DE102004015742A1

DE102004015742A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004015742A1
Application number: DE102004015742A
Authority: DE
Inventors: Ernst Wild; Sabine Wegener
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-27
Also published as: US7287377B2; SE527461C2; US20050217647A1; FR2868472A1; FR2868472B1; SE0500570L

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) vorgeschlagen, die es ermöglichen, von vornherein Betriebszustände zu vermeiden, die durch eine erhöhte Klopfneigung oder eine erhöhte Abgastemperatur gekennzeichnet sind. Die Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Verdichter (5) in einem Luftzufuhrkanal (10) der Brennkraftmaschine (1) zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Luft. Der vom Verdichter (5) zu erzeugende Sollladedruck wird abhängig von einer Temperatur ausgangsseitig des Verdichters (5) auf einen maximal zulässigen Sollladedruck begrenzt.

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.

Bei Brennkraftmaschinen mit einem Verdichter in einem Luftzufuhrkanal zur Brennkraftmaschine zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luft ist nach dem Verdichter im Luftzufuhrkanal nicht nur der Druck sondern auch die Temperatur höher als vor dem Verdichter. Deshalb wird nach dem Verdichter ein Ladeluftkühler eingesetzt. Er macht einen Teil der Temperaturerhöhung rückgängig. Doch es bleibt immer noch eine höhere Temperatur im Brennraum mit erhöhter Klopfneigung. Eine Klopfregelung beseitigt das Klopfen durch Spätziehen der Zündung. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad und gleichzeitig steigt die Abgastemperatur. Es sind dann Gegenmaßnahmen vorgesehen, die über ein Anfetten des Luft-/Kraftstoffgemisches und eine Absenkung der Füllung die Klopfneigung reduzieren und die Abgastemperatur auf zulässige Werte absenken.

Vorteile der Erfindung

Das erfindingsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass der vom Verdichter zu erzeugende Sollladedruck abhängig von einer Temperatur ausgangsseitig des Verdichters auf einen maximal zulässigen Sollladedruck begrenzt wird. Auf diese Weise werden von vorneherein Betriebszustände der Brennkraftmaschine vermieden, die zu einer unerwünscht hohen Temperatur ausgangsseitig des Verdichters führen. Somit kann die Klopfneigung von vorneherein reduziert werden, ohne dass eine höhere Abgastemperatur in Kauf genommen werden muss. Dazu sind auch keine aufwändigen Gegenmaßnahmen wie Anfetten des Luft-/Kraftstoffgemisches oder Füllungsabsenkung notwendig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Besonders einfach und wenig aufwändig kann der Zusammenhang zwischen dem maximal zulässigen Sollladedruck und der Temperatur ausgangsseitig des Verdichters kennlinien- oder kennfeldgesteuert ermittelt werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn als Temperatur ausgangsseitig des Verdichters eine maximal zulässige Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters vorgegeben wird und in Abhängigkeit der maximal zulässigen Temperatur der maximal zulässige Sollladedruck ermittelt wird. Auf diese Weise lässt sich ein physikalischer Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis und dem Temperaturverhältnis über dem Verdichter zur Ermittlung des maximal zulässigen Sollladedruckes ausnutzen, der sich mathematisch vergleichsweise einfach darstellen lässt.

Aus dieser mathematischen Darstellung lässt sich eine einfache Vorgehensweise zur Ermittlung des maximal zulässigen Sollladedruckes ableiten. Dabei wird in Abhängigkeit der maximal zulässigen Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters ein maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis vorgegeben und aus dem maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnis der maximal zulässige Sollladedruck ermittelt. Der vom Verdichter zu erzeugende Sollladedruck wird dann auf den maximal zulässigen Sollladedruck begrenzt.

In besonders einfacher Weise kann das maximal zulässige Verdichterdruckverhältnis zur Einhaltung der maximal zulässigen Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters als Funktion der Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanaleintritt des Verdichters mittels einer Kennlinie ermittelt werden.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine und 2 Funktionsdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 kennzeichnet 1 eine Brennkraftmaschine, die beispielsweise ein Fahrzeug antreibt. Die Brennkraftmaschine 1 kann beispielsweise als Ottomotor oder als Dieselmotor ausgebildet sein. Sie umfasst einen oder mehrere Zylinder, von denen beispielhaft einer in 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 35 versehen ist. Dem Zylinder 35 ist über einen Luftzufuhrkanal 10 Frischluft zuführbar. Die Strömungsrichtung der Frischluft im Luftzufuhrkanal 10 ist in 1 mittels eines Pfeiles dargestellt. Im Luftzufuhrkanal 10 ist ein Verdichter 5 angeordnet, der die über den Luftzufuhrkanal 10 dem Zylinder 35 zugeführte Luft verdichtet. Der Verdichter 5 kann dabei wie in 1 dargestellt Teil eines Abgasturboladers sein und von einer Turbine 40 in einem Abgasstrang 50 der Brennkraftmaschine 1 über eine Welle 70 angetrieben werden. Bei dem Verdichter 5 könnte es sich aber auch alternativ um einen von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 angetriebenen Kompressor oder um einen elektrisch betriebenen Lader handeln. Stromauf weist der Verdichter 5 einen Luftzufuhrkanaleintritt 65 und stromab einen Luftzufuhrkanalaustritt 60 auf. In Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter 5 ist im Luftzufuhrkanal 10 gemäß dem Beispiel nach 1 ein Temperatursensor 75 und ein Drucksensor 80 angeordnet. Der Temperatursensor 75 misst die Temperatur Tvv vor dem Verdichter 5 und leitet den Messwert an eine Motorsteuerung 15 weiter. Der Drucksensor 80 misst den Druck pvv vor dem Verdichter 5 und leitet den Messwert an die Motorsteuerung 15 weiter. Alternativ kann die Temperatur Tvv vor dem Verdichter 5 und/oder der Druck pvv vor dem Verdichter 5 von der Motorsteuerung 15 auch aus anderen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 in dem Fachmann bekannter Weise modelliert werden. Der Verdichter 5 verdichtet die ihm über den Luftzufuhrkanaleintritt 65 zugeführte Luft, sodass der Druck und die Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt 60 jeweils größer als am Luftzufuhrkanaleintritt 65 ist. Dabei besteht zwischen dem Druckverhältnis und dem Temperaturverhältnis über dem Verdichter 5 folgende Beziehung:
In Gleichung (1) ist pnv der Druck der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt 60, Tnv die Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt 60, η der Verdichterwirkungsgrad und γ der Isentropenexponent.
Dem Verdichter 5 in Strömungsrichtung der Frischluft nachfolgend ist im Luftzufuhrkanal 10 ein Ladeluftkühler 30 angeordnet, der die bei der Verdichtung durch den Verdichter 5 erhöhte Temperatur der Luft wieder zumindest teilweise abkühlt. Dem Ladeluftkühler 30 in Strömungsrichtung der Frischluft nachfolgend ist der Zylinder 35 angeordnet. Weitere Komponenten zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1, wie beispielsweise Einspritzventil und Zündkerze (letztere nur im Falle von Ottomotoren), sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt. Zur Einstellung eines vorgegebenen Sollladedruckes am Luftzufuhrkanalaustritt 60 ist ein Stellglied 45 im Bereich der Turbine 40 vorgesehen. Bei dem Stellglied 45 kann es sich beispielsweise um ein Bypassventil in einem die Turbine 40 umgehenden Bypass handeln, das je nach Öffnungsgrad einen entsprechenden Anteil des Abgasmassenstroms an der Turbine 40 vorbei leitet. Alternativ kann das Stellglied 45 eine variable Turbinengeometrie der Turbine 40 beeinflussen und auf diese Weise den Ladedruck am Luftzufuhrkanalaustritt 60 beeinflussen. Zur Einstellung eines vorgegebenen Sollladedruckes plsollres wird das Stellglied 45 von der Motorsteuerung 15 angesteuert. Dabei kann die Motorsteuerung 15 den Sollladedruck beispielsweise abhängig von einem Fahrerwunsch in dem Fachmann bekannter Weise vorgegeben, wozu die Motorsteuerung 15 die Fahrpedalstellung eines in 1 nicht dargestellten Fahrpedals auswerten kann. Der sich tatsächlich am Luftzufuhrkanalaustritt 60 einstellende Ladedruck entspricht dem Druck pnv der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt 60 in Gleichung (1).
Erfindungsgemäß wird der vom Verdichter 5 zu erzeugende Sollladedruck abhängig von einer Temperatur ausgangsseitig des Verdichters 5 auf einen maximal zulässigen Sollladedruck begrenzt. Bei der Temperatur ausgangsseitig des Verdichters 5 kann es sich beispielsweise um die Abgastemperatur oder um die Temperatur im Brennraum des Zylinders 35 handeln. Schließlich soll ja mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum einen die Abgastemperatur auf zulässige Werte begrenzt werden und zum anderen kann durch eine Begrenzung der Temperatur im Brennraum die Klopfneigung reduziert werden. Der Zusammenhang zwischen dem maximal zulässigen Sollladedruck und der Temperatur ausgangsseitig des Verdichters 5 kann beispielsweise kennlinien- oder kennfeldgesteuert ermittelt werden. Zur Ermittlung eines solchen Kennfeldes kann auf einem Prüfstand für verschiedene Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 1 und verschiedene vorgegebene maximal zulässige Abgastemperaturen bzw. maximal zulässige Brennraumtemperaturen der jeweils zugeordnete maximal zulässige Sollladedruck ermittelt werden.
Somit kann bei Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und Vorgabe einer maximal zulässigen Abgastemperatur bzw. einer maximal zulässigen Brennraumtemperatur in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine 1 der zugeordnete maximal zulässige Sollladedruck aus dem entsprechenden Kennfeld ermittelt werden. Der von der Motorsteuerung 15 beispielsweise abhängig von Fahrerwunsch vorgegebene Sollladedruck wird dann auf diesen maximal zulässigen Sollladedruck begrenzt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der physikalische Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis und dem Temperaturverhältnis über dem Verdichter 5 gemäß Gleichung (1) ausgenutzt. Dazu wird als Temperatur ausgangsseitig des Verdichters 5 eine maximal zulässige Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters 5 vorgegeben und in Abhängigkeit dieser maximal zulässigen Temperatur der maximal zulässige Sollladedruck ermittelt, auf den der von der Motorsteuerung 15 vorgegebene Sollladedruck begrenzt wird. Ausgehend von Gleichung (1) erhält man dabei folgende Beziehung:
In Gleichung (2) ist Tnvmax die maximal zulässige Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters 5 und pnvmax der zugeordnete maximal zulässige Sollladedruck am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters 5. Bei vorgegebener maximal zulässiger Temperatur Tnvmax der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters 5 und bei in der Motorsteuerung 15 bekanntem Verdichterwirkungsgrad η und in der Motorsteuerung 15 bekanntem Isentropenexponent γ lässt sich ausgehend von Gleichung (2) eine Funktion erstellen, die das maximal zulässige Druckverhältnis pnvmax/pvv über dem Verdichter 5 zur Einhaltung der vorgegebenen maximal zulässigen Temperatur Tnvmax der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt des Verdichters 5 als Funktion der Temperatur Tvv der Luft am Luftzufuhrkanaleintritt des Verdichters 5 darstellt. Diese Funktion kann beispielsweise ebenfalls auf einem Prüfstand im Rahmen einer Applikation ermittelt und in einer Kennlinie 25 in der Motorsteuerung 15 abgelegt werden. Das maximal zulässige Verdichterdruckverhältnis pnvmax/pvv wird mit dem Druck pvv vor dem Verdichter 5 multipliziert und auf diese Weise ergibt sich der maximal zulässige Sollladedruck pnvmax, der Eingang in die Ladedruckregelung findet und die dort vorgegebenen Sollladedrücke nach oben begrenzt.
In 2 ist ein Funktionsdiagramm dargestellt, das den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht und software- und/oder hardwaremäßig in der Motorsteuerung 15 implementiert sein kann. Dabei wird die Temperatur Tvv der Luft am Luftzufuhrkanaleintritt 65 des Verdichters 5 als Eingangsgröße der Kennlinie 25 zugeführt. Die Kennlinie 25 ordnet der Temperatur Tvv der Luft am Luftzufuhrkanaleintritt 65 des Verdichters 5 eine maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis pnvmax pvv als Ausgangsgröße zu. Das maximal zulässige Verdichterdruckverhältnis pnvmax/pvv wird dann in einem Multiplikationsglied 55 mit dem Druck pvv vor dem Verdichter 5, also dem Druck der Luft am Luftzufuhrkanaleintritt 65 des Verdichters 5 multipliziert. Die Ausgangsgröße des Multiplikationsgliedes 55 ist dann der maximal zulässige Sollladedruck pnvmax. Dieser wird zusammen mit dem von der Motorsteuerung 15 beispielsweise abhängig vom Fahrerwunsch vorgegebenen Sollladedruck plsoll einem Minimalauswahlglied 20 zugeführt, das den kleineren der beiden Eingangswerte plsoll, pnvmax als umzusetzenden resultierenden Sollladedruck plsollres an das Stellglied 45 abgibt. Somit stellt das Minimalauswahlglied 20 entsprechende Begrenzungsmittel bzw. eine entsprechende Begrenzungseinheit dar, die den vorgegebenen Sollladedruck plsoll auf den maximal zulässigen Sollladedruck pnvmax begrenzt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Verdichter (5) in einem Luftzufuhrkanal (10) der Brennkraftmaschine (1) zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Luft, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Verdichter (5) zu erzeugende Sollladedruck abhängig von einer Temperatur ausgangsseitig des Verdichters (5) auf einen maximal zulässigen Sollladedruck begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen dem maximal zulässigen Sollladedruck und der Temperatur ausgangsseitig des Verdichters (5) kennlinien- oder kennfeldgesteuert ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatur ausgangsseitig des Verdichters (5) eine maximal zulässige Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt (60) des Verdichters (5) vorgegeben wird und dass in Abhängigkeit der maximal zulässigen Temperatur der maximal zulässige Sollladedruck ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der maximal zulässigen Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt (60) des Verdichters (5) ein maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis vorgegeben wird und dass aus dem maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnis der maximal zulässige Sollladedruck ermittelt wird und dass der vom Verdichter (5) zu erzeugende Sollladedruck auf den maximal zulässigen Sollladedruck begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das maximal zulässige Verdichterdruckverhältnis zur Einhaltung der maximal zulässigen Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanalaustritt (60) des Verdichters (5) als Funktion der Temperatur der Luft am Luftzufuhrkanaleintritt (65) des Verdichters (5) mittels einer Kennlinie (25) ermittelt wird.
Vorrichtung (15) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Verdichter (5) in einem Luftzufuhrkanal (10) der Brennkraftmaschine (1) zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Luft, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungsmittel (20) vorgesehen sind, die den vom Verdichter (5) zu erzeugenden Sollladedruck abhängig von einer Temperatur ausgangsseitig des Verdichters (5) auf einen maximal zulässigen Sollladedruck begrenzen.