining the speed of the turbocharger shaft.
  • engine exhaust is partially returned to the compressor inlet line as part of the exhaust gas recirculation.
  • upstream particle filter can not be prevented that particles and exhaust gas condensate get into the compressor inlet line, causing serious measurement problems.
  • a pressure measurement directly at the compressor is a special effort, since the sensor may need to be placed in a difficult to reach place and must be suitable for the prevailing operating conditions there.
  • the solution of this object is achieved by the features of claim 1 and claim 8.
  • the actual compressor pressure ratio can be approximated with sufficient accuracy in a simple manner.
  • the negative pressure in the compressor inlet line and, secondly, the pressure loss in the compressor outlet line can be determined by calculation as a result of the losses of the throttle flap and of the charge air cooler.
  • the data necessary for the calculation of the compressor pressure ratio can be determined in advance specifically for the operating point.
  • the ambient pressure preferably a near-ambient ambient pressure
  • the static pressure of the ambient air instead of a negative pressure of a flowing gas mixture, which is technically much easier and less expensive. This results in a cost-effective, but sufficiently accurate control or control of the compressor in the manner previously explained.
  • the pressure sensor can be attached to the control device or integrated into it, which simplifies the structure of the control system according to the invention.
  • FIGURE of the drawing shows a schematically greatly simplified representation of a control system 1 according to the invention for explaining its structure and for explaining the method according to the invention.
  • the control system 1 according to the invention of a compressor 2 of a turbocharger 3 for an internal combustion engine 4 initially has a control device 5, which can be designed in the usual way.
  • a first pressure sensor 6 is arranged directly on the control unit 5 or integrated therein and serves to measure an ambient pressure Py, preferably a near ambient engine pressure, which is a static pressure of the ambient air. The measurement results in a signal S PU , which is fed to a calculation unit 21 of the control device 5.
  • the control device 1 further comprises a second pressure sensor 7, which is arranged in front of an intake manifold 15 of the internal combustion engine 4, or, alternatively to the illustrated embodiment, may be arranged in the intake manifold 15.
  • This pressure sensor 7 measures a second pressure P v , which represents the pressure of the compressed by the compressor 2 fluid before entering the internal combustion engine 4. That I resulting measurement signal S PV is also supplied to the control unit 5 via a corresponding signal line.
  • a third sensor 8 is provided, which is a speed sensor for determining the compressor speed U.
  • This speed sensor 8 may be either the speed of a shaft 9 connecting the compressor 2 to a turbine 10 of the turbocharger 3, or it may directly control the speed of the compressor wheel or turbine wheel (both not shown in the drawing) by using signals indicative of or by means of markings the blades are generated to be determined.
  • the speed signal can also be used to protect the exhaust turbocharger against overspeeding.
  • the turbine 10 of the turbocharger is connected to an exhaust duct 17 via the exhaust manifold 16 of the engine 4 to be rotated by the supplied engine exhaust gas, thereby driving the compressor wheel of the compressor 2, which however, represents a common construction that need not be further explained for the principles of the present invention.
  • FIG. 19 shows a bypass line 19 with a bypass valve 20, which represent a way to control the compressor 2, which can also be carried out in the usual manner.
  • control unit 5 supplied signals S U ( S PU and S PV the calculation unit 21 of the control unit 5 are evaluated and so the control of the compressor 2 performed according to the respective compressor map, so that the compressor 2 in an optimal operating range of this map can be operated.
  • control strategy also corresponds to conventional principles, to which reference may be made, for example, to the initially described DE 10 2004 059 369 A1, the disclosure of which is hereby made explicit reference to the disclosure of the present application.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung des Verdichters (2) eines Abgasturboladers (3) eines Verbrennungsmotors (4) mit folgenden Verfahrensschritten: Messen eines Umgebungsluftdrucks (PU); Messen eines statischen Druckes (PV) vor dem Motoreintritt; Messen der Drehzahl (U) des Abgasturboladers (3); Ermittlung eines unmittelbar am Verdichtereinlass (11) vorliegenden statischen Drucks (PE) durch Berechnen eines Unterdrucks (Pdyn) in der Verdichtereinlassleitung (11) und Subtraktion des berechneten Unterdrucks (Pdyn) vom gemessenen Umgebungsluftdruck (PU); Ermitteln eines unmittelbar am Verdichterauslass (12) vorliegenden statischen Drucks (PA) durch Berechnen des Druckverlustes (PDV) in der Verdichterauslassleitung (18) und Addition des berechneten Druckverlusts (PDV) zum gemessenen statischen Druck (PV); und Regeln oder Steuern des Verdichterbetriebs entsprechend zumindest eines der ermittelten Druckwerte (PE bzw. PA) und des Drehzahlsignals (SU).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung oder Steuerung eines Verdichters eines Abgas-Turboladers
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung oder Steuerung des Verdichters eines Abgas- Turboladers eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 bzw. 8.
Aus der DE 10 2004 059 369 Al ist ein Motor-Turbolader- Steuermanagement-System bekannt, bei dem zur Regelung des Verdichters des Turboladers ein Drucksensor direkt am Eintritt des Verdichters angeordnet ist. Ein weiterer Drucksensor ist direkt am Auslass des Verdichters in der Verdichterauslassleitung vorgesehen. Ferner ist ein Drehzahlsensor vorgesehen, der die Verdichterdrehzahl, beispielsweise durch Ermittlung der Drehzahl der Turboladerwelle, bestimmt.
Dadurch, dass der Druck des unverdichteten Strömungsmittels unmittelbar am Verdichtereinlass gemessen wird, ergibt sich eine schwierige Druckmessung, da an dieser Stelle nicht nur reine Luft, sondern, wie im Ausführungsbeispiel der DE 10 2004 059 369 Al beschrieben, beispielsweise auch zugeführtes Erdgas mit in der Verdichtereinlassleitung vorhanden ist, so dass die unmittelbar am Verdichtereintritt durchgeführte Druckmessung aufgrund von Druckschwankungen des zugeführten Erdgases häufig verfälscht wird. Ferner wird bei modernen Turboladern Motor- Blowby in die Verdichtereinlassleitung zurückgeführt, das trotz vorgeschalteter Ölfilter häufig noch ölhaltig ist und der vom Verdichter angesaugten reinen Luft beigemischt wird.
Desweiteren wird Motorabgas im Rahmen der Abgasrückführung teilweise in die Verdichtereinlassleitung zurückgeführt. Trotz vorgeschaltetem Partikelfilter kann nicht verhindert werden, dass Partikel und Abgaskondensat in die Verdichtereinlassleitung gelangen, wodurch gravierende Messprobleme entstehen.
In jedem Fall stellt eine Druckmessung unmittelbar am Verdichter einen besonderen Aufwand dar, da der Sensor ggf. an einer schlecht zugänglichen Stelle platziert werden und für die dort herrschenden Betriebsbedingungen geeignet sein muß.
Dies gilt sowohl für die Druckmessung in der Verdichtereinlass- wie auch -auslassleitung. Insbesondere können ungleichförmige Geschwindigkeitsverteilungen infolge Verwirbelungen und/oder geometrischen Unförmigkeiten wie Krümmungen oder unstetigen Querschnittserweiterungen die Druckmessung beeinträchtigen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung oder Steuerung des Verdichters eines Abgasturboladers zu schaffen, das auf einfache Art und Weise das tatsächliche Verdichterdruckverhältnis hinreichend genau ermittelt, so dass die Regelung des Betriebsverhaltens des Verdichters im optimalen Bereich des Verdichterkennfeldes verbessert werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruches 8.
Durch Verwendung einer Umgebungsdruckmessung in Verbindung mit der Druckmessung am Motoreinlass, kann auf einfache Art und Weise das tatsächliche Verdichterdruckverhältnis hinreichend genau angenähert werden. Dazu kann zum einen der Unterdruck in der Verdichtereinlassleitung und zum anderen der Druckverlust in der Verdichterauslassleitung infolge der Verluste der Drosselklappe und des Ladeluftkühlers rechnerisch ermittelt werden. Bei einer vorgegeben Verdichterleitungskonfiguration können die für die Berechnung des Verdichterdruckverhältnises notwendigen Daten im Voraus betriebspunktspezifisch ermittelt werden .
Durch die Messung des Umgebungsdruckes, vorzugsweise eines motornahen Umgebungsdruckes, ist es möglich, anstelle eines Unterdruckes eines strömenden Gasgemisches den statischen Druck der Umgebungsluft zu messen, was technisch wesentlich einfacher und kostengünstiger ist. Hieraus ergibt sich eine kostengünstige, aber hinreichend genaue Regelung oder Steuerung des Verdichters in der zuvor erläuterten Weise.
Die Unteransprüche 2 bis 7 haben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Erfindung zum Inhalt.
Wird der Umgebungsdruck unmittelbar am Regelgerät gemessen, kann der Drucksensor am Regelgerät angebracht bzw. in diesen integriert werden, was den Aufbau des erfindungsgemäßen Regelsystems vereinfacht.
Durch die Messung des Drucks des verdichteten Strömungsmittels unmittelbar vor oder in der Einlassleitung des Verbrennungsmotors ist es möglich, eine bereits für die Ladedruckregelung/-Überwachung vorhandene Druckmessung vor dem Motoreinlass zu verwenden. Die vor diesem Messpunkt liegende Drosselklappe und der Ladeluftkühler haben einen signifikant dämpfenden Einfluss auf den Druck des Strömungsmittels, was Druckschwankungen deutlich mindert.
In den Ansprüchen 8 bis 11 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung definiert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert .
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Regelsystems 1 zur Erläuterung dessen Aufbaues und zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Regelsystem 1 eines Verdichters 2 eines Turboladers 3 für einen Verbrennungsmotor 4 weist zunächst ein Regelgerät 5 auf, das auf übliche Art und Weise ausgebildet sein kann.
Bei der in der Figur dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein erster Drucksensor 6 unmittelbar am Regelgerät 5 angeordnet bzw. in diesem integriert und dient zur Messung eines Umgebungsdrucks Py, vorzugsweise eines motornahen Umgebungsdrucks, der ein statischer Druck der Umgebungsluft ist. Die Messung ergibt ein Signal SPU, das einer Berechnungseinheit 21 des Regelgeräts 5 zugeführt wird.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 1 weist ferner einen zweiten Drucksensor 7 auf, der vor einer Einlasssammelleitung 15 des Verbrennungsmotors 4 angeordnet ist, oder, alternativ zu der dargestellten Ausführungsform, in der Einlasssammelleitung 15 angeordnet sein kann. Dieser Drucksensor 7 misst einen zweiten Druck Pv, der den Druck des durch den Verdichter 2 verdichteten Strömungsmittels vor dem Eintritt in den Verbrennungsmotor 4 darstellt. Das sich ergebende Messsignal SPV wird ebenfalls dem Regelgerät 5 über eine entsprechende Signalleitung zugeführt.
Ferner ist ein dritter Sensor 8 vorgesehen, der einen Drehzahlsensor zur Bestimmung der Verdichterdrehzahl U ist. Dieser Drehzahlsensor 8 kann entweder die Drehzahl einer den Verdichter 2 mit einer Turbine 10 des Turboladers 3 verbindenden Welle 9 sein oder es kann unmittelbar die Drehzahl des Verdichterrades oder des Turbinenrades (beide in der Zeichnung nicht dargestellt) durch Verwendung von Signalen, die mittels Markierungen oder den Schaufeln erzeugt werden, bestimmt werden.
Das Drehzahlsignal kann zusätzlich auch als Schutz des Abgas- Turboladers gegen Überdrehzahl verwendet werden.
Zur Vervollständigung der Beschreibung ist zu sagen, dass die Turbine 10 des Turboladers mit einer Auslassleitung 17 über die Abgassammelleitung 16 des Verbrennungsmotors 4 mit diesem verbunden ist, um durch das zugeführte Motorabgas in Drehung versetzt zu werden und damit das Verdichterrad des Verdichters 2 anzutreiben, was jedoch eine übliche Konstruktion darstellt, die für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert werden muss.
Ferner zeigt die Figur eine Bypassleitung 19 mit einem Bypassventil 20, welche eine Möglichkeit zur Regelung des Verdichters 2 darstellen, was ebenfalls auf übliche Art und Weise durchgeführt werden kann.
Entsprechend den Prinzipien des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die dem Regelgerät 5 zugeführten Signale SU( SPU und SPV der Berechnungseinheit 21 des Regelgeräts 5 ausgewertet und so die Regelung des Verdichters 2 entsprechend dem jeweiligen Verdichterkennfeld durchgeführt, damit der Verdichter 2 in einem optimalen Betriebsbereich dieses Kennfeldes betrieben werden kann .
Die Regelstrategie entspricht ebenfalls üblichen Prinzipien, wozu beispielsweise auf die eingangs erläuterte DE 10 2004 059 369 Al verwiesen werden kann, deren Offenbarung hiermit durch explizite Bezugnahme zur Offenbarung vorliegender Anmeldung gemacht wird.
Bezugszeichenliste
1 Regelsystem/Regelvorrichtung
2 Verdichter
3 Turbolader
4 Verbrennungsmotor
5 Regelgerät
6 Erster Drucksensor
7 Zweiter Drucksensor
8 Drehzahlsensor
9 Welle
10 Turbine
11 Verdichtereinlass
12 Verdichterauslass
13 Drosselklappe
14 Ladeluftkühler
15 Einlasssammelleitung
16 Auslasssammelleitung
17 Auslassleitung
18 Verdichterauslassleitung
19 Bypassleitung 20 Bypassventil
21 Berechnungseinheit
22 Verdichtereinlassleitung Pu Umgebungsluftdruck
Pv statischer Druck vor Motoreintritt
PE statischer Druck unmittelbar am Verdichtereinlass 11
PA statischer Druck unmittelbar am Verdichterauslass 12
Pdyn Unterdruck (dynamischer Druck) in der
Verdichtereinlassleitung 22
PDV Druckverlust in der Verdichterauslassleitung 18 nach
Drosselklappe 13 und/oder Ladeluftkühler 14

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Regelung oder Steuerung des Verdichters (2) eines Abgasturboladers (3) eines Verbrennungsmotors (4) mit folgenden Verfahrensschritten:
Messen eines Umgebungsluftdrucks (P0) und Übersenden eines den Umgebungsluftdruck (P0) repräsentierenden Signals (SPU) an ein Steuer-/Regelgerät (5) ; Messen eines statischen Druckes (Pv) vor dem Motoreintritt und Übersenden eines den Druck (Pv) repräsentierenden Signals (SPV) an das Steuer- /Regelgerät (5) ;
Messen der Drehzahl (U) des Abgasturboladers (3) und Übersenden eines den Drehzahlwert (U) repräsentierenden Signals (SPU) an das Steuer- /Regelgerät (5);
Ermittlung eines unmittelbar am Verdichtereinlass (11) vorliegenden statischen Drucks (PE) durch Berechnen eines Unterdrucks (Pdyn) in der Verdichtereinlassleitung (11) und Subtraktion des berechneten Unterdrucks (Pdyn) vom gemessenen Umgebungsluftdruck (P0) ;
Ermitteln eines unmittelbar am Verdichterauslass (12) vorliegenden statischen Drucks (PA) durch Berechnen des Druckverlustes (PDV) in der Verdichterauslassleitung (18) und Addition des berechneten Druckverlusts (PDV) zum gemessenen statischen Druck (Pv) ; und Regeln oder Steuern des Verdichterbetriebs durch das Steuer-/Regelgerät (5) entsprechend zumindest eines der ermittelten Druckwerte (PE bzw. PA) und des Drehzahlsignals (S0) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsluftdruck (Pu) unmittelbar am Regelgerät (5) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des verdichteten Strömungsmittels unmittelbar vor der Einlasssammelleitung (15) des Verbrennungsmotors (4) gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des verdichteten Strömungsmittels in der Einlasssammelleitung (15) des Verbrennungsmotors (4) gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des verdichteten Strömungsmittels zwischen der Drosselklappe (13) und dem Ladeluftkühler (14) des Verbrennungsmotors (4) gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des verdichteten Strömungsmittels in der Verdichterauslassleitung (18) vor der Drosselklappe (13) gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmessstelle des verdichteten Strömungsmittels identisch eine bereits vorhandene konventionelle Messstelle für die Ladedruckregelung verwendet wird.
8. Vorrichtung (1) zur Regelung oder Steuerung
- mit einem ersten Drucksensor (6), der zur Messung eines Umgebungsluftdruckes (P0) vor dem Verdichtereinlass (11) angeordnet ist,
- mit einem zweiten Drucksensor (7) zur Messung eines statischen Druckes (Pv) vor dem Verbrennungsmotoreintritt ,
mit einem Drehzahlsensor (8) zur Messung der Drehzahl des Abgasturboladers (3), und - mit einem Steuer-/Regelgerät (5), das eine Berechnungseinheit (21) zur Ermittlung eines statischen Druckes (PE) des unverdichteten Strömungsmittels unmittelbar am Verdichtereinlass (11) und zur Ermittlung eines statischen Druckes (PA) unmittelbar am Verdichterauslass (12) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drucksensor (6) unmittelbar am Regelgerät (5) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Drucksensor (7) zwischen einem Ladeluftkühler (14) und der Einlasssammelleitung (15) des Verbrennungsmotors (4) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Drucksensor (7) in der Einlasssammelleitung (15) des Verbrennungsmotors (4) angeordnet ist.
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