DE19810174C1 - Arrangement for regulating the charging pressure of an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers - Google Patents
Arrangement for regulating the charging pressure of an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargersInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, wobei eine Anordnung zur Erfassung der angesaugten Luft und ein Regler vorhanden sind, der eine gemeinsame Stellgröße für beide Turbinen in den Abgassträngen bildet.The present invention relates to a device for Controlling the boost pressure of an internal combustion engine with two Exhaust gas turbochargers, an arrangement for detecting the sucked air and a controller are present, the one common manipulated variable for both turbines in the Forms exhaust gas lines.
In der DE 195 13 156 C1 ist eine aus zwei Zylinderblöcken bestehende Brennkraftmaschine bekannt, die für jeden Zylinderblock einen eigenen Abgasturbolader aufweist. Dabei ist jeweils in dem Abgasstrang eines jeden Zylinderblocks eine Turbine eines Turboladers und in einem Ansaugrohr der zugehörige Verdichter des Turboladers angeordnet. Die dieser Druckschrift entnehmbare Vorrichtung zum Regeln des Ladedrucks der beiden Abgasturbolader weist einen Luftmassenmesser auf, der in einem gemeinsamen Ansaugrohr, das sich auf die beiden Zylinderblöcke auf zweigt, befindet. Aus der gemessenen Luftmasse, die der Summe der von beiden Zylinderblöcken angesaugten Luftmasse entspricht, wird einem Regler und eine von diesem abgeleitete Stellgröße gleichzeitig beiden Abgasturboladern zur Regelung des Ladedrucks zugeführt. Mit dieser Vorrichtung ist es nicht möglich, die von jedem Turbolader angesaugte Luftmasse individuell zu bestimmen, so daß auch keine separate Regelung des von jedem Turbolader ausgehenden Ladedrucks möglich ist.DE 195 13 156 C1 is one of two cylinder blocks existing internal combustion engine known to everyone Cylinder block has its own exhaust gas turbocharger. Here is in the exhaust tract of each cylinder block a turbine of a turbocharger and in an intake manifold associated compressor of the turbocharger arranged. This one Document removable device for regulating the Boost pressure of the two turbochargers has one Air mass meter in a common intake pipe, that branches onto the two cylinder blocks. From the measured air mass, the sum of the two Air masses drawn in cylinder blocks is one Controller and a manipulated variable derived from it both exhaust gas turbochargers to control the Boost pressure supplied. It is not with this device possible, the air mass sucked in by each turbocharger to be determined individually, so that no separate Regulation of the boost pressure from each turbocharger is possible.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine Ladedruckregelung für zwei Abgasturbolader mit möglichst geringem Schaltungsaufwand ermöglicht.The invention is therefore based on the object Specify device of the type mentioned, the one Boost pressure control for two exhaust gas turbochargers with as much as possible allows little circuitry.
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß in jedem von zwei Ansaugrohren der Brennkraftmaschine, in dem jeweils ein Verdichter eines Turboladers angeordnet ist, ein Luftmassenmesser die angesaugte Luftmasse mißt und daß Mittel vorhanden sind, die aus den in beiden Ansaugrohren gemessenen Luftmassen eine Regelgröße bilden. Aus der Ablage der Regelgröße von einem Solladedruck ermittelt dann ein Regler eine Stellgröße z. B. für Bypassventile der Turbinen der beiden Abgasturbolader. Obwohl bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei Luftmassen gemessen werden, nämlich in den voneinander getrennten Ansaugrohren der Brennkraftmaschine, wird nur ein Regler verwendet, um aus den gemessenen Luftmassen eine Stellgröße für beide Turbolader abzuleiten.This object is achieved with the features of claim 1 solved by the fact that in each of two intake pipes Internal combustion engine, in each of which a compressor Turbocharger is arranged, the air mass meter sucked air mass measures and that means are available that one from the air masses measured in both intake pipes Form controlled variable. From the storage of the controlled variable of one Setpoint pressure then a controller determines a manipulated variable z. B. for bypass valves of the turbines of the two exhaust gas turbochargers. Although two air masses in the device according to the invention be measured, namely in the separate Intake pipes of the internal combustion engine, only one controller used to manipulate the measured air masses for both turbochargers.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous developments of the invention can be seen in the Sub-claims emerge.
Die eine gemeinsame Regelgröße kann dadurch gebildet werden, daß von jeder der beiden gemessenen Luftmassen jeweils ein über ein vorgegebenes Zeitintervall gemittelter Luftmassenwert bestimmt wird und daß die beiden gemittelten Luftmassenwerte zu einem Gesamtluftmassenwert addiert werden, der die Regelgröße darstellt. Es kann auch die Motorlast als Regelgröße herangezogen werden, indem der Gesamtluftmassenwert durch die Motordrehzahl dividiert wird.The one common control variable can be formed by that of each of the two measured air masses averaged over a predetermined time interval Air mass value is determined and that the two averaged Air mass values added to a total air mass value which is the controlled variable. It can also do that Motor load can be used as a control variable by the Total air mass value is divided by the engine speed.
Zur Bildung der mittleren Luftmassenwerte werden vorzugsweise die Ausgangssignale der beiden Luftmassenmesser abgetastet, die Abtastwerte der beiden gemessenen Luftmassen über das vorgegebene Zeitintervall aufaddiert und am Ende des Zeitintervalls die beiden Additionswerte durch die Zahl der Abtastungen dividiert. Die Abtastwerte können vor der Mittelung noch linearisiert werden.To form the mean air mass values preferably the output signals of the two air mass meters sampled, the samples of the two measured air masses added up over the specified time interval and at the end of the time interval the two addition values by the number of the samples divided. The samples can be taken before Averaging can still be linearized.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, gegenseitige Abweichungen des Ladedrucks der beiden Turbolader zu ermitteln, indem ein Komparator die beiden gemessenen Luftmassen miteinander vergleicht. Bei demjenigen Turbolader, in dessen Ansaugrohr die größere Luftmasse gemessen wird, wird die Bypassdurchflußrate seiner Turbine erhöht. Somit ist auch eine individuelle Regelung der einzelnen Turbolader möglich, so daß jeder Turbolader vor einer Überdrehzahl geschützt werden kann.The device according to the invention enables mutual Deviations in the boost pressure of the two turbochargers determine by a comparator the two measured Air masses compared. With that one Turbocharger, in the intake pipe the larger air mass is measured, the bypass flow rate of his turbine elevated. Thus, an individual regulation of the single turbocharger possible so that each turbocharger before an overspeed can be protected.
Wird eine Fehlerdiagnoseschaltung für die beiden Luftmassenmesser eingesetzt, so kann bei einem Defekt eines der beiden Luftmassenmesser trotzdem noch eine zuverlässige Ladedruckregelung durchgeführt werden. Dazu wird bei Defekt eines der beiden Luftmassenmesser der von dem anderen funktionierenden Luftmassenmesser hergeleitete mittlere Luftmassenwert mit dem Faktor 2 und der fehlerhafte mittlere Luftmassenwert mit dem Faktor Null multipliziert.Becomes a fault diagnosis circuit for the two Air mass meter used, so if there is a defect of the two air mass meters is still a reliable one Boost pressure control can be carried out. In addition, if there is a defect one of the two air mass meters from the other working air mass meter derived mean Air mass value with a factor of 2 and the faulty mean Air mass value multiplied by a factor of zero.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:Using one shown in the drawing The invention is described in more detail below explained. Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern und einer Ladedruckregelung und Fig. 1 is a block diagram of an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers and a boost pressure control and
Fig. 2 ein Funktionsdiagramm zur Herleitung einer Regelgröße. Fig. 2 is a functional diagram for deriving a controlled variable.
Die in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine besitzt zwei Zylinderbänke 1 und 2. Jeder dieser beiden Zylinderbänke 1 und 2 ist mit einem Abgasturbolader 3, 4 ausgestattet. Der Abgasturbolader 3 weist eine Turbine 5 im Abgaskanal 6 der ersten Zylinderbank 1 und einen damit gekoppelten Verdichter 7 im Ansaugrohr 8 auf. In gleicher Weise ist eine Turbine 9 des zweiten Abgasturboladers 4 im Abgaskanal 10 der zweiten Zylinderbank 2 und ein damit gekoppelter Verdichter 11 im Ansaugrohr 12 angeordnet. Die Turbinen 5 und 9 sind in bekannter Weise von einem Bypasskanal 13 und 14 überbrückt, in dem sich jeweils ein Bypass-Ventil 15, 16 befindet. Über diese Bypass-Ventile 15 und 16 besteht die Möglichkeit, den von einem jeden Turbolader 3, 4 erzeugten Ladedruck auf einen gewünschten Wert zu regeln. Die Verdichter 7 und 11 der beiden Turbolader 3 und 4 speisen ihre Ladeluft in einen gemeinsamen Ansaugkanal 17 ein, in dem sich eine Drosselklappe 18 befindet. Am Ausgang der Drosselklappe 18 verzweigt sich der Ansaugkanal 17 auf die beiden Zylinderbänke 1 und 2. In den beiden voneinander getrennten Ansaugkanälen 8 und 12 befindet sich jeweils ein Luftfilter 19 und 20. Zwischen dem Luftfilter 19 und dem Verdichter 7 des ersten Turboladers befindet sich im Ansaugrohr 8 ein Luftmassenmesser 21. Ebenso befindet sich im Ansaugrohr 12 zwischen dem Verdichter 11 des zweiten Turboladers 4 und dem Luftfilter 20 ein Luftmassenmesser 22.The internal combustion engine shown in FIG. 1 has two cylinder banks 1 and 2 . Each of these two cylinder banks 1 and 2 is equipped with an exhaust gas turbocharger 3 , 4 . The exhaust gas turbocharger 3 has a turbine 5 in the exhaust duct 6 of the first cylinder bank 1 and a compressor 7 coupled to it in the intake pipe 8 . In the same way, a turbine 9 of the second exhaust gas turbocharger 4 is arranged in the exhaust duct 10 of the second cylinder bank 2 and a compressor 11 coupled thereto is arranged in the intake pipe 12 . The turbines 5 and 9 are bridged in a known manner by a bypass duct 13 and 14 , in each of which there is a bypass valve 15 , 16 . These bypass valves 15 and 16 make it possible to regulate the boost pressure generated by each turbocharger 3 , 4 to a desired value. The compressors 7 and 11 of the two turbochargers 3 and 4 feed their charge air into a common intake duct 17 , in which a throttle valve 18 is located. At the outlet of the throttle valve 18 , the intake duct 17 branches onto the two cylinder banks 1 and 2 . An air filter 19 and 20 is located in each of the two separate intake ducts 8 and 12 . An air mass meter 21 is located in the intake pipe 8 between the air filter 19 and the compressor 7 of the first turbocharger. There is also an air mass meter 22 in the intake pipe 12 between the compressor 11 of the second turbocharger 4 and the air filter 20 .
Die Ausgangssignale ml1, ml2 der beiden Luftmassenmesser 21 und 22, welche die individuell von jedem einzelnen Turbolader 3 und 4 angesaugte Luftmasse messen, sind einem Schaltblock 23 in einem Steuergerät 24 zugeführt. Dieser Schaltblock 23, dessen Funktion weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 2 noch näher beschrieben wird, leitet aus den beiden gemessenen Luftmassen eine gemeinsame Regelgröße tlist beider Abgasturbolader 3 und 4 her. Die Regelgröße ist zum Beispiel die Ist-Last tlist des Motors. Der Verknüpfungspunkt 25 ermittelt die Abweichung dtl zwischen dem Ist-Lastwert tlist und einem von einem Sollwertgeber 26 gebildeten Soll-Lastwert tlsol des Motors. Der Soll-Lastwert tlsol wird in bekannter Weise aus der Motordrehzahl n und der Drosselklappenstellung α hergeleitet.The output signals ml1, ml2 of the two air mass meters 21 and 22 , which measure the air mass individually sucked in by each turbocharger 3 and 4 , are supplied to a switching block 23 in a control unit 24 . This switching block 23 , the function of which will be described in more detail below in connection with FIG. 2, derives a common control variable tlist of both exhaust gas turbochargers 3 and 4 from the two measured air masses. The controlled variable is, for example, the actual load tlist of the engine. The connection point 25 determines the deviation dtl between the actual load value tlist and a setpoint value tlsol of the engine formed by a setpoint generator 26 . The target load value tlsol is derived in a known manner from the engine speed n and the throttle valve position α.
Die Abweichung dtl zwischen der Ist-Last tlist und der Soll-Last tlsol wird schließlich einem Regler 27 zugeführt, der beispielsweise ein PID-Regler sein kann. Die am Ausgang des Reglers 27 anliegende Stellgröße ldr führt auf ein Stellglied 28. Das Stellglied 28, z. B. ein Taktventil, steuert die beiden Bypassventile 15 und 16 der Turbolader 3 und 4 gleichzeitig an. Der Ladedruck der beiden Turbolader 3 und 4 läßt sich anstelle der Bypass-Ventile 15 und 16 auch über die Geometrie der Turbinen 5 und 9 regeln.The deviation dtl between the actual load tlist and the target load tlsol is finally fed to a controller 27 , which can be a PID controller, for example. The manipulated variable ldr present at the output of the controller 27 leads to an actuator 28 . The actuator 28 , e.g. B. a timing valve, controls the two bypass valves 15 and 16 of the turbochargers 3 and 4 simultaneously. The boost pressure of the two turbochargers 3 and 4 can also be controlled via the geometry of the turbines 5 and 9 instead of the bypass valves 15 and 16 .
Obwohl zwei voneinander unabhängige Luftmassen gemessen werden, ist gemäß der beschriebenen Vorrichtung nur ein einziger Regler 27 und ein einziges Stellglied 28 erforderlich, um den Ladedruck der beiden Turbolader 3 und 4 zu regeln. Although two mutually independent air masses are measured, according to the device described, only a single regulator 27 and a single actuator 28 are required in order to regulate the boost pressure of the two turbochargers 3 and 4 .
Das in Fig. 2 dargestellte Funktionsdiagramm verdeutlicht, wie aus den Meßsignalen ml1 und ml2 der beiden Luftmassenmesser 21 und 22 eine einzige Regelgröße für den einen Regler 27 abgeleitet werden kann. Die Meßsignale ml1 und ml2 der beiden Luftmassenmesser 21 und 22 sind an die Eingänge eines ersten Schalters 29 gelegt. Der von einem Abgastakt T gesteuerte erste Schalter 29 schaltet abwechselnd Abtastwerte der Meßsignale ml1 und ml2 auf eine Leitung 30 durch, die zu einem Eingang eines zweiten Schalters 31 führt. In die Leitung 30 kann eine Schaltung 32 eingefügt sein, welche die Abtastwerte der Meßsignale ml1 und ml2 linearisisert, da im allgemeinen der Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal eines Luftmassenmessers und der physikalischen Größe der Luftmasse nicht linear ist.The functional diagram shown in FIG. 2 illustrates how a single control variable for the one controller 27 can be derived from the measurement signals ml1 and ml2 of the two air mass meters 21 and 22 . The measurement signals ml1 and ml2 of the two air mass meters 21 and 22 are applied to the inputs of a first switch 29 . The first switch 29 , which is controlled by an exhaust gas cycle T, alternately switches samples of the measurement signals ml1 and ml2 through to a line 30 which leads to an input of a second switch 31 . A circuit 32 can be inserted into the line 30 , which linearises the samples of the measurement signals ml1 and ml2, since in general the relationship between the output signal of an air mass meter and the physical quantity of the air mass is not linear.
Der zweite Schalter 31 wird ebenfalls von der Abtastfrequenz T gesteuert, so daß er abwechselnd die Abtastwerte des ersten Meßsignals ml1 auf einen ersten Signalpfad 33 und die Abtastwerte des zweiten Meßsignals ml2 auf einen zweiten Signalpfad 34 durchschaltet. Im Signalpfad 33 befindet sich ein Summierer 35, welcher alle Abtastwerte des ersten Meßsignals ml1 über ein gewisses Zeitintervall aufaddiert. Das Zeitintervall entspricht z. B. einem oder mehreren Kurbelwellen-Segmenten. Am Ende des Zeitintervalls wird die Summe der Abtastwerte im Block 36 durch die Zahl der Abtastwerte dividiert. Somit erhält man einen ersten gemittelten Luftmassenwert mml1. In gleicher Weise werden im zweiten Signalpfad 34 im Block 37 die in dem vorgegebenen Zeitintervall auftretenden Abtastwerte des zweiten Meßsignals ml2 aufaddiert und im Block 38 die Summe der Abtastwerte am Ende des Zeitintervalls durch die Zahl der Abtastwerte dividiert, woraus der zweite mittlere Luftmassenwert mml2 resultiert. Die beiden gemittelten Luftmassenwerte mml1 und mml2 werden im Verknüpfungspunkt 39 addiert und der daraus resultierende Gesamtluftmassenwert mml im Block 40 durch die Motordrehzahl n dividiert. Dadurch erhält man nach einer evtl. Tiefpaßfilterung im Block 41 die Ist-Last tlist des Motors.The second switch 31 is also controlled by the sampling frequency T, so that it alternately switches the sampling values of the first measuring signal ml1 to a first signal path 33 and the sampling values of the second measuring signal ml2 to a second signal path 34 . In the signal path 33 there is a summer 35 , which adds up all the samples of the first measurement signal ml1 over a certain time interval. The time interval corresponds to e.g. B. one or more crankshaft segments. At the end of the time interval, the sum of the samples in block 36 is divided by the number of samples. This gives a first averaged air mass value mml1. In the same way, the sample values of the second measurement signal ml2 occurring in the predetermined time interval are added up in the second signal path 34 in block 37 and the sum of the sample values at the end of the time interval is divided by the number of sample values in block 38 , which results in the second mean air mass value mm12. The two averaged air mass values mml1 and mml2 are added at node 39 and the resulting total air mass value mml is divided by the engine speed n in block 40 . In this way, after a possible low-pass filtering, the actual load tlist of the motor is obtained in block 41 .
Die Ausgangssignale ml1 und ml2 der beiden Luftmassenmesser 21 und 22 werden einer Fehlerdiagnoseschaltung 42 zugeführt. Stellt diese Fehlerdiagnoseschaltung 42 einen Defekt eines der beiden Luftmassenmesser 21 oder 22 fest, so wird der von dem fehlerfrei arbeitenden Luftmassenmesser abgeleitete mittlere Luftmassenwert mit einem Faktor 2 und der fehlerhafte Wert mit Null multipliziert. Wenn also einer der beiden mittleren Luftmassenwerte mml1 oder mml2 wegen eines defekten Luftmassenmessers ausfällt, bleibt der Gesamtluftmassenwert mml aufgrund der Verdopplung des aus dem korrekt funktionierenden Luftmassenmesser stammenden mittleren Luftmassenwertes erhalten. Die Fehlerdiagnoseschaltung 42 liefert also ein Signal f1 an einen im ersten Signalpfad 33 befindlichen Multiplizierer 43 und multipliziert den mittleren Luftmassenwert mml1 mit dem Faktor 2, wenn der Luftmassenmesser 22 defekt ist und deswegen kein mittlerer Luftmassenwert mml2 vorliegt. Ebenso gibt die Fehlerdiagnoseschaltung 42 ein Signal f2 an einen Multiplizierer 44 im zweiten Signalpfad 34 ab und multipliziert den mittleren Luftmassenwert mml2 mit dem Faktor 2, wenn aufgrund eines defekten Luftmassenmessers 21 kein mittlerer Luftmassenwert mml1 erscheint. Selbst wenn einer der beiden Luftmassenmesser 21 oder 22 ausfällt, kann mit der beschriebenen Maßnahme die Ladedruckregelung weiter aufrechterhalten werden.The output signals ml1 and ml2 of the two air mass meters 21 and 22 are fed to a fault diagnosis circuit 42 . If this fault diagnosis circuit 42 detects a defect in one of the two air mass meters 21 or 22 , the mean air mass value derived from the fault-free air mass meter is multiplied by a factor of 2 and the faulty value is multiplied by zero. If one of the two mean air mass values mml1 or mml2 fails due to a defective air mass meter, the total air mass value mml is retained due to the doubling of the mean air mass value from the correctly functioning air mass meter. The fault diagnosis circuit 42 thus supplies a signal f1 to a multiplier 43 located in the first signal path 33 and multiplies the average air mass value mml1 by a factor of 2 if the air mass meter 22 is defective and therefore there is no average air mass value mml2. Likewise, the fault diagnosis circuit 42 outputs a signal f2 to a multiplier 44 in the second signal path 34 and multiplies the mean air mass value mml2 by a factor of 2 if a mean air mass value mml1 does not appear due to a defective air mass meter 21 . Even if one of the two air mass meters 21 or 22 fails, the charge pressure control can be maintained with the measure described.
Ein Komparator 45 vergleicht die beiden gemessenen Luftmassen ml1 und ml2 miteinander, um den Gleichlauf der beiden Turbolader 3 und 4 zu überwachen. Erzeugt z. B. der Turbolader 3 einen höheren Ladedruck als der Turbolader 4, so gibt der Komparator 45 eine Stellgröße sbp1 für das Bypassventil 15 des Turboladers 3 ab, so daß die Bypassdurchflußrate der Turbine 5 erhöht wird. Erzeugt umgekehrt der Turbolader 4 einen höheren Ladedruck als der Turbolader 3, so gibt der Komparator 45 eine Stellgröße sbp2 für das Bypassventil 16 des Turboladers 4 ab, so daß die Bypassdurchflußrate der Turbine 9 des Turboladers 4 erhöht wird. Durch den Einsatz zweier Luftmassenmesser 21 und 22 in getrennten Ansaugrohren 8 und 12 der beiden Turbolader 3 und 4 läßt sich auf diese Art und Weise eine einfache Gleichlaufregelung realisieren.A comparator 45 compares the two measured air masses ml1 and ml2 with one another in order to monitor the synchronism of the two turbochargers 3 and 4 . Generates e.g. B. the turbocharger 3 has a higher boost pressure than the turbocharger 4 , the comparator 45 outputs a manipulated variable sbp1 for the bypass valve 15 of the turbocharger 3 , so that the bypass flow rate of the turbine 5 is increased. Conversely, if the turbocharger 4 generates a higher boost pressure than the turbocharger 3 , the comparator 45 outputs a manipulated variable sbp2 for the bypass valve 16 of the turbocharger 4 , so that the bypass flow rate of the turbine 9 of the turbocharger 4 is increased. By using two air mass meters 21 and 22 in separate intake pipes 8 and 12 of the two turbochargers 3 and 4 , a simple synchronization control can be realized in this way.
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