DE4005046A1 - Anlage zum ueberwachen des ladedrucks einer maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine mit einem Turbolader ausgerüstete Kraftfahrzeugmaschine und insbesondere eine Anlage zum Überwachen des Ladedrucks einer solchen Ma­ schine. Speziell betrifft die Erfindung eine Anlage zum Kompensieren der Beschleunigung bei der Steuerung der Öffnungsstellung eines Waste-Gate-Ventiles der Maschine.

Bei einer Maschine mit Turbolader ist im allgemeinen ein Bypasskanal mit einem Waste-Gate-Ventil für eine Turbine eines Turboladers vorgesehen. Im Turbo-Betriebsbereich öffnet das Waste-Gate-Ventil, um einen Teil des Abgases der Turbine durch den Bypasskanal zu führen. Durch diese Maßnahme wird der Ladedruck auf einen im wesentlichen konstanten Wert eingestellt. Somit wird ein Klopfen unter­ drückt. Hierbei wird so vorgegangen, daß das Öffnen und Schließen des Waste-Gate-Ventiles abhängig vom Ladedruck auf der Lieferseite des Kompressors des Turboladers ge­ steuert werden. Dieses Verfahren ist ungünstig, weil der Ladedruck im instationären Betrieb der Maschine, wie bei Beschleunigung, oft in beträchtlichem Maße "überschießt", was zu Überkorrekturen und damit zu Schwingungen der Regelung führt. Aus diesem Grund wurde eine elektronische Regelanlage zum Regeln des Ladedrucks mittels Verstellung der Öffnung des Waste-Gate-Ventiles abhängig von verschie­ denen Betriebsparametern vorgeschlagen.

Ein Beispiel für die elektronische Regelung des Ladedrucks ist in JP-POS 61-55 316 enthalten. Bei dem dort vorgeschla­ genen Verfahren wird der aktuelle Ladedruck mittels eines Drucksensors erfaßt. Dann werden Differenzen oder Abwei­ chungen zwischen den aktuellen Ladedrücken und einem vorbestimmten Druck ermittelt. Ein der Druckdifferenz proportionales Signal und ein Signal, welches einem inte­ grierten Wert der Druckdifferenzen entspricht, wird dann in eine Korrektureinheit zur Rückführungregelung des Ladedrucks eingegeben.

Bei der Rückführregelung entstehen jedoch folgende Schwie­ rigkeiten. Ein Überschießen kann auftreten, wenn die Regelgröße abhängig von Abweichungen des Ladedrucks be­ stimmt wird. Aus diesem Grunde wird die Erhöhung des Ladedrucks bei instationärem Betrieb verzögert und steigt dann abrupt an. Infolgedessen wird ein Überschießen des Ladedrucks exzessiv. Somit kann die Ladedruckspitze nicht genügend unterdrückt werden. Aus diesem Grunde überschießt der Ladedruck um einen verhältnismäßig großen Betrag, wodurch leicht ein Klopfen auftreten kann.

Als mögliches Verfahren zum Abbauen des überschießenden Ladedrucks kann eine Map eines Grundlastverhältnisses vorgesehen werden, um den vorbestimmten Ladedruck jeder Betriebsbedingung zu setzen. Dann wird eine Vorwärtsrege­ lung oder eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung mit Hilfe der Map durchgeführt. Bei einer solchen Steuerung kann aber die mechanische Schwierigkeit auftreten, daß ein Verzug der Drehzahlerhöhung der Turbine zur Zeit der Beschleunigung auftritt. Eine Korrektur dieser Schwierig­ keit kann hierbei nicht vorgenommen werden. Nicht ausrei­ chender Ladedruckaufbau unmittelbar nach dem Treten des Gaspedals kann die Folge einer solchen Drehzahlverzögerung der Turbine sein. Es besteht daher das Bedürfnis nach einer Maßnahme zum Beseitigen dieser Schwierigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Überwachen (Steuern bzw. Regeln) des Ladedrucks in einer Maschine anzugeben, mit der ein nicht ausreichender Lade­ druck zu Beginn des Beschleunigungsvorganges in geeigneter Weise kompensiert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

Bei der Anlage nach der Erfindung wird die Öffnungs­ stellung des Waste-Gate-Ventiles mittels einer Vorwärtsre­ gelung ausgehend von einer Grundlast-Verhältnis-Map in einem stabilen Bereich eingestellt. Der Ladedruck wird hierdurch konstant auf den Soll-Ladedruck eingestellt. Bei Beschleunigung wird der Ladedruck entsprechend dem korrigierten Lastverhältnissignal so korrigiert, daß eine Verzögerung der Zunahme der Turbinendrehzahl vermieden wird. Somit wird ein Ladedruckmangel vermieden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ladedruck- Überwachungsanlage gemäß der Erfindung bei einer Maschine mit einem Turbolader;

Fig. 2 ein Schaltbild eines Reglers der Anlage;

Fig. 3A ein Diagramm, welches die Grundlast-Verhältnis- Map darstellt;

Fig. 3B ein Diagramm, welches eine korrigierte Grundlast- Map zeigt;

Fig. 4 ein Flußdiagramm, welches die einzelnen Schritte beim Überwachen des Ladedrucks darstellt und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm mit Schwankungen des Lastverhält­ nisses über der Zeit.

In Fig. 1 ist eine Ausführung der Anlage zum Regeln des Ladedrucks in Anwendung auf eine Maschine 1 mit Turbolader 4 gemäß der Erfindung gezeigt. Im Ansaugsystem der Maschi­ ne ist ein Luftreiniger 2 angeordnet. Der Luftreiniger 2 kommuniziert über ein Ansaugrohr 3 mit einem Kompressor 4 a des Turboladers 4. Die Lieferseite des Kompressors 4 a ist über eine Drosselklappe 5, eine Kammer 6 und einen Ansaugkrümmer 7 mit dem Einlaß der Maschine 1 verbunden. Ein Auslaß der Maschine 1 kommuniziert über einen Auslaß­ krümmer 8 mit der Turbine 4 b des Turboladers 4. Die Aus­ laßseite der Turbine 4 b ist mit einem Auspuffrohr 9 ver­ bunden.

Der Ladedruck der Maschine 1 wird durch eine Ladedruckre­ gelanlage 10 mit folgenden wesentlichen Bauteilen gere­ gelt. Ein Bypasskanal 12 mit einem Waste-Gate-Ventil 11 verbindet die stromauf- und die stromabwärtige Seite der Turbine 4 b. In der Einlaßöffnung der Turbine 4 b ist ein Stellflügel 4 c angeordnet. Das Waste-Gate-Ventil 11 und der Stellflügel 4 c sind mittels Membran-Betätigern 13 und 14 betätigbar. Die Betätiger 13 und 14 sind durch verän­ derlichen Druck auslenkbar, welcher über einen Steuerkanal 17 über ein Dreiwege-Solenoidventil 16 gespeist wird.

Zwischen der stromabwärtigen Seite des Kompressors 4 a und einem Ladedruckeinlaß 16 c des Solenoidventils 16 ist ein Ladedruckkanal 15 angeordnet. Eine Lecköffnung 16 d des Solenoidventils 16 ist über einen Leckkanal 18, enthaltend eine Drossel 19, mit der stromaufwärtigen Seite des Kom­ pressors 4 a verbunden. Das Dreiwegeventil 16 weist ein elektromagnetisches Solenoid 16 a und Ventilkörper 16 b auf. Die Ventilkörper 16 b sind mittels des Solenoids 16 a so betätigbar, daß sie den Ladedruckeinlaß 16 c und die Lecköffnung 16 d jeweils öffnen und schließen. Der Solenoid 16 a wird mittels Signalen vom Regler 30 gesteuert und arbeitet auf Betriebsparametersignale hin, wie im folgen­ den beschrieben ist. Die Zeitdauer des Öffnens und Schließens des Ladedruckeinlasses 16 c und der Lecköffnung 16 d sind voreingestellt. Der Druck zum Betreiben der Betätiger 13 und 14 sowie die Öffnungsstellung des Waste-Gate-Ventils 11 und des Stellflügels 4 c werden hierdurch geregelt.

Es wird nun die Arbeitsweise des Reglers 30 anhand der Fig. 2 erläutert. Die allgemeine Funktion des Reglers 30 besteht darin, auf Signale eines von mindestens vier Sensoren hin Betriebs- bzw. Lastsignale vom Solenoid 16 a des Solenoidventiles 16 zu übertragen und so das Ventil 16 zu betätigen. Ein Luftmengenmesser 21 mißt den Luft­ durchsatz durch das Ansaugrohr 3 und erzeugt ein Luftmen­ gensignal. Ein Maschinen-Drehzahlsensor 22 mißt die Ma­ schinendrehzahl Ne und erzeugt ein entsprechendes Dreh­ zahlsignal. Ein Drosselklappenstellungssensor 23 mißt den Öffnungswinkel R der Drosselklappe 5. Ein Drucksen­ sor 24 mißt den Ladedruck.

Der Regler 30 führt eine Vorwärts-Regelung gemäß Fig. 2 aus. Eine Grundlast-Ermittlungsvorrichtung 31 empfängt ein Luftmengensignal Q vom Luftmengenmesser 21 und ein Ma­ schinendrehzahlsignal Ne vom Drehzahlsensor 22. Die Grund­ last-Ermittlungsvorrichtung 31 ist mit einer Map-Sollwert- Vorgabevorrichtung 32 versehen. Die Grundlast-Ermittlungs­ vorrich­ tung 31 liefert ein Grundlastverhältnissignal D ₈. Die Beziehung bzw. der Verlauf dieses Grundlastverhältnissig­ nales D _B des Drehzahlsignals Ne und des Luftmengensignals Q ergibt sich aus Fig. 3A. Die Map des Grundlastverhält­ nissignales D _B ist so voreingestellt, daß ständig ein Ladedruck Pt bei verschiedenen stationären Betriebszustän­ den erhalten werden kann.

Genauer gesagt ist das Grundlastverhältnissignal D _B groß in einem Niedriglastgebiet, in welchem das Drehzahlsignal Ne und das Luftmengensignal Q klein sind, und die Leck­ zeitdauer für ein Lecken über die Lecköffnung 16 d des Solenoidventils 16 ist groß, um den an den Betätigern 13 und 14 anliegenden Betätigungsdruck zu vermindern. Wenn das Drehzahlsignal Ne und das Luftmengensignal Q anwach­ sen, nimmt das Grundlastverhältnissignal D _B ab. Der Betä­ tigungsdruck wird darauf hin erhöht. Die Grundlast-Ermitt­ lungsvorrichtung 31 leitet dann das Grundlastverhältnis­ signal D _B entsprechend aus der Map her und überträgt das Verhältnissignal D _B zur Lastverhältnis-Bestimmungsvor­ richtung 33.

Der Regler 30 enthält auch einen Rechenbaustein 34 zum Bestimmen der Öffnungsstellungsänderung der Drosselklappe. Der Baustein 34 empfängt ein Öffnungswinkelstellungssignal R vom Drosselklappensensor 23. Auf das Öffnungswinkel­ stellungssignal R hin bestimmt der Baustein 34 die Öff­ nungsstellungsänderung dR/dt mit der Zeit. Das Maschinen­ drehzahlsignal Ne, die Öffnungswinkelstellung R der Dros­ selklappe und deren Veränderung dR/dt werden zu einer Beschleunigungsmeßvorrichtung 35 übertragen. Ein Sollwert NI (z.B. 4000 U/min) für die Maschinendrehzahl Ne, ein Sollwert R I (z.B. 80°), der Öffnungswinkelstellung R der Drosselklappe und ein Sollwert T für die Öffnungsstel­ lungsänderung dR/dt sind vorherbestimmt. In einem Teil­ gebiet Ne < NI, R < R I, und dR/dt < T bestimmt die Be­ schleunigungsmeßvorrichtung 35 bei starker Änderung des Öffnungswinkels, daß ein Betriebszustand mit Beschleu­ nigung herrscht.

Der vom Drucksensor 24 gemessene Ladedruck wird in eine Ladedruckbestimmungsvorrichtung 36 eingespeist. Die Vor­ richtung 36 bestimmt daraufhin den Ladezustand aus der Ladedruckänderung dP/dt und erzeugt ein Korrektursignal nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit T aus einem Zustand dP/dt 0, wie im folgenden genauer beschrieben ist. Ein Beschleunigungssignal aus der Beschleunigungsmeß­ vorrichtung 35, das Korrektursignal aus der Vorrichtung 36 und das Drehzahlsignal Ne werden in eine Beschleuni­ gungslast-Ermittlungsvorrichtung 37 eingegeben. Diese Vorrichtung 37 entnimmt daraufhin ein Beschleunigungskor­ rektur-Lastverhältnis Da aus einer Sollwert-Vorgabevor­ richtung 38 und überträgt das Lastverhältnis Da als Aus­ gangssignal zu der Lastverhältnis-Bestimmungsvorrichtung 33. Das Beschleunigungskorrektur-Lastverhältnis Da wird mittels einer Funktion eingestellt, welche mit anwachsen­ dem Maschinendrehzahlsignal Ne abnimmt, wie Fig. 3B zeigt.

Die Lastverhältnis-Bestimmungsvorrichtung 33 berechnet und bestimmt ein Ausgangslastverhältnissignal D gemäß der Gleichung D = D _B + Da. Das Ausgangslastverhältnissignal D wird mittels einer Treibervorrichtung 39 zum Solenoidven­ til 16 übertragen.

Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Ladedruckregelan­ lage wird nun anhand des Flußdiagrammes nach Fig. 4 erläutert.

Wenn die Maschine läuft, betreibt zunächst die Energie des Abgases die Turbine 4 b des Turboladers 4. Daher dreht auch der Kompressor 4 a. Somit wird über das Ansaugrohr 3 angesaugte Luft verdichtet und aufgeladen in die Maschine 1 gespeist. Zu dieser Zeit werden das Luftmengensignal Q und das Maschinendrehzahlsignal Ne zu der Grundlast-Er­ mittlungsvorrichtung 31 des Reglers 30 gespeist. Die Vorrichtung 31 leitet daraufhin das Grundlastverhältnis D _B in Übereinstimmung mit dem Luftmengensignal Q und dem Maschinendrehzahlsignal Ne anhand der Map ab, welche von der Sollwert-Vorgabevorrichtung 32 vorgegeben ist. Wenn die Maschine stationär arbeitet, wird das Lastsignal des Grundlastverhältnisses D _B über die Treibervorrichtung 39 zum Solenoidventil 16 abgegeben. Somit wird der den Betä­ tigern 13 und 14 zugeführte Druck geregelt.

Wenn das Luftmengensignal Q und das Drehzahlsignal Ne klein sind, werden das Grundlastverhältnis D _B groß und der Betätigungsdruck klein. Als Folge davon wird das Waste-Gate-Ventil 11 gesperrt. Außerdem wird der Stell­ flügel 4 c am Turbineneinlaß geöffnet, um die Laderate zu erhöhen. Wenn das Luftmengensignal Q und das Drehzahlsig­ nal Ne anwachsen, nimmt das Grundlastverhältnis D _B ab. Dann steigt der Betätigungsdruck. Infolge davon wird das Waste-Gate-Ventil 11 um ein bestimmtes Maß geöffnet, um einen Teil des Abgases abströmen zu lassen, und die Abgas­ menge wird durch den Stellflügel 4 c vermindert. Somit wird die dem Turbolader 4 zugeführte Energie vermindert. Darauf wird eine Vorwärtsregelung basierend auf dem Grundlastver­ hältnis D _B durchgeführt, so daß der Ladedruck mit dem Solladedruck Pt übereinstimmt.

Bei einer Beschleunigung, bei der der Drosselklappenquer­ schnitt abrupt zunimmt, steigt auch die Maschinendrehzahl Ne an. Somit erhöht sich der Ladedruck P gemäß Fig. 5. Jedoch nimmt das Grundlastverhältnis D _B einen kleinen Wert an, der durch die Map bestimmt ist. Ferner wird, wie oben erwähnt, eine Vorwärtsregelung durchgeführt. Daher steigt der Ladedruck ohne "Überschießen" an. Wenn eine abrupte Beschleunigung mit großer Veränderung des Öff­ nungswinkelstellungssignals R auftritt, was zu einer verzögerten Reaktion der Turbine 4 führt, erfaßt die Beschleunigungsmeßvorrichtung 35 die Beschleunigung. Somit wird ein Beschleunigungskorrektur-Lastverhältnis Da aus der Map-Sollvorgabevorrichtung 38 entsprechend dem Maschinendrehzahlsignal Ne abgeleitet.

Der Ladezustand wird mittels der Ladezustands-Bestimmungs­ vorrichtung 36 überwacht. Nach Verstreichen einer bestimm­ ten Zeitdauer T (Fig. 5) ab dem Beginn eines Ladedruckab­ falls unter der Voraussetzung von dP/dt 0 verschwindet die Gefahr eines Überschießens des Ladedrucks. Somit wird nach Verstreichen der vorbestimmten Zeitdauer T das Be­ schleunigungskorrektur-Lastverhältnis Da aus der Vorrich­ tung 37 ausgegeben. Dann wird das Lastverhältnis D in der Lastverhältnis-Bestimmungsvorrichtung 33 fortschreitend korrigiert, indem das Beschleunigungs-Korrekturlastver­ hältnis Da zum Grundlastverhältnis D _B hinzuaddiert wird. Aus diesem Grund wird das offene Waste-Gate-Ventil 11 geringfügig in Schließrichtung verstellt. Der Turbolader 4 erhöht somit den Ladedruck. Als Ergebnis erholt sich der Ladedruck von dem Mangel aufgrund der Verzögerung des Ansprechens der Turbine 4 b (der Mangelzustand ist in dem strichpunktierten Kurvenabschnitt P′ in Fig. 5 angedeu­ tet) auf den durchgezogenen Kurvenverlauf. Somit wird der Ladedruck in Übereinstimmung mit dem vorbestimmten Druck oder Solldruck P gebracht.

Mit der Zunahme des Maschinendrehzahlsignales Ne nimmt das Beschleunigungskorrektur-Lastverhältnis Da gemäß Fig. 3B ab. Nach einer bestimmten Zeit wird dieses Ver­ hältnis zu 0 und die Beschleunigungskorrektur wird been­ det. Jedoch wird während dieser Zeit die Turbinendrehzahl­ verzögerung korrigiert. Aus diesem Grund kehrt das Regel­ verfahren zu einer stationären Betriebsweise zurück, die ausschließlich von dem Grundlastverhältnis D _B abhängt. Somit wird der Ladedruck mit dem vorbestimmten Ladedruck Pt in Übereinstimmung gebracht.

Die Ladedruckregelanlage nach der Erfindung hat mehrere Vorteile und nützliche Eigenschaften, welche im folgenden zusammengefaßt sind.

Das Regelverfahren basiert auf einer Vorwärtsregelung ("feed-forward control") gemäß einer Grundlastverhältnis- Map. Dadurch wird eine stabile Ladedruckregelung mit geringem "Überschießen" des Ladedrucks erreicht.

Zum Zeitpunkt einer Beschleunigung wird das Grundlastver­ hältnis gemäß einem Beschleunigungskorrektur-Lastverhält­ nis korrigiert. Aus diesem Grund wird eine Ladedruckmangel wegen einer mechanischen Ursache, wie einer Verzögerung bei der Drehzahlerhöhung der Turbine, erhöht. Eine weitere Eigenschaft besteht darin, daß die Beschleunigungskorrek­ tur nach einem Abfall des Ladedruckes durchgeführt wird. Daher besteht nur eine geringe Möglichkeit des Über­ schießen des Ladedruckes aufgrund der Korrektur.

Eine weitere Eigenschaft ist, daß das Beschleunigungskor­ rektur-Lastverhältnis abgestimmt auf die Maschinendrehzahl vorgegeben wird. Daher besteht keine Möglichkeit zu einer exzessiven Korrektur über die notwendige Korrektur hinaus während eines Anstiegs der Maschinendrehzahl beim Be­ schleunigen.

Claims (6)

1. Anlage zum Überwachen des Ladedrucks einer Maschine mit einem Turbolader (4) mit Kompressor (4 a) und Tur­ bine (4 b), welche durch das Abgas der Maschine (1) angetrieben wird, einer Meßvorrichtung (21, 22, 23, 24) zum Messen von Betriebsbedingungen der Maschine, einem die Turbine umgehenden Bypasskanal (12), einem Waste-Gate-Ventil (11) im Bypasskanal, einem Betätiger (13) für das Waste-Gate-Ventil, einem Steuerventil (16) zum Steuern des Waste-Gate-Ventiles und einem Regler (30), welcher auf ein Betriebsbedingungssignal hin ein Steuersignal zum Verstellen des Steuerven­ tiles erzeugt, gekennzeichnet durch eine Grundlast-Ermittlungsvorrichtung (31), welche auf ein Signal zum Berechnen eines Grundlast-Verhältnisses (D _B ) entsprechend den verschiedenen Betriebszuständen der Maschine hin ein vorbestimmtes Ladedrucksignal (Pt) erzeugt;
eine Beschleunigungslast-Ermittlungsvorrichtung (37), welche auf ein Betriebszustandssignal hin ein Beschleu­ nigungslast-Verhältnis (D _A ) berechnet und ein entspre­ chendes Signal erzeugt, und
eine Lastverhältnis-Bestimmungsvorrichtung (33), welche auf das Ladedrucksignal und das Beschleunigungslast- Verhältnissignal hin das Beschleunigungslast-Verhält­ nissignal zu dem Grundlastverhältnis-Signal addiert und ein korrigiertes Lastverhältnissignal (D) bei Beschleunigungszustand der Maschine dem Steuerventil (16) übermittelt.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Meßvorrichtung einen Strömungsmen­ genmesser (21) zum Messen der von der Maschine ange­ saugten Luftmenge und einen Sensor (22) zum Messen der Maschinendrehzahl aufweist und daß die Grundlast-Er­ mittlungsvorrichtung (31) auf Signale des Strömungsmen­ gensensors und des Drehzahlsensors reagiert.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Beschleunigungslast-Ermittlungs­ vorrichtung (37) einen Rechenbaustein zum Berechnen des Beschleunigungslast-Verhältnisses (Da) abhängig vom Ausgangssignal (Ne) des Drehzahlsensors (22) auf­ weist.

4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Meßvorrichtung ferner einen Dros­ selklappensensor (23) zum Messen der Öffnungsstellung der Drosselklappe (5) der Maschine aufweist und daß ferner einen Rechenbaustein (34) zum Berechnen ausge­ hend von einem Ausgangssignal (R) des Drosselklappen­ sensors (23) der Öffnungsstellungsänderung (dR/dt) der Drosselklappe, und eine Beschleunigungsmeßvorrichtung (35) aufweist, welche auf Ausgangssignale (Ne, dR/dt R) des Drehzahlsensors (22), des Rechenbausteins (34) und des Drosselklappensensors (23) hin den Beschleunigungs­ betriebszustand der Maschine bestimmt, um ein Ausgangs­ signal zu der Beschleunigungslast-Ermittlungsvorrich­ tung (37) zu übertragen.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzei­ chnet, daß die Meßvorrichtung ferner einen Druck­ sensor (24) zum Messen des Ansaugdruckes (P) der Ma­ schine aufweist und daß eine Ladezustands-Bestimmungs­ vorrichtung (36) auf die Ausgangssignale (B) des Druck­ sensors (24) reagiert, um den Ladezustand ausgehend von Schwankungen des Ansaugdruckes zu bestimmen und ein Korrektursignal an die Beschleunigungslast-Ermitt­ lungsvorrichtung (37) abzugeben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschleunigungslast-Ermitt­ lungsvorrichtung (37) Mittel aufweist, welche auf einen Abfall des Ansaugdruckes (P) bei überschießendem Ladedruck reagiert, um das Beschleunigungslastverhält­ nis (Da) mit einer Zeitverzögerung (T) auszugeben.