DE3204918C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Steuern des Ladungsdruckes eines turbogeladenen Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch Erhöhung des Motorkompressionsverhältnisses ist es möglich, die Brennstoffwirtschaftlichkeit und die Funktions- und Leistungsfähigkeit zu erhöhen bzw. zu verbessern. In turbogeladenen Motoren schränkt ein solcher Schritt jedoch die Vorteile der Turboaufladung ein, da der maximale Ladungsdruck dadurch begrenzt ist, daß sich eine Tendenz zum Klopfen des Motors einstellt. Bei Ottomotoren steht der Wunsch der Erhöhung der Funktions- und Leistungsfähigkeit mit Hilfe der Turboüberladung (supercharging) in Konflikt mit der Klopftendenz des Motors, wenn der Einlaßdruck abrupt erhöht wird oder wenn der Motor mit einem Brennstoff zu geringer Qualität versorgt wird.

Um das Klopfen in einem turbogeladenen Motor mit dem nachfolgenden Risiko einer Motorbeschädigung zu vermeiden, wurde ein Steuersystem entwickelt, welches das Klopfen erfaßt und automatisch den Ladedruck auf ein Niveau absenkt, bei dem das Klopfen aufhört. Das System ist ein passives System, d. h. das Klopfen muß erfaßt werden, bevor die Regulierung stattfindet. Das System hat einen fest eingestellten Kommandowert für den maximal zulässigen Ladedruck, um die Zunahme der Motorfunktions- und -leistungsfähigkeit zu begrenzen, wenn ein Brennstoff mit sehr geringer Klopftendenz dem Motor zugeführt wird. Das System sieht keine realistische Erhöhung der Funktions- und Leistungsfähigkeit vor, da eine Erhöhung der Funktions- und Leistungsfähigkeit nur dann stattfindet, wenn ein Wechsel von einem Brennstoff niedriger Qualität zu einem Brennstoff hoher Qualität erfolgt, wobei ein fest eingestellter Kommandodruckwert die Grenze für die Zunahme einstellt.

Aus der nicht-vorveröffentlichten, älteren Anmeldung gemäß der DE-OS 30 32 218 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, bei dem die Ladungslufttemperatur und der Luftdruck vor und hinter der Drosselklappe gemessen wird. Außerdem ist ein Stellungsfühler für das Feststellen der Stellung der Drosselklappe vorhanden. In einem Speicher sind Sollwerte für eine Druckdifferenz stromunterhalb und stromoberhalb der Drosselklappe gespeichert. Diese Sollwerte werden einem Vergleicher zugeführt. Ein Drehzahlmesser, der Temperaturfühler und ein Klopfsensor sind mit Eingängen eines weiteren Speichers verbunden, indem jeweils maximal zulässige Werte des Druckes stromunterhalb der Drosselklappe gespeichert sind, welche in einem weiteren Vergleicher mit den jeweiligen Ist-Werten des Druckes stromunterhalb der Drosselklappe verglichen werden. Die genannte Druckdifferenz wird als Parameter zum Steuern des Abgasventils verwendet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Steuern des Einlaßdruckes bei einem Verbrennungsmotor zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Brennstoffwirtschaftlichkeit und die Funktions- und Leistungsfähigkeit durch Optimierung des Druckes in allen Betriebszuständen zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Im Gegensatz zum vorerwähnten bekannten System ist das System gemäß der Erfindung ein aktives System, welches in jedem Betriebszustand bei Vollast den tatsächlichen Druck auf einen Wert regulieren kann, welcher dicht an der Klopfgrenze liegt. Dadurch wird ein höherer mittlerer Druck ebenso vorgesehen wie eine höhere Funktions- und Leistungsfähigkeit für eine bestimmte Brennstoffqualität. Weiterhin wird nahezu der vollständige Einschluß der mechanischen Toleranzen eliminiert.

Das System sieht ebenso eine Zunahme des Motorkompressionsverhältnisses vor, um das Teillastverhalten zu verbessern, da das Verhalten bei Vollast auf einem hohen Niveau gehalten werden kann, indem der Kommandowert des Ladedruckes dicht an der Klopfgrenze eingestellt wird. Die Erfindung macht es möglich, das Niveau an Wechsel der verschiedenen Parameter, die die Verbrennung beeinflussen, wie beispielsweise die Temperatur, der Druck und die Feuchtigkeit der Luft und die Motortemperatur, anzupassen, um so eine optimale Anpaßbarkeit an die Motorklopfgrenze zu erzielen.

Das System entsprechend der Erfindung ist ein System für eine Drucksteuerung entsprechend einer geschlossenen Schleife, welche primär so ausgelegt ist, daß sie ohne die Unterstützung eines Klopferfassungssystems funktioniert. Das Funktionsprinzip erfordert an sich keine Klopfdetektion. Wenn jedoch die Vorteile der Erfindung voll genutzt werden, sind die nachteiligen Klopfbereiche viel kleiner als bei einer herkömmlichen Druckregulierung. Daher umfaßt das System entsprechend eine Klopfdetektionsfunktion, so daß der tatsächliche Druck rapide unterhalb des Kommandodruckwertes abgesenkt wird, wenn ein Klopfen auftritt, beispielsweise wenn der Motor mit einem Brennstoff zu geringer Qualität versorgt wird.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen turbogeladenen Verbrennungsmotor mit einem System entsprechend der Erfindung zum Steuern des Ladungsdruckes,

Fig. 2 ein Diagramm des Kommandowertes des Ladungsdruckes und der resultierenden Abgastemperatur als Funktion der Motordrehzahl und

Fig. 3 und 4 Diagramme der verschiedenen Berichtigungsfaktoren für den Kommandowert in Fig. 2.

Der in Fig. 1 dargestellte Motor ist ein Vierzylinder-Ottomotor mit einer Turbokompressoreinheit 2, umfassend einen Turbinenabschitt 3, welcher mit einer Motorabgasleitung 4 in Verbindung steht, und einen Kompressorabschnitt 5, welcher mit der Motoreinlaßleitung 6 über einen Ladungsluftkühler 7 vom Luft-Luft-Typ in Verbindung steht, und einen Drosselkörper 8, welcher die Motordrossel 9 enthält. Der Gasstrom durch die Turbine 3 wird auf bekannte Art und Weise mit Hilfe eines Abgasauslasses 11 reguliert, welcher Abgasauslaß 11 in einem Umleitungsrohr 10 angeschlossen ist. Der Abgasauslaß 11 ist durch einen pneumatisch betriebenen Mechanismus 12 zu betätigen. Wenn der Abgasauslaß geschlossen ist, richtet er den gesamten Gasstrom durch die Turbine. Der Druck im Betätigungsmechanismus 12 und somit das Einstellen des Abgasauslasses wird durch ein elektromagnetisches Frequenzventil 13 in einer Leitung 14 bestimmt, welche über eine kalibrierte Verengung 15 die Saug- und Druckseite des Kompressors miteinander verbindet und von der eine Leitung 16 zum Betriebsmechanismus 12 abzweigt. Während des Betriebs schaltet das Frequenzventil periodisch zwischen dem offenen und geschlossenen Zustand und durch Verändern der Periodenlänge kann der Druck in der Leitung 16 verändert werden, wodurch der Druck im Betriebsmechanismus 12 ebenso geändert wird.

Das Frequenzventil 13 wird durch eine Signalbehandlungseinheit in Form eines Mikroprozessors 17 gesteuert, zu dem Signale gebracht werden, die die Motordrehzahl, die Drosselstellung, den Ladungsluftdruck und die Ladungslufttemperatur repräsentieren. Die Eingangssignale zum Mikroprozessor werden von verschiedenen Sensoren 18, 19, 20 und 21 erhalten. Der Sensor 18, welcher sich in der Rohrleitung zwischen dem Kompressor 5 und dem Zwischenkühler 7 befindet, kann ein piezoresistiver Umsetzer sein, welcher den Ladungsdruck registriert. Der Sensor 19 kann ein Schnell-NTC-Widerstand sein, welcher die Ladungslufttemperatur registriert. Der Sensor 20 kann ein Potentiometer sein, welcher mit der Drossel 9 gekuppelt ist, um die Drossellage zu registrieren. Die Motordrehzahl repräsentierenden Signale können von einem Hall-Effekt-Sensor 21 erzielt werden, welcher im Verteiler vorgesehen ist.

Auf der Basis der von den Sensoren 19, 20, 21 kommenden Eingangssignale bestimmt der Mikroprozessor 17 den Kommandowert des Ladungsdruckes bei jedem Betriebszustand. Das vom Ladungsdrucksensor 18 kommende Signal sieht eine Information bei jeder Abweichung zwischen dem Kommandowert und dem tatsächlichen Wert des Ladungsdruckes vor. Signale, die den tatsächlichen Ladungsdruck anzeigen, welcher zu niedrig ist, führen im Mikroprozessor 17 zu einem Anwachsen der Öffnungszeit des Ventils 13, woraus wiederum ein Druckabfall in der Leitung 16 zum Betriebsmechanismus 12 resultiert, welcher dann den Abgasauslaß 11 in Richtung auf die geschlossene Lage bewegt. Der Strom durch das Umleitungsrohr 10 fällt und die Turbinendrehzahl nimmt zu, wodurch der Ladungsdruck zunimmt. Der umgekehrte Vorgang tritt auf, wenn der tatsächliche Ladungsdruck zu hoch ist.

Durch diese geschlossene Schleife des Ladungsdruckes ist es möglich, den Ladungsdruck kontinuierlich auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Das genannte Prinzip schafft eine große Flexibilität hinsichtlich der Bestimmung der Ladungsdruckeigenschaften und macht das System unabhängig von mechanischen Toleranzen, wie beispielsweise Veränderungen in der Charakteristik der Rückbringfedermittel im Betriebsmechanismus 12.

Auf der Basis von sich bei Werkstattversuchen ergebenden Daten ist für eine bestimmte Brennstoffqualität und einen bestimmten Klopffestigkeitsbereich der Basiswert des maximal zulässigen Ladungsdruckes als Funktion der Motordrehzahl im Speicher des Mikroprozessors gespeichert. Fig. 2 zeigt ein Beispiel des Kommandowertes P_n für einen Motor, welcher bei den unternommenen Versuchen verwendet wurde. Dieser Motor war ein Vierzylinder, turbogeladener 2,1 l-Motor, welcher so konstruiert ist, daß er mit gebleitem 07 RON-Benzin angetrieben wird. In der Standardversion wird dieser Motor mit einer herkömmlichen Ladungsdrucksteuerung erzeugt. Bei einer maximalen Drehzahl von 240 Nm DIN entwickelt dieser Motor eine maximale Leistung von 114 kW DIN.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf diesen Motor, welcher mit einem Steuersystem gemäß der Erfindung mit einer geschlossenen Schleife ausgerüstet ist, wobei die in Fig. 2 dargestellte Kurve den im Mikroprozessor gespeicherten Basiswert des Ladungsdruckes bei Vollast und im ständigen Betriebszustand bei verschiedenen Drehzahlen anzeigt. Um die gewünschte Feinsteuerung und das dichte Folgen der Motorklopfgrenze zu erzielen, wurden auf der Basis der vom Drosselstellungssensor 20 und dem Temperatursensor 19 erzielten Signale Berichtigungsfaktoren bestimmt, welche mit dem gespeicherten Basiswert multipliziert werden, um bei jeder Drehzahl den absoluten Kommandowert zu bestimmen.

Fig. 3 zeigt, wie der Berichtigungsfaktor C_t für die Ladungslufttemperatur zu wählen ist, um den Basiswert zu beeinflussen. Für Temperaturen über 60°C wurde der maximal zulässige Ladungsdruck abgesenkt, um ein Anheben der Abgastemperatur und einen Betrieb im oder nahe beim Klopfzustand zu verhindern. Der maximal zulässige Ladungsdruck wurde ebenso für Temperaturen unterhalb 10°C abgesenkt, um die verstärkte Ladungsdichte zu kompensieren, welche eine größere Klopfempfindlichkeit verursachen würde.

Fig. 4 illustriert den Berichtigungsfaktor C₀ für die Drosselstellung, um den Druckunterschied über die Drossel zu steuern. Turbogeladene Motoren mit einer stromabwärts des Kompressors liegenden Drossel haben üblicherweise ein größeres Druckdifferential über die Drossel im Vergleich mit einem Saugmotor bei normalen Straßenlastbedingungen. Besonders bei mittleren Drehzahlen kann das Druckdifferential für den turbogeladenen Motor das Doppelte von dem des Saugmotors sein. Wenn keine Drosselstellungsberichtigung verwendet wird, würden kleine Drosselöffnungswechsel dann in großen Drehmomentveränderungen resultieren. Da also das Ladungsniveau eine Funktion der Zeit ist, würden für die Drehmomentensteuerung häufig kleine Drosselstellungseinstellungen erforderlich sein.

Diese Unzuträglichkeit kann durch sorgfältige Aufmerksamkeit für die Progressivität der Drosselöffnung minimiert werden und eine weitere Verbesserung kann jedoch entsprechend der Darstellung in Fig. 3 durch die Berichtigung des Kommandowertes als eine Funktion der Drosselstellung erzielt werden, wenn die Progressivität für alle Belastungs- und Drehzahlzustände optimiert werden kann. Die Ladungsmodulation über die Drosselsteuerung ist ein besonderer Vorteil für ein hoch-zuverlässiges hochleistungsfähiges Fahrzeug, da eine gute Drehmomentensteuerung notwendig ist, wenn ein Fahrzeug im Schlupfzustand angetrieben wird.

Die Mikroprozessorsteuerung macht es bei Vollast möglich, das Niveau für den maximalen Ladungsdruck ein wenig unterhalb der Klopfgrenze zu legen, um die Motorleistung und Arbeitsweise des Motors für eine bestimmte Brennstoffqualität anzuheben. Da jedoch die Sicherheitsbereiche gegenüber nachteiligem Klopfen recht klein sind, wurde das System aus Sicherheitsgründen durch einen Klopfsensor 22 ergänzt, welcher beim Versuchsmotor aus einem am Motorblock befestigten piezoelektrischen Beschleunigungsmesser besteht, welcher kontinuierlich den Klopfbetrieb des Motors anzeigt. Der Mikroprozessor wurde so programmiert, daß er den Ladungsdruck nach dem Registrieren einer vorbestimmten Klopfintensität stufenweise absenkt, und daß beim Aufhören des Klopfens den Ladungsdruck um eine geringere Rate auf den ursprünglichen Wert zurückbringt.

Das Steuersystem der Fig. 1 umfaßt ebenso eine Sicherheitsvorrichtung in Form eines Druckschalters 23, welcher an der Einlaßleitung montiert ist. Dieser Schalter stellt die Brennstoffpumpe ab, wenn im System ein Fehler auftreten sollte, aufgrund dessen der Ladungsdruck den zulässigen Wert überschreiten würde.

Ein Vergleich zwischen den Versuchsergebnissen des vorerwähnten Motors mit einer herkömmlichen Ladungsdrucksteuerung und den Versuchsergebnissen eines modifizierten Motors mit einem Steuersystem gemäß der Erfindung, bei dem die maximale Leistung von 114 kW für den beständigen Betriebszustand aufrechterhalten wurde, d. h. dieselbe Leistung wie beim erstgenannten Motor, zeigt, daß ein Anwachsen des maximalen Drehmomentes um ungefähr 10% bei letzterem Motor erzielt werden konnte. Der Brennstoffverbrauch bei gemischten Antriebsverhältnissen betrug ungefähr 16% weniger als bei einem Standardmotor. Die Beschleunigungszeit konnte von 90 bis 140 km/h um ungefähr 9% verkürzt werden. Diese Darstellungen berücksichtigen nicht die Verwendung der Übergangsfunktion.

Die maximale Übergangsleistung betrug ungefähr 145 kW, woraus sich eine Verkürzung der Beschleunigungszeit von 90 bis 140 km/h um zusätzlich 11% ergab, so daß eine tatsächliche Verkürzung der Beschleunigungszeit in dem genannten Geschwindigkeitsbereich gegenüber dem Standardmotor um 20% erreicht wurde.

Die obigen Darstellungen zeigen so an, daß das System gemäß der Erfindung ein wesentliches Anwachsen der Motorleistung und der Motorfunktion sowie der Brennstoffwirtschaftlichkeit möglich macht. Jedoch ist das vorbeschriebene System lediglich ein Beispiel und kann dahingehend weiterentwickelt werden, zusätzliche Parameter in Betracht zu ziehen, wie beispielsweise den Schaltzustand, die Motortemperatur und Transmission, Luftdruck usw., so daß verschiedene Steuermethoden für die Ladungsdrucksteuerung verwendet werden können, um die Antriebsbedingungen zu verändern. Die Erfindung ist natürlich nicht auf turbogeladene Motoren mit Ladungsdruckregulatoren an der Abgasseite begrenzt. Die Erfindung kann ebenso bei anderen turbogeladenen Motoren Anwendung finden, beispielsweise bei solchen mit variabler Turbinengeometrie, variablem Choke usw., und solchen, welche an der Kompressorseite einen Regulator aufweisen. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht begrenzt auf die Steuerung des Ladungsdruckes mit Hilfe eines Mikroprozessors. Es können auch Analog-Steuervorrichtungen verwendet werden, obwohl eine Steuerung mittels Mikroprozessor bevorzugt ist, da die Ladungsdrucksteuerung mit geringen Kosten Bestandteil eines integrierten Systems sein kann, welches ebenso die Zündung und die Brennstoffversorgung steuert.

Claims (3)

1. System zum Steuern des Ladungsdruckes eines turbogeladenen Verbrennungsmotors, mit einer Einrichtung (18) zum direkten oder indirekten Erfassen des tatsächlichen Ladungsdruckes, einer Einrichtung (21) zum Erfassen der Motordrehzahl und einer Signalbehandlungseinrichtung (17) zum Verarbeiten der Signale der Erfassungseinrichtungen zu Steuersignalen für eine Einrichtung (10-16) zum Steuern des Ladungsdruckes, wobei die Signalbehandlungseinrichtung (17) einen Basiskommandowert für den Ladungsdruck als Funktion der Motordrehzahl für einen vorbestimmten Motordrehzahlbereich, dessen obere Grenze die maximale Drehzahl ist, speichert, der für eine bestimmte Brennstoffqualität im ständigen Betriebszustand unterhalb der Klopfgrenze liegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (20) zum Erfassen der Drosselstellung mit der Signalbehandlungseinrichtung (17) verbunden ist, und daß anhand der Drosselstellungssignale ein Berichtigungsfaktor (C₀) bestimmt wird, und/oder daß zum Bestimmen eines ladungslufttemperatur- abhängigen Berichtigungsfaktors (C_t) eine Einrichtung (19) zum Erfassen der Ladungslufttemperatur mit der Signalbehandlungseinrichtung (17) verbunden ist, wobei mindestens ein Berichtigungsfaktor mit dem Basiskommandowert zu einem für jede Drehzahl bestimmten absoluten Kommandowert multipliziert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Klopfsensor (22) mit der Signalbehandlungseinrichtung (17) verbunden ist, und daß die Signalbehandlungseinrichtung (17) so ausgelegt und angeordnet ist, daß nach dem Erfassen eines Klopfens einer bestimmten Intensität ein Signal zur Einrichtung zum Steuern des Einlaßdruckes sendbar ist, um den tatsächlichen Druck auf einen bestimmten Wert unterhalb des Kommandodruckes abzusenken.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbehandlungseinrichtung einen Mikroprozessor (17) umfaßt, welcher in seinem Speicher den Kommandodruckwert als eine Funktion der Motordrehzahl gespeichert hat, und daß der Mikroprozessor ein elektromagnetisches Ventil (13) steuert, welches wiederum einen Betriebsmechanismus steuert, der den Öffnungsgrad eines Abgasauslasses (11) hinter einer Turbine (3) im Turbokompressor innerhalb eines Umleitungsrohres (10) reguliert.