DE3303350C2 - Steuervorrichtung für den Ladedruck einer Brennkraftmaschine mit Turbolader - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für den Ladedruck einer Brennkraftmaschine mit Turbolader nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche Vorrichtung ist z. B. aus der DE-PS 30 28 944 bekannt. Dort erfolgt zwar ebenfalls eine Absenkung des Ladedrucks in Abhängigkeit von Klopfsignalen, jedoch erfolgt dort keine elektroni­ sche Vorsteuerung des Ladedrucks, so daß zum einen kein optimaler Ladedruck eingestellt werden kann und zum an­ deren der Ladedruck in der Vorsteuerung nicht an der Klopfgrenze orientiert werden kann. Aus diesem Grunde wird bei dieser Lösung des öfteren die Klopfgrenze überschritten werden, so daß eine aufwendigere Klopf­ regelung in Abhängigkeit der Klopfintensität notwendig wird. Eine Optimierung des Ladedrucks ist kaum möglich.

Aus der DE 32 04 918 A1 ist ein System zum Steuern des Einlaß­ druckes eines Verbrennungsmotors bekannt. Das bekannte System regelt den Ladedruck auf einen drehzahlabhängigen Sollwert und senkt den Ladedruck unterhalb des Sollwerts ab, wenn Klopfen auf­ tritt.

Die DE 30 32 218 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, bei der der Differenzdruck stromoberhalb und stromunterhalb der Drosselklappe durch entsprechende Steuerung des Abgasturboladers mittels eines Abblaseventils auf einen von der Drehzahl und der Drosselklappenstellung abhängigen Sollwert geregelt wird. Bei klopfender Verbrennung wird das Abblaseventil geöffnet.

Aus der DE 32 05 009 A1 ist ein System zum Verhindern klopfender Verbrennung in einem turbogeladenen Motor bekannt. Bei diesem System wird nach der Anzeige einer bestimmten Klopfintensität gleichzeitig der Ladedruck reduziert und der Motorzündzeitpunkt verzögert.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der erfindungsgemä­ ßen Steuervorrichtung bei klopfendem Betrieb zunächst der Zünd­ zeitpunkt zunehmend nach spät verstellt und erst dann, wenn die Spätverstellung einen Schwellwert erreicht hat, wird der Lade­ druck abgesenkt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung hat den Vorteil, daß durch die sehr schnelle Zündzeitpunkt­ verstellung in den meisten Fällen das Klopfen beseitigt wird, so daß die Absenkung des Ladedrucks nur auf wenige Extremfälle beschränkt bleibt, in denen die Zündzeitpunkt­ verstellung allein nicht ausreicht. So bleibt in den meisten Fällen der Einfluß auf das Drehmoment des Motors gering.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Brenn­ kraftmaschine mit Abgasturbolader und elektronischer Steuerung des Ladedrucks und

Fig. 2 ein Blockschalt­ bild der elektronischen Steuervorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In dem in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltbild ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, der die notwen­ dige Luft zur Verbrennung über ein Luftfilter 11, einem Luftmengenmesser 12, einen Verdichter 13 eines Abgas­ turboladers 14, einen Ladeluftkühler 15 sowie einen Luftverteiler 16 zugeführt wird. Das Abgas wird über einen Auspuffkrümmer 17, eine Abgasturbine 18 des Ab­ gasturboladers 14 sowie über Auspuffrohre 19 abgeführt. Die Abgasturbine 18 ist durch einen Bypaß 20 überbrückt, in den ein Ladedruckregelventil 21 geschaltet ist. Das Ladedruckregelventil 21 kann sich gegen den Druck einer Feder 2 mit Hilfe des Ladedrucks öffnen, der über eine Leitung 22 vom Ausgang des Verdichters 13 aus zugeführt ist. Dazu ist in die Leitung 22 ein Magnetventil 23 ge­ schaltet, das durch Steuerung des über die Leitung 22 zugeführten Ladedrucks das Ladedruckregelventil 21 ein­ stellt. Prinzipiell könnte natürlich auch ein einziges Magnetventil in den Bypaß 20 geschaltet werden.

Eine elektronische Steuervorrichtung 24, die vorzugsweise als Mikrorechner ausgebildet ist, steuert sowohl das Magnetventil 23 durch eine Signalfolge mit einem be­ stimmten Steuertastverhältnis ST, wie auch ein Zünd­ steuergerät 25, dem ein Signal Δαz zugeführt wird, das bereits eine Zündzeitpunkt-Spätverstellung bei klop­ fendem Betrieb der Brennkraftmaschine beinhaltet. Die Zündzeitpunkte können im Zündsteuergerät 25 in bekannter Weise in Abhängigkeit weiterer Parameter P und gege­ benenfalls in Abhängigkeit eines gespeicherten Kenn­ felds eingestellt werden. Ein solcher Parameter kann beispielsweise das Signal des Luftmengenmessers 12 oder ein Temperatursignal sein.

Die Zuleitungen für die Zündkerzen der Brennkraftmaschine sind zur Vereinfachung der Darstellung durch Pfeile sym­ bolisch angedeutet.

Der elektronischen Steuervorrichtung 24 sind Bezugsmar­ kensignale BM sowie Drehzahlsignale n zugeführt, die von der Kurbelwelle 26 der Brennkraftmaschine über eine Geberanordnung 27 abgeleitet sind. Prinzipiell können auch andere kurbelwellensynchrone Signale verwendet wer­ den, wie sie beispielsweise ein Zündverteiler liefert. Weiterhin sind der elektronischen Steuervorrichtung Klopf­ signale K zweier Klopfsensoren 28, 29 zugeführt. Anstelle dieser beiden Klopfsensoren 28, 29 kann prinzipiell auch ein einziger Klopfsensor oder eine größere Anzahl von Klopfsensoren treten, wobei jedem Zylinder ein Klopfsen­ sor zugeordnet sein kann. Zur Auswertung der Klopfsignale bei mehreren Klopfsensoren ist dann das Signal Z einer Zylinder-Erkennung notwendig, das vom Bezugsmarkengeber abgeleitet ist und eine Zuordnung der Klopfsignale zum jeweiligen Zylinder erlaubt.

Schließlich sind der elektronischen Steuervorrichtung noch die Signale p_L eines Ladedrucksensors 30 im Luft­ verteiler 16 sowie ein Signal GP eines Drosselklappen- Stellungssensors 31 zugeführt, der als lastabhängiges Signal die Stellung der Drosselklappe 32 im Luftzufüh­ rungskanal der Brennkraftmaschine erfaßt. Prinzipiell kann natürlich auch die Stellung des Gaspedals erfaßt oder ein anderes Lastsignal verwendet werden.

Die prinzipielle Wirkungsweise der dargestellten Anord­ nung besteht darin, daß bei Auftreten von klopfendem Betrieb Klopfsignale K erzeugt werden, die eine Spät­ verstellung der Zündung bewirken, im wieder aus dem klopfenden Bereich herauszukommen. Dies geschieht vor­ teilhaft dadurch, daß bei Auftreten von klopfendem Betrieb der Zündzeitpunkt stufenweise kontinuierlich nach spät verstellt wird und bei Beendigung des klopfen­ den Betriebs stufenweise wieder auf den ursprünglichen Wert gesetzt wird. Eine solche Zündzeitpunktverstellung ist beispielsweise aus der DE-OS 30 09 046 bekannt. Weiterhin wird ab einer vorbestimmten Zündzeitpunkt-Spätverstellung der Ladedruck des Abgasturboladers dadurch abgesenkt, daß das Ladedruckregelventil 21 im Bypaß 20 der Abgasturbine 18 geöffnet wird.

Es versteht sich, daß außer den beschriebenen und dar­ gestellten Steuersystemen auch noch eine Steuervorrich­ tung für die Einspritzvorgänge der Brennkraftmaschine vorgesehen sein muß. Auf die Darstellung dieser Steuer­ vorgänge wurde zur Vereinfachung der Zeichnung verzich­ tet. Natürlich können wahlweise die elektronische Steuer­ vorrichtung 24, das Zündsteuergerät 25 sowie die Einspritz- Steuervorrichtung als getrennte Rechner oder in einem gemeinsamen Rechner realisiert sein. Grundsätzlich läßt sich die Steuervorrichtung auch ohne Benzineinspritzung mit einem oder mehreren Vergasern realisieren.

In dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild der elektronischen Steuervorrichtung 24 wird das Drehzahl­ signal n zur Auswahl von Speicherwerten zweier Kenn­ felder TV_L und p_Lsoll entsprechenden Speichereinrich­ tungen 40, 41 zugeführt. Diese können beispielsweise als ROM, PROM oder EPROM ausgebildet sein. Weiterhin wird diesen Speichereinrichtungen 40, 41 ein Lastsig­ nal GP1 zugeführt, das aus dem Drosselklappen-Stel­ lungssignal GP abgeleitet ist. Dazu wird einer Ver­ gleichsstelle 42 sowohl das Signal GP, wie auch das Signal GP2 und ein von der Zündzeitpunktverstellung abgeleitetes Signal zugeführt, auf das später noch näher eingegangen werden soll. Das Ausgangssignal dieser Ver­ gleichsstelle 42 ergibt das Signal GP1. Das Signal GP2 wird dadurch gebildet, daß das Signal GP über ein Be­ wertungsglied 43 für einen D-Anteil und eine nachge­ schaltete Filterstufe 44 geführt wird, die Werte unter­ halb ΔGP_min sperrt.

Der im Speicher 40 angesprochene Wert wird über eine Vergleichsstelle 45 einer Signalerzeugerstufe 46 zuge­ führt, in der in Abhängigkeit dieses Werts eine Impuls­ spannung mit einem bestimmten Steuertastverhältnis ST zur Steuerung der Stellung des Magnetventils 23 gebildet wird. Dieses Steuertastverhältnis wird vorzugsweise zwischen 15 und 85% begrenzt. Der Ausgang der Speichereinrichtung 41 ist über ein Tiefpaßfilter 47 mit einer Vergleichszelle 48 verbunden, der zusätzlich der Ladedruckistwert in p_List zugeführt ist. Der Ausgang der Vergleichsstelle 48 ist über ein Schaltglied 49, einen Regler 50 mit vorzugsweise PI-Charakteristik sowie ein Begrenzungsglied 51 der Ver­ gleichsstelle 45 zugeführt.

Einer Klopfregelstufe 52 sind das Bezugsmarkensignal BM sowie Klopfsignale K der Klopfsensoren zugeführt. Die Klopfregelstufe 52 erzeugt ein Ausgangssignal Δα_zk, das die Zündzeitpunktverschiebung nach spät in Abhängigkeit des Auftretens von klopfender Verbrennung beinhaltet. Dieses Ausgangssignal wird über eine Umschaltvorrichtung 53 alternativ einer von zwei Begrenzungsstufen 54, 55 zugeführt, die den Wert Δα_zk auf den Wert α_zmax1 bzw. α_zmax2 begrenzen. Der Begrenzungswert α_zmax1 der Begrenzungsstufe 54 wird dabei in Abhängigkeit der Dreh­ zahl n festgelegt. Die Ausgänge der Begrenzungsstufen 54, 55 sind in einer Vergleichsstelle 56 zusammengeführt und werden als Signal Δα_z dem Zündsteuergerät 25 zuge­ führt.

Der Ausgang der Klopfregelstufe 52 ist weiterhin über ein Schaltglied 57 und ein Tiefpaßfilter 58 einer weiteren Vergleichsstelle 59 zugeführt, an der zusätz­ lich ein drehzahlabhängiger Wert α_zm anliegt, der einer vorgeschriebenen maximal zulässigen Zündzeitpunkt-Spät­ verstellung entspricht. Der Ausgang dieser Vergleichs­ stelle 59 ist über ein Regelglied 60 der Vergleichs­ stelle 42 zugeführt.

Eine Erkennungsstufe 61 zur Unterscheidung von Betriebs­ zuständen der Brennkraftmaschine in denen der Abgas­ turbolader 14 wirksam bzw. unwirksam ist steuert die Umschaltvorrichtung 53 sowie die Schaltglieder 49 und 57. Diese Erkennung erfolgt dadurch, daß bei bestimm­ ten Zuständen von Last GP und Drehzahl n der Turbolader grundsätzlich nicht wirksam ist. Bei nichtwirksamem Turbolader sind die beiden Schaltglieder 49, 57 geöff­ net und der Ausgang der Klopfregelstufe 52 mit der Begrenzungsstufe 55 verbunden. Die Steuerung der er­ wähnten Schaltglieder und Umschalter kann auch direkt über eines der Kennfelder 40, 41 erfolgen, da jedem der dort gespeicherten Werte ein bestimmter Ladedruck zugeordnet ist. Bei Ladedrücken unterhalb einem vor­ gebbaren Grenzwert wird die Wirkung des Abgasturboladers als nicht gegeben angesehen.

Die Wirkungsweise des in Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels besteht im wesentlichen darin, daß der Ladedruck in Abhängigkeit der Drehzahl n und der Last GP (Drosselklappenstellung) mit Hilfe des im Speicher 40 gespeicherten Kennfeldes TV_L vorgesteuert wird. Jeder der durch die beiden Werte n und GP bzw. GP1 angesprochenen Speicherwerte im Speicher 40 beinhaltet ein bestimmtes Tastverhältnis, das über die Signal­ erzeugerstufe 46 den Durchlaß im Bypaß 20 steuert und damit den Ladedruck vorgibt. Bei Konstantfahrt oder langsamen Laständerungen entspricht das Signal GP dem Signal GP1 (ohne Berücksichtigung eventueller Klopf­ vorgänge). Bei schnellen Laständerungen durch den Fahrer wird durch das Bewertungsglied 43 der Ladedruck kurz­ zeitig über den neuen stationären Wert angehoben bzw. unter den neuen stationären Wert abgesenkt (D-Anteil). Dadurch wird das Ansprechverhalten des Turboladers ver­ bessert.

Ist die Verstellgeschwindigkeit unterhalb eines fest­ legbaren Werts (ΔGP_min), so wird das Ausgangssignal des Bewertungsglieds 43 durch die Filterstufe 44 unter­ drückt. Diesem Steuerkreis für den Ladedruck ist ein Regelkreis für den Ladedruck überlagert, d. h. parallel geschaltet. Dieser Regelkreis korrigiert - falls notwen­ dig - den durch die Vorsteuerungen eingestellten Lade­ druck, um eine noch exaktere Einstellung zu erreichen. Der Regelkreis besteht aus einem Sollwert-Kennfeld P_Lsoll, das im Speicher 41 abgelegt ist, und das die Sollwerte für den Ladedruck in Abhängigkeit von n und GP1 vorgibt. Diese Sollwerte werden über das Tiefpaßfilter 47 der Ver­ gleichsstelle 48 verzögert zugeführt, wobei die Ver­ zögerungszeit der Dynamik des Ladedruckaufbaus ange­ paßt ist. Danach wird die Regelabweichung dem Regler 50 mit vorzugsweise PI-Charakteristik zugeführt und die Korrekturwerte anschließend im Begrenzungsglied 51 begrenzt, z. B. auf Werte zwischen ± 20%. Der durch die Regelung erhaltene Korrekturwert wird dann in der Vergleichsstelle 45 zum Vorgabewert des Tastverhältnis­ ses addiert und der Signalerzeugerstufe 46 zugeführt. Dort wird das Stellsignal auf ein Tastverhältnis von z. B. 15 bis 85% eingeschränkt. Die Einflüsse von Bau­ teiletoleranzen des Abgasturboladers und des Bypaßventils auf den Ladedruck und dynamische Vorgänge können durch den Regelkreis kompensiert werden. Dieser Regelkreis wird über das Schaltglied 49 nur dann eingeschaltet, wenn ein wirksamer Ladedruck vorliegt.

Treten nun Klopfsignale K auf, so wird in bekannter Weise der Zündzeitpunkt durch die Klopfregelstufe 52 stufenweise so lange nach spät verstellt, bis kein klopfender Betrieb mehr vorliegt. Dies bewirkt das Steuersignal Δα_z. Bei wirksamem Betrieb des Turboladers wird dabei diese Zündverstellung infolge Klopfens auf einen Wert α_zmax1 begrenzt. Diese Begrenzung erfolgt zur Vermeidung einer zu hohen Abgastemperatur und ist zur exakten Einstellung drehzahlabhängig gesteuert. Ist der Turbolader nicht wirksam, so wird durch Umlegen der Umschaltvorrichtung 53 der Begrenzungswert α_zmax2 wirksam, der eine größere Zündzeitpunktverstellung zuläßt.

Bei leichtem bzw. seltenem Klopfen reicht die Zündzeit­ punktverstellung im allgemeinen aus, um aus dem klopfen­ den Bereich wieder herauszukommen. Hält das Klopfen je­ doch an, und erfolgt dadurch eine immer stärkere Zünd­ zeitpunktverstellung, so wird bei Erreichen des Werts α_zm, der vorzugsweise drehzahlabhängig ist, eine zu­ sätzliche Absenkung des Ladedrucks vorgenommen. Das Tief­ paßfilter 58 gewährleistet dabei durch Mittelwertbildung, daß die Ladedruckabsenkung nur bei anhaltendem bzw. wie­ derholtem Klopfen wirksam wird. Über das Regelglied 60 wird dann der Eingriff in die Ladedruckregelung und -steuerung dadurch vorgenommen, daß der Lastwert GP1 über die Vergleichsstelle 42 verändert wird. Dieser Eingriff der Klopfvorgänge auf den Ladedruck wird vor allem dann auftreten, wenn wenig klopffester Kraft­ stoff oder sehr hohe Ansaugtemperaturen auftreten. Die Brennkraftmaschine wird auch dann wirksam vor Klopf­ schäden geschützt. Durch das Schaltglied 57 wird gewähr­ leistet, daß der Eingriff auf den Ladedruck nur bei wirksamen Turbolader erfolgt.

Es versteht sich, daß in einem einfacheren Ausführungs­ beispiel die Schaltglieder 49, 57 sowie die Umschalt­ vorrichtung 53 entfallen können. In diesem Falle wird eine einzige Begrenzungsstufe 54 vorgesehen.

Natürlich können auch noch weitere bekannte Maßnahmen getroffen werden, um bei Auftreten von Klopfvorgängen den Betriebszustand der Brennkraftmaschine wieder aus dem klopfenden Bereich herauszuführen. Solche Maßnahmen sind beispielsweise die Wassereinspritzung, Zugabe von klopfmindernden Mitteln und die Veränderung des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches.

Claims (10)

1. Steuervorrichtung für den Ladedruck einer Brennkraftmaschine mit Turbolader, wobei eine Regelung für den Ladedruck vorgesehen ist, bei der die Sollwerte für die Ladedruck-Regelung in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) und der Last (GP) aus einem Speicher (41) ausgelesen werden und die Einstellung des Ladedrucks (p_L) über eine Stell­ vorrichtung (23, 21) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß bei klopfendem Betrieb der Zündzeitpunkt zunehmend nach spät verstellt wird und dann, wenn ein Schwellwert (α_zm) erreicht ist, der Lade­ druck (p_L) abgesenkt wird.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (α_zm) drehzahlabhängig ist.

3. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Steuertastverhältnis (ST), mit dem die Stellvorrichtung (23, 21) zur Einstellung des Ladedrucks (p_L) angesteuert wird, durch einen minimalen und einen maximalen Wert, vorzugsweise 15% und 85%, begrenzt ist.

4. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für den Ladedruck über ein Tiefpaßfilter (47) zur Nachbildung der Ladedruckdynamik geführt sind.

5. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Parameter Last in einem Bewertungs­ glied (43) mit einem D-Anteil bewertet wird.

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitales Filter (44) vorgesehen ist, das den D-Anteil bei Ver­ stellgeschwindigkeiten unterhalb einem vorgebbaren Wert (GB_min) unterdrückt.

7. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal einer Klopfregelstufe (52) für die Zündung der Brennkraftmaschine über einen Tiefpaß (58) geführt ist.

8. Steuervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Klopfregelstufe (52) wenigstens einer Begrenzungsstufe (54, 55) zugeführt ist zur Begrenzung der Zünd­ zeitpunktverstellung bei klopfendem Betrieb.

9. Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) einstellbar ist.

10. Steuervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Begrenzungsstufen (54, 55) mit unterschiedlicher Begrenzung vorgesehen sind, daß eine Erkennungsstufe (61) zur Er­ kennung eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, bei dem der Turbolader wirksam ist, und daß durch diese Er­ kennungsstufe (61) eine Umschaltung zwischen den Begrenzungsstufen (54, 55) in der Weise erfolgt, daß bei wirksamen Turbolader die Zündzeitpunktverstellung enger begrenzt ist.