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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Steuerung
eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
Abgasturbolader besteht normalerweise aus einer Turbine und einem
an einer einzelnen Welle angebrachten Verdichter. Die Turbine nutzt
die Energie des Abgases, um den Verdichter anzutreiben. Der Verdichter
wiederum saugt Frischluft an, die er den Zylindern des Verbrennungsmotors
in verdichteter Form zuführt.
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Bei
einem Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie ist ein
Reglermechanismus vorgesehen, um den Durchflussquerschnitt der Abgase zur
Turbine zu verändern.
Unter den verschiedenen Arten von Regelmechanismen wird der mehrere
Leitschaufeln aufweisende Diffusor allgemein akzeptiert, da bei
ihm weitgehende Regelbarkeit mit hohen Wirkungsgraden kombiniert
ist. Ein solcher mehrere Leitschaufeln aufweisender Diffusor ist
zwischen einer ganz offenen und einer geschlossenen Position verstellbar,
in der der Durchflussquerschnitt für die Abgase minimal ist. Generell
wird ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um
die Betätigung
des mehrere Leitschaufeln aufweisenden Diffusors zu steuern. Das
Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis erzeugt auf der Grundlage eines
Vergleichs zwischen Soll- und Ist-Ladedruck ein Steuersignal, das
die Position des mehrere Leitschaufeln aufweisenden Diffusors verstellt,
um dadurch den entsprechenden Durchflussquerschnitt zu erreichen.
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Solche
Steuersysteme mit geschlossenem Regelkreis sind für den Stationärbetrieb
zufriedenstellend, arbeiten jedoch nicht gut bei Übergangszuständen. Wenn
beispielsweise ein plötzlicher
Anstieg des Ladedruckbedarfs vorliegt, z.B. nach einem Übergang
von Leerlauf zu Volllast, besteht die natürliche Aktion des Systems darin,
das Steuersignal in einer solchen Weise zu steuern, dass der Durchflussquerschnitt
der Turbine verkleinert wird, um den Ladedruck zu erhöhen. Falls
das Steuersystem auf schnelles Ansprechen kalibriert wurde, wird
der mehrere Leitschaufeln aufweisende Diffusor wahrscheinlich schnell
in seine geschlossene Position umgestellt, um den Ladedruck so schnell
wie möglich
zu erhöhen,
bevor der mehrere Leitschaufeln aufweisende Diffusor wieder geöffnet wird,
während
die Annäherung
an den neuen Soll-Ladedruck stattfindet.
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Leider
steigt der Druck des Abgasrohrs schneller als der Ladedruck (d.h.
der Druck des Einlassrohrs), da der Durchflussquerschnitt der Turbine während der
Anfangsphase der vorübergehenden Zustandsänderung
verkleinert ist. Dieser Effekt führt normalerweise
zu einer großen
Druckdifferenz im gesamten Verbrennungsmotor, d.h. zwischen Einlassrohr
und Abgasrohr des Motors, und dies verursacht eine große Verringerung
des volumetrischen Wirkungsgrads des Motors. Für den Fahrer wird dies als Leistungsverlust
und Anstieg der Rauchemissionen erkannt.
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EP-A-1
160 434 (Stand der Technik nach Artikel 54 (3) EPÜ) beschreibt
ein System zur Steuerung des Stellglieds eines Regelmechanismus
eines Turboladers, wobei das System im Falle eines Beschleunigungszustands,
der anhand der Drehmomentanforderung erkannt wird, Mittel zur Erzeugung eines
progressiv abnehmenden Grenzwertsignals für das Turbolader-Steuersignal umfasst,
um so ein zu weitgehendes Schließen des Turbinendiffusors zu vermeiden.
Dieses Grenzwertsignal wird basierend auf der Drehzahl des Motors
erzeugt.
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Ziel der Erfindung
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren
zur Steuerung eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie
bereitzustellen, das höhere
Leistungen bei vorübergehenden
Betriebszuständen
nach einer Beschleunigung ermöglicht.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Steuerung eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie
bei einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen. Der Turbolader umfasst
eine Turbine, die mit einem Abgasrohr des Motors in Verbindung steht,
und einen Verdichter, der mit der Turbine verbunden ist, wobei der
Verdichter mit einem Einlassrohr des Motors in Verbindung steht.
Der Turbolader umfasst ferner einen Regelmechanismus stromaufwärts der
Turbine, um den Durchflussquerschnitt der Abgase zur Turbine zu
verstellen, wobei der Regelmechanismus für ein Steuersignal empfindlich
ist, das von einem Steuergerät
zur Steuerung der Position – d.h.
der Konfiguration – des
Regelmechanismus erzeugt wird, um so einen entsprechenden Durchflussquerschnitt
zu erreichen. Ein solcher Regelmechanismus kann generell zwischen
einer geschlossenen Position und einer ganz offenen Position verstellt werden,
wodurch ein minimaler bzw. maximaler Durchflussquerschnitt definiert
wird. Gemäß einem wichtigen
Aspekt der Erfindung wird bei Erkennung eines Beschleunigungszustands
des Motors eine Begrenzung des durch den Regelmechanismus definierten
Durchflussquerschnitts in einer solchen Weise auferlegt, dass der
Durchflussquerschnitt nicht niedriger als ein Grenzdurchflussquerschnitt
sein kann, der vom Massendurchfluss des Gases durch die Turbine
abhängt.
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Mit
anderen Worten: sobald ein Beschleunigungszustand erkannt wird,
beispielsweise nachdem das Pedal ganz hinuntergedrückt wurde,
wird der Regelmechanismus in einer solchen Weise gesteuert, dass
der Durchflussquerschnitt nicht systematisch auf den Minimalwert,
sondern höchstens
auf einen Grenzdurchflussquerschnitt reduziert wird, der vom Massendurchfluss
des Gases durch die Turbine abhängt.
Bei einem Turbolader mit verstellbarer Geometrie hängt der
Wirkungsgrad der Turbine sowohl vom Massendurchfluss der Abgase
durch die Turbine als auch von der Konfiguration des Regelmechanismus
ab, d.h. dem durch Letzteren definierten Durchflussquerschnitt.
Der isentrope Wirkungsgrad, der dem Vergleich zwischen Ist-Leistung
und isentroper (idealer) Leistung entspricht, ist vorzugsweise zu
verwenden, um den Wirkungsgrad der Turbine zu bewerten. Der Wirkungsgrad
der Turbine steigt normalerweise bei einer vorgegebenen Position
des Regelmechanismus – d.h.
bei einem vorgegebenen Durchflussquerschnitt – zuerst auf einen Spitzenwert
an, während
der Massendurchfluss der Abgase durch die Turbine zunimmt, und fällt dann
ab.
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Wenn
der Durchfluss einen bestimmten Wert überschreitet, erlaubt eine
weitere Verkleinerung des Durchflussquerschnitts zur Turbine in
der Tat keinen Anstieg des Ladedrucks. Ferner führt über einen vorgegebenen Punkt
hinaus eine Zunahme des Ladedrucks, die sich auf Kosten eines zu
hohen Abgasgegendrucks des Motors ergibt, wegen der Abnahme des
volumetrischen Wirkungsgrads des Motors nicht zu einem Anstieg des
Gasdurchflusses durch den Motor.
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Während einer
Beschleunigung erlaubt die auf den Minimalwert eingestellte Reduzierung
des Durchflussquerschnitts durch die Turbine (geschlossene Position
des Regelmechanismus) generell kein schnelles Ansprechen des Motors.
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Die
Motorleistungen bei Übergangszuständen können also
erfindungsgemäß verbessert
werden, indem ein niedrigerer Grenzwert für den durch den Regelmechanismus
definierten Durchflussquerschnitt eingestellt wird, wobei dieser
Grenzwert vom Wert des Massendurchflusses durch die Turbine abhängt.
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Ein
Verdienst der vorliegenden Erfindung besteht also darin, dass bei
der Steuerung des Turboladers der Einfluss des Turbinenwirkungsgrads
und des volumetrischen Wirkungsgrads des Motors berücksichtigt
wurde, um so nach einer Beschleunigung ein besseres Ansprechen des
Motors bei Übergangszuständen zu
erzielen. Dank der Begrenzung des Durchflussquerschnitts wird der
Regelmechanismus beispielsweise während eines vorübergehenden
Vorgangs mit Hoch- oder Volllast generell nicht auf den minimalen
Durchflussquerschnitt eingestellt, wodurch der Gegendruck des Motors
verringert und der Wirkungsgrad der Turbine verbessert wird. Daher wird
das Ansprechen des Motors auf eine Beschleunigung verbessert, wird
das Turboloch somit reduziert und werden die Emissionen (Rauch)
gleichzeitig verringert.
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Das
Verfahren der Erfindung kann in der Praxis beispielsweise in ein
Motorsteuergerät
(ECU) einprogrammiert werden und ermöglicht ein besseres Ansprechen
des Turboladers, der im Allgemeinen auch durch das herkömmliche
Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gesteuert wird. Das Steuersystem
mit geschlossenem Regelkreis, das normalerweise ein PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler)
ist, wird den Regelmechanismus bei stationärem oder quasi-stationärem Motorbetrieb
in angemessener Weise steuern. Nach einem erkannten Beschleunigungszustand
wird erfindungsgemäß ein Grenzwert
für die
Aktion des Steuergeräts
mit geschlossenem Regelkreis auferlegt, wodurch bessere Leistungen
bei Übergangszuständen nach
einer Beschleunigung sichergestellt werden. Sobald der Beschleunigungszustand
aufhört,
wird die Begrenzung des Durchflussquerschnitts des Regelmechanismus abgestellt
und fährt
das Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis damit fort, den Regelmechanismus
zu steuern.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
ist der Massendurchfluss durch die Turbine der Massendurchfluss
der in den Motor strömenden
Frischluft, der stromaufwärts
des Verdichters gemessen wird. Der Massendurchfluss der Einlassluft
entspricht ungefähr
dem Massendurchfluss der Abgase, da die gesamte Einlassluft durch
den Verdichter strömt
und alle Abgase durch die Turbine laufen. Ferner ist der Massendurchfluss
der Frischluft eine Information, die normalerweise im ECU von Motoren
zur Verfügung steht,
die mit einem Abgasrückführungssystem (AGR-System)
versehen sind, da dieses für
die AGR-Steuerung eingesetzt wird. Demnach müssen keine zusätzlichen
Sensoren für
die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens vorgesehen werden.
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Bei
einer alternativen Ausführung
kann der Massendurchfluss durch die Turbine der Massendurchfluss
der Abgase in der Abgasleitung sein. Vorzugsweise wird der Massendurchfluss
der Abgase berechnet. Eine annehmbare Berechnung des Massendurchflusses
der Abgase wird erzielt, indem der Massendurchfluss der Frischluft
der berechneten eingespritzten Kraftstoffmenge hinzuaddiert wird, wobei
beide Werte in der Regel durch das ECU verfügbar sind.
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Die
Durchführung
der Begrenzung des Durchflussquerschnitts des Regelmechanismus kann
dadurch erfolgen, dass dem Steuersignal eine Begrenzung auferlegt
wird, da Letzteres die Konfiguration des Regelmechanismus und somit
den Durchflussquerschnitt steuert. Demnach kann eine Verweistabelle,
die den Grenzsignalwert – der
dem Grenzdurchflussquerschnitt entspricht – in Abhängigkeit vom Massendurchfluss
angibt, im ECU gespeichert werden. In einem solchen Fall sind keine
zusätzlichen
Sensoren erforderlich, um die Begrenzung des durch den Regelmechanismus
definierten Durchflussquerschnitts zu realisieren.
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Bei
modernen Steuersystemen für
Turbolader wird die tatsächliche
Konfiguration des Regelmechanismus durch einen Positionssensor angegeben, der
beispielsweise die Position eines den Regelmechanismus betätigenden
Stellglieds misst. Wegen Fertigungstoleranzen und aerodynamischen
Kräften kann
die Konfiguration des Regelmechanismus nicht exakt der Anzeige des
Steuersignals entsprechen. Daher erlaubt ein Positionssensor eine
Rückmeldung der
tatsächlichen
Konfiguration des Regelmechanismus an das ECU, was eine sehr präzise Steuerung des
Regelmechanismus und somit des Durchflussquerschnitts ermöglicht.
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In
einem solchen Fall, bei dem die tatsächliche Konfiguration des Regelmechanismus
von einem Positionssensor gemeldet wird, kann die Begrenzung des
durch den Regelmechanismus definierten Durchflussquerschnitts dadurch
vorgenommen werden, dass eine Begrenzung des Positionswerts des
Regelmechanismus auferlegt wird. Demzufolge kann eine Verweistabelle,
die die Grenzwertposition – die
dem Grenzdurchflussquerschnitt entspricht – in Abhängigkeit vom Massendurchfluss
angibt, im ECU gespeichert werden.
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Die
Erkennung des Motorbeschleunigung basiert vorzugsweise auf der Überwachung
von Kraftstoffmenge, Ladedruckfehler und Steigerungsrate des Soll-Ladedrucks.
Der Ladedruckfehler ist die Differenz zwischen dem Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck,
d.h. dem Einlassrohr-Luftdruck stromabwärts des Verdichters. Die Kraftstoffmenge
und der Soll-Ladedruck werden aus Verweistabellen auf der Grundlage
der Motordrehzahl und des Soll-Drehmoments ermittelt, das normalerweise
aus der Position des Gaspedals abgeleitet wird. Der Beschleunigungszustand
gilt als erkannt, wenn Kraftstoffmenge, Ladedruckfehler und Steigerungsrate
des Soll-Ladedrucks jeweils gleichzeitig einen jeweiligen Schwellwert überschreiten.
Auch hier stehen die zur Erkennung des Beschleunigungszustands verwendeten Variablen
generell bereits im ECU zur Verfügung, was
die Durchführung
des Verfahrens der Erfindung weiter vereinfacht.
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Das
vorliegende Verfahren erlaubt demzufolge eine bessere Steuerung
eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie. Darüber hinaus erweist
es sich als extrem wirtschaftlich, da seine Durchführung an
die Verwendung der Parameter anpassbar ist, die normalerweise im
ECU zur Verfügung stehen;
ferner sind keine zusätzlichen
Geräte
erforderlich.
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Das
vorliegende Verfahren kann zur Steuerung verschiedener Typen von
Abgasturboladern mit verstellbarer Turbinengeometrie eingesetzt
werden. Es ist besonders gut an die Steuerung eines Turboladers
angepasst, der mit einem mehrere Leitschaufeln aufweisenden Diffusor
versehen ist, bei dem mehrere verstellbare Leitschaufeln verwendet
werden. Im Allgemeinen wird ein Verstellring gedreht, um eine einfache
Verstellung des Schaufelwinkels zu erreichen. Die Schaufeln wiederum
werden mit Verstellnocken oder direkt über Verstellhebel, die an den
einzelnen Schaufeln befestigt sind, zu den Soll-Winkeln geschwenkt. Die Betätigung des
Verstellrings kann durch ein pneumatisches Stellglied erzielt werden, das
entweder mit Unterdruck oder mit Überdruck betrieben wird. Alternativ
kann zur Betätigung
des Verstellrings ein elektrisches Stellglied verwendet werden,
das eine Rückmeldung
der Position umfasst. Die Schaufeln des mehrere Leitschaufeln aufweisenden
Diffusors können
demnach zwischen einer geschlossenen Position, bei der ein minimaler
Durchflussquerschnitt definiert ist, und einer ganz offenen Position,
bei der ein maximaler Durchflussquerschnitt definiert ist, bewegt
werden. Ein solcher Regelmechanismus, der die Veränderung
des Durchflussquerschnitts und der Ausrichtung der Abgase zu den Turbinenschaufeln
erlaubt, wird generell akzeptiert, da bei ihm weitgehende Regelbarkeit
mit hohen Wirkungsgraden kombiniert ist.
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Das
vorliegende Verfahren kann auch bei Turboladern mit verstellbarer
Turbinengeometrie angewendet werden, deren Regelmechanismus auf
anderen Techniken beruht, bei denen beispielsweise ein Kolbensystem
mit beweglichen Düsen,
eine einzige verstellbare Schaufel oder eine Umstellung mit zweiflutigem
Turbolader verwendet wird.