DE3135691A1

DE3135691A1 - Lastregelung eines mit einem abgasturbolader aufgeladenen verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE3135691A1
Application number: DE19813135691
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. Dorsch; Norbert Dipl.-Ing. 7251 Weissach Stelter
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1981-09-09
Filing date: 1981-09-09
Publication date: 1983-03-17
Also published as: FR2512497B1; GB2105878A; IT1190953B; IT8222818A0; FR2512497A1

Description

Lastregelung eines mit einem

Abgasturbolader aufgeladenen

Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft die Lastregelung eines mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Motoren mit Abgasturboladern wird im gedrosselten Zustand (Teillast) die negative Ladungswechselarbeit dadurch vergrößert, daß die in der Abgasleitung eingebaute Abgasturbine den Abgas-Druck aufstaut. Die vom Abgas über Turbine und Verdichter an die Ladeluft in Form von Druck übertragene Energie wird nicht benötigt und daher mit der Drosselklappe wieder abgebaut. Die durch den aufgestauten Abgasdruck erhöhte Ladungswechselarbeit verschlechtert den Wirkungsgrad des Motors und erhöht damit den Kraftstoffverbrauch.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch ein zweckmäßiges Zusammenwirken der Stellantriebe für die Drosselklappe und das Bypassventil der Turbolader-Turbine die Lastregelung des Motors insgesamt zu verbessern, um das Fahrverhalten zu vervollkommnen und vor allem den Kraftstoffverbrauch zu senken.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Regelschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Sie ermöglicht es, die Turbolader-Turbine auch bei niederer Teillast mit soviel Abgas zu beaufschlagen, daß sie und der ihr synchrone Verdichter mit niederer Grunddrehzahl· mitl·aufen. Der Motor reagiert schneller auf die Fahrpedalbetätigung, weil der Turbolader bei spontaner Leistungsforderung rascher die erforderliche Solldrehzahl bzw. den

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benötigten Ladedruck erzeugt. Zugleich wird ein sanfter Übergang zum Turbobetrieb erzielt und ein sprunghaftes Fahrverhalten des Fahrzeugs vermieden.

Mit der elektronischen Ansteuerung der Drosselklappe und des Bypassventils nach Anspruch 2, läßt sich die Lastregelung exakt auf die jeweils vorliegenden Werte der für die Gemischbildung und Verbrennung bestimmenden Kenngrößen: Motordrehzahl sowie Druck und Temperatur der Ladeluft abstimmen, wobei diese Kenngrößen mit der elektronisch abgetasteten Fahrpedalstellung verknüpft sind. Gemäß Anspruch 3 wirken auf den Stellantrieb der Leistungsregelorgane Drosselklappe und Bypassventil nicht diese Kenngrößen selbst, sondern ihnen entsprechende Steuergrößen, die als Ausgangssignale nichtlinearer Funktionwandler gewonnen werden. Durch Wahl des funktionalen Zusammenhangs zwischen gemessener Eingangs-Kenngröße und zur Steuerung benutzter Ausgangsgröße läßt sich die Lastregelung des Motors in optimaler Weise an dessen Betriebsbedingungen anpassen. Weiterhin kann aus der Geschwindigkeit der Fahrpedalbewegung ein Signal gewonnen werden, das über den Stellantrieb ein Schließen des Bypassventils bewirkt und damit den Turbolader auf volle Drehzahl bringt, sobald oder kurz bevor die Drosselklappe ganz geöffnet ist. Hat der Turbolader Solldrehzahl bzw. den vollen Ladedruck erreicht, so wird er durch öffnen des Bypassventils wieder gedrosselt. Auf diese Weise läßt sich eine erwünschte maximale Fahrzeugbeschleunigung erzielen.

Ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Lastregelung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Blockschaltbild der Lastregelung Fig. 2, 3 und 4 Elektronische Schaltungen der Funktionswandler.

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Das Signal eines elektrischen Gebers 1 für die Fahrpedalstellung tf , das über einen Pot entiome ter abgr if f erhalten wird, wird in einer ersten Leitung 2 einem Winkel-Funktionswandler 3 zugeführt/ der nach einer vorgegebenen Funktion dem Drehwinkel f des Fahrpedals einen Drehwinkel c< ₂ ^der Drosselklappe so zuordnet, daß bei Winkelstellung 0 beginnend der Drosselklappenwinkel nach einer Wurzelfunktion mit dem Fahrpedalwinkel zunimmt, bis bei etwa halb durchgetretenem Fahrpedal die Drosselklappe in Winkelstellung ec_ max. ganz geöffnet ist. Der diesem Funktionsverlauf entsprechende Winkel o£ _ wird zusammen mit einem aus der Motor-Drehzahl gewonnenen Steuersignal n₂ in eine Rechenschaltung 4 eingespeist. Das Drehzahl-Steuersignal n» ist Ausgangssignal eines Drehzahl-Funktionswandlers 5, der die über einen Drehzahlgeber 6 ■erfasste Motordrehzahl n₁ nach einer mit Wendepunkt ansteigenden mathematischen Funktion in ein Drehzahlsignal n„ umformt. Das Ausgangssignal der Rechenschaltung 4 wird auf einen elektrischen Stellmotor 7 für die Drosselklappe gegeben, der sie um den Winkel oc verstellt.

In einer weiteren, zur ersten Leitung 2 parallelen Leitung wird die Fahrpedalstellung £ in einen Funktionswandler 9 eingespeichert, der nach vorgebener Funktion als Ausgangsgröße ein Steuersignal β ~ für die Stellung des Bypassventils des Abgasturboladers liefert. Bei Fahrpeda!winkel ^f= 0 ist

ßo ~ ßi ^max·' ^as Bypassventil ist ganz geöffnet, der Abgasturbolader ist außer Betrieb. Ab etwa halb durchgetretenem Fahrpedal nimmt mit wachsendem J* das Steuersignal β_ nach einer Hyperbel oder e-Funktion ab, d.h., ab hier wird die Turbolader-Turbine zunehmend beaufschlagt. Die tatsächliche Stellung /3 des Bypassventils hängt außerdem noch von den Steuersignalen ρ ₂ und ^₂ für den Druck bzw. die Temperatur der Ladeluft ab, die gemeinsam mit dem Steuersignal β_

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einer Rechenschaltung 10 zugeführt werden, die alle Eingangssignale additiv oder multiplikativ miteinander verknüpft» Mit dem Ausgangssignal der Rechenschaltung 10 wird ein elektrischer Stellantrieb 11 des Bypassventils angesteuert, das um den Stellweg ß verstellt wird. Das Druck-Steuersignalp» wird in einem Funktionswandler 12 erzeugt, dessen Eingangssignal ρ . von einem an der Ladeluftleitung angeschlossenen Druckgeber 13 stammt. Das Drucksteuersignal ρ „ nimmt nach einer kontinuierlich abfallenden Funktion mit wachsendem p* ab, das heißt, mit wachsendem Druck der Ladeluft wird die Schließbewegung des Bypassventils und damit die Aufladungserhöhung des Verbrennungsmotors vermindert. Die Temperatur der Ladeluft beeinflußt dagegen die Stellbewegung des Bypassvnetils nach einer ganz anderen Funktion. Das Temperatursteuersignal (J* ₂ , das in dem Funktionswandler gewonnen wird, ist zunächst bei wachsender Temperatur $ .. der Ladeluft, die mit einem Temperaturgeber 15 gemessen wird, etwa konstant. Bei wachsender Temperatur ,J* ₁ steigt ^ ₂ sprunghaft an und verursacht eine stark beschleunigte Schließbewegung des Bypassventils. Bei sich weiter erhöhender Ladeluft-Temperatur ^ ₁ bleibt $„ wieder auf konstanter Höhe.

Durch Auswahl der in den Funktionwandlern gewonnenen funktionalen Zusammenhänge zwischen gemessenen Motorkenngrößen und den ihnen zugeordneten Steuergrößen läßt sich die Lastregelung des Verbrennungsmotors aufs genaueste optimieren.

Die aus dem Buch Halbleiter-Schaltungstechnik, 3. Auflage, Seite 274 bekannten Schaltungen der Funktionswandler sind in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt, wobei im vorliegenden Anwendungsfall die Operationsverstärker für negative Eingangsspannungen entfallen. Für jeden der Funktionswandler 3, 9, 5,

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und 14 wird eine Schaltung benutzt, bestehend aus den Teilschaltungen nach Fig. 2, 3, 4, wobei je nach Kennlinienverlauf mehrere Teilschaltungen nach Fig. 2 vorhanden sind und die Teilschaltung nach Fig. 3 nur für die Funktionswandler 9, 12 und 14 erforderlich ist. Der Ausgangsstrom an Klemme 17 der Teilschaltung nach Fig. 2 ist von der Eingangsspannanung an Klemme 16 und von der Einstellung der Potentiometer 18 und 19 abhängig. Mit 18 wird ein Minimalwert für die Eingangsspannung vorgegeben, bis zu dem der Stromfluß bei 17 gleich 0 ist. Bei höherer Eingangsspannung wird der Stromfluß proportional der Eingangsspannung, wobei der Proportionalitätsfaktor am Potentiometer 19 einstellbar ist.

Mit der Teilschaltung nach Fig. 3 wird ein von der Eingangsspannung unabhängiger, konstanter Stromfluß erzeugt, der durch das Potentiometer 20 einstellbar ist. Die Ausgangsstöme der Teilschaltungen nach Fig. 2 und Fig. 3 werden der Klemme 21 in der Schaltung Fig. 4 zugeführt; sie werden addiert und in eine proportionale Ausgangsspannung an Klemme 22 umgeformt. Mit diesen Funktionswandlern lassen sich beliebig verlaufende Kennlinien bilden, die aus einem kontanten Anteil und mehreren Anteilen mit variablem Anstieg oder Abfall zusammengesetzt sein können.

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Claims

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Patentansprüche

1J Lastregelung eines mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit elektrischen Stellantrieben der Drosselklappe und eines Bypassventils, durch das Abgas unter Umgehung der Turbolader-Turbine direkt in die Auspuffleitung strömt, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teillastbereich des Verbrennungsmotors (bis ca. 50% der Vollast) das Bypassventil eine konstante, nahezu volle öffungsstellung einnimmt, wodurch die Turbine und der Verdichter des Turboladers mit niederer, konstanter Drehzahl laufen, und daß zur Lastregelung die Drosselklappe von 0% auf 100% geöffnet wird, während im oberen Teillastbereich die Drosselklappe ganz geöffnet ist und die Lastregelung durch Schließen des Bypassventils und entsprechend hohe Beaufschlagung der Turbolader-Turbine erfolgt.
2. Lastregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe durch die Fahrpedalstellung und die Motordrehzahl steuerbar ist, und daß das Bypassventil durch die Fahrpedalstellung sowie den Druck und die Temperatur der Ladeluft gesteuert ist, wobei die jeweils zusammenwirkenden Steuergrößen additiv oder multiplikativ verknüpft sind.
3. Lastregelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergrößen als Ausgangssignale von nichtlinearen Funktionswandlern (6, 13, 15) der gemessenen Motorkenngrößen: Motordrehzahl sowie Druck und Temperatur der Ladeluft gewonnen werden.