DE10043760B4

DE10043760B4 - Begrenzer für ein Zusatzgerät einer Brennkraftmaschine sowie zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE10043760B4
Application number: DE10043760A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ellmer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: FR2813638A1; FR2813638B1; DE10043760A1

Abstract

Begrenzer für ein Zusatzgerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit
a) einem ersten Sensor (1.1) zur Messung einer ersten Betriebsgröße des Zusatzgeräts, oder alternativ einem ersten Eingang, der eine erste aus einem Modell ermittelte Betriebsgröße einliest (1.1),
b) einem zweiten Sensor (1.2) zur Messung einer zweiten Betriebsgröße des Zusatzgeräts oder alternativ einem Eingang, der die zweite aus einem Modell ermittelte Betriebsgröße einliest (1.2),
c) einem dritten Sensor (1.3) zur Messung einer dritten Betriebsgröße des Zusatzgeräts oder alternativ einem Eingang, der die dritte aus einem Modell ermittelte Betriebsgröße einliest (1.2),
d) einer Auswertungseinheit (4–9), die ein Steuersignal (FAC1) zur Begrenzung des Zusatzgeräts erzeugt, wobei die Auswertungseinheit (4–9) eingangsseitig mit den drei Sensoren/Eingängen (1.1, 1.2) verbunden ist und das Steuersignal (FAC1) in Abhängigkeit von den drei Betriebsgrößen bestimmt,
dadurch gekennzeichnet,
e) dass die erste Betriebsgröße der Druckquotient (PQ₀) zwischen dem Eingang und dem Ausgang des...

Description

Die Erfindung betrifft einen Begrenzer für ein Zusatzgerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader, gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1.
Turbolader für Brennkraftmaschinen können bekanntermassen in verschiedenen Betriebspunkten arbeiten, die sich durch die Drehzahl, den geförderten Masse- bzw. Volumenstrom und das Druckverhältnis zwischen Eingang und Ausgang am Verdichter des Abgasturboladers unterscheiden. Der technisch realisierbare Betriebsbereich am Verdichter des Abgasturboladers wird hierbei durch drei Kennlinien begrenzt, die im folgenden beschrieben werden.
Zum einen wird der Betriebsbereich am Verdichter des Abgasturboladers durch eine Drehzahlgrenze begrenzt, welche der technisch maximal zulässigen Drehzahl des Abgasturboladers entspricht.
Zum anderen weist der Verdichter des Abgasturboladerkennfeldes eine sog. Stopfgrenze auf, die das Druckverhältnis zwischen Eingang und Ausgang des Verdichters des Abgasturboladers nach unten begrenzt.
Entscheidend ist jedoch die sog. Pumpgrenze des Abgasturboladers, die bei kleinen Volumen- bzw. Masseströmen und hohen Druckverhältnissen zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters des Abgasturboladers den Betriebsbereich des Abgasturboladers begrenzt. Die technisch-physikalische Ursache der Pumpgrenze liegt darin, dass sich die Strömung in dem Abgasturbolader bei kleinen Volumen- bzw. Masseströmen und hohen Druckverhältnissen zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Abgasturboladers von den Verdichterschaufeln ablösen und anschließend rückwärts durch den Abgasturbolader strömen kann. Nach einer derartigen Strömungsablösung stabilisieren sich die Druckverhältnisse wieder und es baut sich erneut ein Druck auf, bis es wiederholt zu einer Strömungsablösung und einer Rückströmung kommt, was sich in erster Linie durch Geräusche bemerkbar macht.
Nachteilig an den bekannten Abgasturboladern ist also die Tatsache, das deren Betriebsbereich insbesondere durch die sog. Pumpgrenze eingeschränkt ist. Bei bekannten Abgasturboladern wird dieser Begrenzung dadurch Rechnung getragen, dass durch eine entsprechende konstruktive Auslegung des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine ein breiter Sicherheitsabstand zu der Pumpgrenze eingehalten wird, um die vorstehend beschriebenen Rückströmungseffekte beim Überschreiben der Pumpgrenze zu vermeiden. Der breite Sicherheitsabstand zu der Pumpgrenze schränkt jedoch den nutzbaren Betriebsbereich des Abgasturboladers weiter ein.

Aus DE 197 43 667 A1 sowie aus DE 199 01 069 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, bei dem der Ladedruck des Abgasturboladers gemessen und die Förderleistung des Abgasturboladers in Abhängigkeit von dem gemessenen Ladedruck geregelt wird. Diese bekannten Anordnungen ermöglichen jedoch nicht die Bestimmung des Abstandes zu der sog. Pumpgrenze, da lediglich der Ladedruck gemessen wird und die Pumpgrenze auch von dem durch den Abgasturbolader geförderten Volumenstrom abhängt.

Schließlich ist aus DE 197 19 630 A1 ein kennliniengesteuerter Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei in dem vorgegebenen Kennlinienfeld die Motordrehzahl und die Gleitgitterposition des Abgasturboladers als Ausgangsgrößen in Abhängigkeit von dem Totaldruckverhältnis und dem Massenstrom des Abgasturboladers als Eingangsgrößen gespeichert sind. Hierbei werden also als Eingangsgrößen das an dem Abgasturbolader anliegende Totaldruckverhältnis und der von dem Abgasturbolader geförderte Massenstrom gemessen, woraus das gespeicherte Kennlinienfeld die Motordrehzahl und die gewünschte Leitgitterposition für den Abgasturbolader ermittelt. Darüber hinaus ist in dem gespeicherten Kennlinienfeld auch noch eine sog. Sicherheitslinie gespeichert, die in einem vorgegebenen Sicherheitsabstand zu der Pumpgrenze liegt und ein Überschreiten der Pumpgrenze im Betrieb des Abgasturboladers verhindert. Hierzu werden die Messwerte des Totaldruckverhältnisses und des Massenstroms des Abgasturboladers mit den durch die Sicherheitslinie vorgegebenen Maximalwerten verglichen, um den Abgasturbolader ggf. entsprechend begrenzen zu können.

Ferner ist aus DE 197 02 853 A1 eine Steuerungseinrichtung für einen Abgasturbolader bekannt, bei der der Kompressor des Abgasturboladers zur Begrenzung mittels eines Bypass-Ventils überbrückt werden kann. Zur Ansteuerung des Bypassventils wird hierbei der Einlasssammelleitungsdruck, die Motordrehzahl und der Umgebungsdruck gemessen, wobei die Ansteuerung des Bypassventils in Abhängigkeit von diesen Betriebsgrößen entsprechend einem vorgegebenen Kennfeld erfolgt. Diese Art der Begrenzung des Abgasturboladers ermöglicht jedoch ebenfalls keine befriedigende Berücksichtigung der Pumpgrenze.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasturbolader mit einem vorgegebenen Betriebsbereich eine größtmögliche Ausnutzung des Betriebsbereichs bis an die Pumpgrenze heran zu ermöglichen bzw. die genaue Kenntnis der Betriebsgrenzen des Verdichters für Steuerungs- und Regelungszwecke zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung wird, ausgehend von einem Begrenzer für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, im Betrieb des Abgasturboladers den aktuellen Betriebspunkt zu erfassen und den Abstand zu der Pumpgrenze, der Stopfgrenze und/oder der Drehzahlgrenze zu ermitteln, um einerseits ein Überschreiten der Grenzen zu verhindern und andererseits möglichst nahe an die Grenzen herangehen zu können, bzw. die genaue Kenntnis der Betriebsgrenzen des Verdichters für Steuerungs- und Regelungszwecke zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung ist nicht auf die Begrenzung eines Abgasturboladers beschränkt, sondern auch bei anderen Zusatzgeräten für eine Brennkraftmaschine anwendbar, wie beispielsweise bei einem Kompressor oder einem G-Lader. Entscheidend ist lediglich, dass der Betriebsbereich des Zusatzgerätes durch mehrere technisch-physikalische Grenzen beschränkt ist.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Betriebsbereich nicht nur durch die Pumpgrenze, die Stopfgrenze oder die Drehzahlgrenze beschränkt sein kann. Vielmehr können auch andere Betriebsgrößen des Zusatzgerätes technisch-physikalische Grenzwerte aufweisen, die den Betriebsbereich des Zusatzgerätes einschränken.

Der aktuelle Betriebspunkt des Zusatzgeräts der Brennkraftmaschine kann durch verschiedene gemessene bzw. modellgestützte Größen beschrieben werden.

Eine gängige Beschreibung des Zusatzgeräts der Brennkraftmaschine – hier exemplarisch der Verdichter eines Abgasturboladers – erfolgt unter anderem durch die folgenden drei physikalischen Größen:

a) auf Druck und Temperatur vor Verdichter normierter Massenstrom bzw. Volumenstrom,
b) das Druckverhältnis vom Druck nach Verdichter zu dem Druck vor Verdichter,
c) die Verdichter-, d.h. im angegebenen Fallbeispiel die Abgasturbolader-Drehzahl.

In der bevorzugten Ausführungsform werden dem Begrenzer die oben genannten drei Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt oder alternativ durch Sensoren gemessen.

Vorzugsweise ist hierbei eine Zuordnungseinheit vorgesehen, die dem Betriebswert einer der drei Betriebsgrößen Grenzwerte für die beiden anderen Betriebsgrößen zuordnet, wobei die Zuordnung modellgestützt erfolgt.

Weiterhin ist vorzugsweise eine Auswertungseinheit vorgesehen, die aus den von der Zuordnungseinheit ermittelten Grenzwerten und den aktuellen Betriebswerten für mindestens einen der beiden anderen Betriebsgrößen ein Steuersignal für die Begrenzung des Zusatzgeräts bestimmt.

Bei Verwendung eines Sensors zur Erfassung der ersten Betriebsgröße des Zusatzgerätes kann es sich beispielsweise um einen Drehzahlsensor, zwei Drucksensoren, einen Volumenstromsensor oder einen Massestromsensor handeln. Dabei müssen der gemessene Volumenstrom und die Abgasturboladerdrehzahl entsprechend der typischen Verdichterkennfelderdarstellung im Begrenzer auf Referenztemperatur standardisiert werden. Bei der Verwendung des gemessenen Massenstroms durch Verdichter muss gemäß der Ähnlichkeitsgesetze eine Temperatur und Druck-Standardisierung erfolgen. Alternativ können die Eingangsgrößen modellgestützt (z.B. in der Motorsteuerung) ermittelt und dem Begrenzer zur Verfügung gestellt werden. Eine Standardisierung der dem Begrenzer zur Verfügung gestellten Eingangsgrößen kann dann vor Bereitstellung erfolgen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Kennfeld eines Abgasturboladers,
2a–2c verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Begrenzers.
Bei dem in 1 dargestellten Kennfeld eines herkömmlichen Abgasturboladers ist auf der Abszisse der von dem Abgasturbolader geforderte Volumenstrom und auf der Ordinate das Druckverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters des Abgasturboladers aufgetragen, wobei der technisch-physikalisch zulässige und mögliche Betriebsbereich des Abgasturboladers durch eine durch dreieckförmige Datenpunkte wiedergegebene Pumpgrenze, eine durch rautenförmige Datenpunkte dargestellte Stopfgrenze und eine durch quadratische Datenpunkte wiedergegebene Drehzahlgrenze eingeschränkt ist.
Die Drehzahlgrenze entspricht hierbei der technisch-physikalisch maximal zulässigen Drehzahl des Abgasturboladers, wobei aus der Lage der Drehzahlgrenze innerhalb des Kennfeldes ersichtlich ist, dass mit zunehmender Drehzahl des Abgasturboladers grundsätzlich sowohl das Druckverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Turboladers als auch der geförderte Volumenstrom zunimmt.
Die durch rautenförmige Datenpunkte dargestellte Stopfgrenze begrenzt dagegen das Druckverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Abgasturboladers nach unten.
Entscheidend für den Betrieb des Abgasturboladers ist jedoch die durch dreieckige Datenpunkte dargestellte Pumpgrenze, deren technische Ursache darin liegt, dass es bei kleinen Volumenströmen und hohen Druckverhältnissen zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters des Abgasturboladers in Abhängigkeit von der Drehzahl des Turboladers zu einer Strömungsablösung an den Verdichterschaufeln und einer Rückströmung kommen kann. Nach einer derartigen Strömungsablösung stabilisieren sich die Druckverhältnisse wieder und es baut sich erneut ein Druck auf, bis wiederholt eine Strömungsablösung erfolgt, was sich durch eine störende Geräuschentwicklung bemerkbar macht.
Der in 2a als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Begrenzer für einen Abgasturbolader ermöglicht vorteilhaft eine größtmögliche Ausnutzung des Betriebsbereichs des Abgasturboladers bis nahe an die Pumpgrenze heran, ohne jedoch die Pumpgrenze zu überschreiten. Hierzu weist der Begrenzer einen Drehzahlsensor/-eingang 1.1 auf, der die gemessene oder anderweitig bereitgestellte Ist-Drehzahl n₀ des Abgasturboladers misst/einliest.
Ausgangsseitig ist der Drehzahlsensor/-eingang 1.1 mit zwei Kennliniengliedern 2, 3 verbunden, wobei das Kennlinienglied 2 aus der Drehzahl n₀ einen Grenzwert PQ_P für das Druckverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters des Abgasturboladers ermittelt, während das Kennlinienglied 3 aus der gemessenen Drehzahl n₀ einen Grenzwert VOL_P für den von dem Abgasturbolader geförderten Volumenstrom VOL_P bestimmt. Die Bestimmung der Grenzwerte PQ_P und VOL_P durch die beiden Kennlinienglieder 2, 3 erfolgt hierbei modellgestützt, wobei die Kenntnis der technisch-physikalischen Zusammenhänge ausgenutzt wird.
Ausgangsseitig sind die beiden Kennlinienglieder 2, 3 mit einem Subtrahierer 4 bzw. 5 verbunden, wobei der Subtrahierer 4 die Differenz zwischen dem durch Drucksensoren (bzw. Druckquotienteneingang) 1.2 gemessenen oder durch vorherige Modellierung dem Begrenzer zur Verfügung gestellten Druckverhältnis PQ₀ und dem Grenzwert PQ_P bildet, wohingegen der Subtrahierer 5 den Grenzwert VOL_P von einem durch einen Volumen stromsensor 1.3 erfassten Messwert oder durch vorherige Modellierung dem Begrenzer zur Verfügung gestellten VOL₀ für den Volumenstrom subtrahiert.
Die beiden Subtrahierer 4, 5 sind ausgangsseitig jeweils mit einem Multiplizierer 6, 7 verbunden, wobei die beiden Multiplizierer 6, 7 die von den beiden Subtrahierern 4, 5 berechneten Differenzen quadrieren.
Schließlich sind die beiden Multiplizierer ausgangsseitig mit einem Addierer 8 verbunden, der die von den beiden Multiplizierern 6, 7 berechneten Quadrate addiert und somit eine Größe a berechnet, die den Abstand des aktuellen Betriebspunktes des Abgasturboladers von der Pumpgrenze wiedergibt.
Aus dieser Größe a ermittelt ein dem Addierer 8 nachgeschaltetes Kennlinienglied 9 ein Steuersignal FAC1 zur Begrenzung des Abgasturboladers.
Das in 2b dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Begrenzers für einen Abgasturbolader stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass im folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 2a verwiesen wird.
Die Besonderheit des in 2b dargestellten Begrenzers besteht darin, dass der Eingang/Sensor 1.1 nicht die Drehzahl n₀, sondern den Volumenstrom VOL₀ des Verdichters des Abgasturboladers misst. Entsprechend ermitteln die Kennlinienglieder 2, 3, in Abhängigkeit von dem gemessenen Volumenstrom die Grenzwerte n_p, PQ_P für die anderen beiden Betriebsgrößen des Verdichters des Abgasturboladers, nämlich das Druckverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters einerseits und die Drehzahl des Abgasturboladers andererseits. Auch hierbei werden also dieselben Betriebsgrößen des Abgas turboladers berücksichtigt, nämlich die Drehzahl n, der von dem Abgasturbolader geforderte Volumenstrom VOL und das Druckverhältnis PQ zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Abgasturboladers. Der Unterschied besteht hierbei also im wesentlichen darin, dass die Grenzwerte aus einer anderen Betriebsgröße des Abgasturboladers abgeleitet werden.
Auch das in 2c dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Begrenzers stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 2a dargestellten Begrenzer überein, so dass im folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet und zur Vermeidung von Wiederholungen diesbezüglich auf die Beschreibung zu 2a verwiesen wird.
Die Besonderheit des in 2c dargestellten Begrenzers besteht darin, dass hierbei das Druckverhältnis PQ₀ zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters gemessen wird, wobei daraus die Grenzwerte n_P und VOL_P für die Drehzahl und den Volumenstrom ermittelt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

Begrenzer für ein Zusatzgerät einer Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit a) einem ersten Sensor (1.1) zur Messung einer ersten Betriebsgröße des Zusatzgeräts, oder alternativ einem ersten Eingang, der eine erste aus einem Modell ermittelte Betriebsgröße einliest (1.1), b) einem zweiten Sensor (1.2) zur Messung einer zweiten Betriebsgröße des Zusatzgeräts oder alternativ einem Eingang, der die zweite aus einem Modell ermittelte Betriebsgröße einliest (1.2), c) einem dritten Sensor (1.3) zur Messung einer dritten Betriebsgröße des Zusatzgeräts oder alternativ einem Eingang, der die dritte aus einem Modell ermittelte Betriebsgröße einliest (1.2), d) einer Auswertungseinheit (4–9), die ein Steuersignal (FAC1) zur Begrenzung des Zusatzgeräts erzeugt, wobei die Auswertungseinheit (4–9) eingangsseitig mit den drei Sensoren/Eingängen (1.1, 1.2) verbunden ist und das Steuersignal (FAC1) in Abhängigkeit von den drei Betriebsgrößen bestimmt, dadurch gekennzeichnet, e) dass die erste Betriebsgröße der Druckquotient (PQ₀) zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters des Zusatzgeräts ist, wobei die zweite Betriebsgröße (n₀) die Drehzahl des Zusatzgeräts ist, während die dritte Betriebsgröße (VOL₀) der von dem Zusatzgerät geförderte Volumenstrom oder Massenstrom ist, oder f) dass die erste Betriebsgröße der von dem Zusatzgerät geförderte Volumenstrom (VOL₀) oder Massenstrom ist, wobei die zweite Betriebsgröße der Druckquotient (PQ₀) zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters des Zusatzgeräts ist, während die dritte Betriebsgröße die Drehzahl (n₀) ist, oder g) dass die erste Betriebsgröße die Drehzahl (n₀) des Zusatzgeräts ist, wobei die zweite Betriebsgröße der Druckquotient (PQ₀) zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdichters des Zusatzgeräts ist, während die dritte Betriebsgröße der von dem Zusatzgerät geförderte Massen- oder Volumenstrom (VOL₀) ist. und h) dass der erste Sensor/Eingang (1.1) mit einer Zuordnungseinheit (2, 3) verbunden ist, die aus der ersten Betriebgröße einen Grenzwert für die zweite Betriebsgröße und einen Grenzwert für die dritte Betriebsgröße berechnet, wobei die Zuordnungseinheit (2, 3) ausgangsseitig mit der Auswertungseinheit verbunden ist, um das Steuersignal in Abhängigkeit von den beiden Grenzwerten zu bestimmen.
Begrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgerät ein Abgasturbolader, ein Kompressor oder ein G-Lader ist.