SE517494C2 - Förfarande och anordning för reglering av en överladdad förbränningsmotor - Google Patents

Description

517 494 2 formig fyllning av cylindrarna i de bägge cylinderraderna med förbränningsluft.

En annan överladdad förbränningsmotor är känd genom US-A 4 660 382. Förbränningsmotorn enligt denna publikation är ut- rustad med endast en enda avgasturboladdare som är försedd med variabel turbingeometri för varierbar inställning enl den ef- fektiva turbintvärsektionen. I denna anordning mäts laddnings- trycket nedströms kompressorn och läggs till grund för in- ställningen av den variabla turbingeometrin. Koordinationen av funktionssättet hos tvâ avgasturboladdare, nämligen en för varje cylinderrad, har dock icke behandlats i US-A 4 660 382.

Syftet med föreliggande uppfinning är nu att försörja en överladdad förbränningsmotor med två cylinderrader och en av- gasturboladdare per cylinderrad likformigt med förbrännings- luft, drift. speciellt genom alla driftspunkter och vid instationär Detta problem löses enligt uppfinningen i huvudsak med de särdrag som angivits i den kännetecknande delen av patentkra- vet l respektive 10.

Med förfarandet enligt uppfinningen uppmäts en till- stàndsparameter hos motorn direkt vid kompressorn eller i om- rådet för denna, särskilt en tillstàndsparameter som är pro- portionell mot luftflödet genom kompressorn. För regleringen läggs därigenom till grund en tillstàndsparameter som utgör ett màtt på beskickningen av cylinderraderna med förbrännings- luft. Lämpligen mäts en tillstàndsparameter i området för kom- pressorinloppet.

Den alstrade ställsignalen förs till ett ställorgan som direkt påverkar det verksamma turbintvärsnittet. Lämpligen är turbinerna hos de bägge avgasturboladdarna försedda med varia- belt inställbar turbingeometri. Via ställorganet kan inställas det verksamma turbintvärsnittet, varvid ställorganet tillförs en ställsignal som alstrats i reglerenheten i enlighet med de använda reglervillkoren. Beroende på använd reglerstrategi kan 517 494 3 tillståndsparametern inregleras genom inställning av den ena eller bägge de variabla turbingeometrierna.

Särskilt det instationära förhållandet hos förbrännings- motorn förbättras om regleravvikelserna detekteras direkt och kan utjämnas snabbare. Genom bägge kompressorerna passerar samma luftflöde och eventuella skillnader som exempelvis kan uppkomma genom tillverkningstoleranser, utjämnas vilket medför förbättrade betingelser med avseende på bränsleförbrukningen och låga avgasemissioner. Reglersträckan begränsas till stor- lek och motorkomponenter som har ett direkt inflytande på det passerande luftflödet.

Som en särskilt enkel och snabbt genomförbar reglerings- typ kan en differensreglering användas, vid vilken lämpligen skillnaden mellan två variabla fysikaliska motortillstàndspa- rametrar mäts i området för kompressorinloppet. Såsom till- ståndsparametrar kommer i första hand ifråga luftflödet vid varvtalet hos eller kompressorinloppet, avgasturboladdaren diffusortrycket, som kan uthämtas vid inloppspartiet för rom- pressordiffusorerna hos turboladdaren. Av dessa tillståndspa- rametrar mäts skillnaden mellan de bägge avgasturboladdarna, till lämpligen med hjälp av en differensgivare, och läggs grund för regleringen. Vid differensreglering inregleras på lämpligt sätt skillnadsvärdet till ett referensvärde som lämp- ligen är noll, så att tillståndsparametrarna i området för de bägge kompressorinloppen erhåller samma börvärde. Enligt en annan reglering jämförs tillståndsparametrarna hos endast en avgasturboladdare med en börstorhet, varefter bildas ett dif- ferensvärde ur skillnaderna mellan tillståndsparametrarna Los den första och den andra avgasturboladdaren varpå tillstånds- parametrarna hos den första avgasturboladdaren och skillnads- värdet adderas och åtminstone en av de bägge tillståndspara- metrarna varieras ända tills differensvärdet blir ett refe- särskilt noll. rensvärde, I detta utförande övertar avgastur- boladdaren, vars tillståndsparametrar jämförs med börstorhe- 517 494 4 ten, uppgiften hos ett styrelement. Tillstàndsparametrarna hos denna turboladdare regleras först till börvärdet. Den andra avgasturboladdaren efterinställes efter den ledande avgastur- boladdaren genonl att skillnaden i tillståndsparametrarna hos denna turboladdare gentemot tillstàndsstorheten hos den ledan- de turboladdaren inställs till noll så att tillståndsparamet- rarna hos bägge turboladdarna får samma värde. Uppdelningen i en ledande och en efterföljande turboladdare har den fördelen att endast det absoluta börvärdet för tillståndsparametrarna hos den ledande turboladdaren måste förutbestämmas medan där- emot tillståndsparametrarna hos den efterföljande turboladda- ren inställs genonl en regleringstekniskt robust differensre- glering som är enkel att utföra.

Börstorheterna kan utläsas ur en i reglerenheten lagrad kompressorminnesyta, som vid olika turboladdarvarvtal återger sambandet mellan massflödet och totaltryckförhàllandet. I min- nesytan kan ett flertal motordriftslinjer lagras för bestämda lägen av den variabla turbingeometrin och bestämda motorvarv- tai för olika motorbelastningar och -driftssätt såsom drivning eller motorbromsdrift.

Eventuellt kan också en avgasåterföringsanordning vara inrättad som omfattar en âterföringsledning och en inställbar, särskilt reglerbar spärrventil. I detta fall kan i kompres- sorns minnesyta också lagras tillståndsparametrar för avgas- àterföringsdrift.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig 1 är en schematisk vy av en förbränningsmotur med två cylinderrader och en avgasturbolad- dare per cylinderrad, och fig 2 visar en sektion genom en kom- pressor till en avgasturboladdare.

Den i fig 1 visade förbränningsmotorn 1 till ett motor- fordon uppvisar tvà cylinderrader 2, 3 med flera cylindrar i varje. För att tillföra cylindrarna komprimerad förbrännings- luft hör till varje cylinderrad 2, 3 en avgasturboladdare 4, 517 494 7. Den till cylinderraden 2 hörande avgasturboladdaren 4 be- står av en turbin 5 med en första avgasledning 14 som är av- grenad fràn den första cylinderraden 2, och en via en axel med turbinen 5 förbunden kompressor 6 i en första insugningsled- ning 10. Den till den andra cylinderraden 3 hörande avgastur- boladdaren 7 är anordnad spegelvänt till den första avgastur- boladdaren 4. Den andra avgasturboladdaren 7 består av en tur- bin 8 i. en andra avgasledning 15, som är avgrenad från den andra cylinderraden 3, och en via en axel med turbinen 8 för- bunden kompressor 9 i en andra insugningsledning 11.

De bägge insugningsledningarna 10, ll utmynnar nedströms kompressorerna 6, 9 i en gemensam insugningskanal 12 via vil- ken den komprimerade friskluften med det för bägge cylinderra- derna. 2, 3 enhetliga laddningstrycket pzs förs till motorn.

Framför inloppet i ett samlingsrör till motorn kyls den kom- primerade luften i en laddluftkylare 13.

Det kan eventuellt vara lämpligt att utforma insugnings- ledningarna för de bägge cylinderraderna skilda åt, så att ingen tryckblandning blir möjlig mellan de bägge insugnings- leoningarna och varje cylinderrad beskickas med det från den tillhörande kompressorn avgivna laddningstrycket.

Avgasledningarna 14, 15 är utförda skilda för de bägge cylinderraderna 2, 3, så att vardera turbinen 5, 8 kan påver- kas med ett separat avgasmottryck p3. Också här kan det eventu- ellt vara lämpligt att åstadkomma en förbindelse mellan de bägge avgasledningarna 14, 15 för att åstadkomma en tryckut- jämning.

Bägge avgasturboladdarna 4, 7 är utrustade med en varia- belt inställbar turbingeometri, som gör det möjligt att utvid- ga eller minska det verksamma turbintvärsnittet. Den variabla turbingeometrin har vid utföringsexemplet åskådliggjorts som en ställbar ledskovelkrans 16 i den första turbinen 5 resp 17 vid den andra turbinen 8, som kan omställas till önskat läge via ställorgan 18, 19. Dessa ställorgan försörjs med ställ- 517 494 6 energi från energikällor *20, 21, nämligen med tryck eller spänning beroende pà typ av ställorgan. För» inställning av skovelkransarna 16, 17 är ställorganen 18, 19 via signalled- ningar 22, 23 förbundna med en reglerenhet 24, i vilken alst- ras ställsignaler Stl. St2, varvid ställsignalerna Stl, St; för reglerorganen 18, 19 i nwdulatorer 25, 26 omvandlas till en för energikällorna 20, 21 fysikaliskt lämplig signal.

Ställorganen 18, 19 kan vara direkt förbundna med var- andra via en kommunikationsledning 36. Via denna ledning 36 sker lämpligen ett signalutbyte för att inställa bägge turbi- nerna till samma verksamma turbintvärsnitt. Det kan nämnas att den första turboladdaren 4 kan utformas som styrande turbolad- dare som inregleras till en önskad börstorhet, medan den andra turboladdaren 7 kan bringas att följa den första turboladdaren 4. Via kommunikationsledningen 36 kan företagas en första ore- glerad balansering mellan turbinerna 5, 8 i de bägge turbolad- darna.

Vidare är en avgasåterföringsanordning 27 inrättad, son omfattar returledningar 28, 29 med spärrventiler 31, 32, var- vid den första returledningen 28 återför avgas från den första cylinderraden 2 till den gemensamma avgasledningskanalen 12 och pà liknande sätt den andra returledningen 29 avgas från den andra cylinderraden 3 likaså till den gemensamma kanalen 12. Spärrventilerna 30, 31 styrs av ställsignaler som överförs från reglerenheter 24 via signalledningar 32, 33.

För att förse bägge cylinderraderna 2, 3 likformigt med förbränningsluft inregleras turbinerna 5, 8 hos de bägge av- gasturboladdarna 4, 7 via sina :tällorgan 18, 19 med hjälp av ställsignalerna Stl, St; från reglerenheten 24 så att en önskad turbineffekt hos de bägge turbinerna 5, 8 inställer sig och därmed en önskad lufttillförsel till vardera cylinderraden 2, 3. För regleringen mäts tillståndsparametrar Zl, Z2 i inlopps- partiet av kompressorerna 6, 9 och förs till en konstruktions- del 34 som är utförd som en differensbildare, varvid som re- 517 494 7 sulterande tillstándsparameter Z bestäms skillnaden mellan de bägge tillstàndsparametrarna A1, Z2. Vid detta utförande bildar konstruktionsdelen 34 en del av reglerenheten 24.

Alternativt kan konstruktionsdelen 34 vara utformad som ett differensmätorgan medelst vilket skillnaden mellan de mät- värden som representerar tillstàndsparametrarna Z1, Z2 direkt kan bestämmas. Skillnaden förs därefter som tillstàndsparame- tern Z till reglerenheten 24 via signalledningen 35.

Soul tillstândsparametrar kan. mätas massflodet vid kom- pressoringången, varvtalet hos avgasturboladdaren eller tryck- et som råder vid inloppet till en diffusor i turbinen.

I reglerenheten 24 bearbetas tillstándsparametern Z för alstrande av ställsignalerna Stl, Stz. Reglerenheten 24 kommu- nicerar med ett minne 37, i vilket är lagrad en kompressormin- nesyta. Ur minnesytan kan i beroende av driftstillståndet hos förbränningsmotorn utläsas börparametern och därefter bearbe- tas i reglerenheten 24 för att jämföras med tillstàndsparame- tern Z. Särskilt genom en enkel jämförelse av tillståndspara- metern med börparametern, Stg, särskilt om den är noll, kan ställ- signalerna Stn för ställorganen 18, 19 till den variabla turbingeometrin åstadkommas.

Såsom ytterligare storheterasom man skall ta hänsyn till kan reglerenheten via signalledningen 38 tillföras laddnings- trycket pk.

I reglerenheten 24 kan man ta hänsyn till förutbestämda kompressordriftsgränser för att undvika alltför höga belast- ningar.

Genon1 beaktandet av dessa gränser kan man dessutom förhinora att lágena av ledskovelkransarna j de bagge turbi- nerna skiljer sig för mycket fràn varandra. Vid en differens- styrning kan den efterföljande avgasturboladdaren 7 förregle- ras pà sådant sätt att ett maximalt avstånd mellan driftspunk- terna för de bägge kompressorerna upprätthålls.

Fig 2 visar en sektion genom en kompressor 6 som uppvisar ett kompressorhjul 39 och en diffusor 40 som tjänar till att 517 494 8 bromsa den av kompressorhjulet accelererade luften så långt möjligt utan förluster varigenom trycket och temperaturen hos luften stiger. I området för diffusorinloppet 41 är i ett hål i höljet anordnad en tryckgivare 43 för upptagande av diffus- ortrycket. Detta förs som en tillstàndsparameter till diffe- rensbildaren i vilken genonx differensbildning rnellan diffus- ortrycken hos de bägge kompressorerna bildas en tillstàndspa- rameter Z.

Den komprimerade och uppvärmda luften lämnar kompressorn 6 via diffusorutloppet 42.

Förfarandet och anordningen kan användas både för motor- drift och -bromsning.

Claims (16)

517 494 9 P a t e n t k r a v

1. l. Förfarande för reglering av en överladdad förbränningsmo- tor, som uppvisar två cylinderrader (2, 3), varvid till varje cylinderrad (2, 3) hör en avgasturboladdare (4, 7), och med en reglerenhet (24), i vilken under hänsynstagande till till- ståndsparametrar (Z, Zl, Z2), som beskriver driftstillståndet hos motorn, alstras en ställsignal (Stl, Stl) för inställning av minst en avgasturboladdare (4, 7), k ä n n e t e c k n a t a v att avgasturboladdarna är utrustade med variabel turbin- geometri, att för reglering av' motorn (1) uppmäts en till- stàndsparameter (Z, ZU Zz) i området för avgasturboladarnas (4, 7) kompressorer (6, 9), att ur tillståndsparametern (Z, Zl, Z2) bildas i enlighet med en förutbestämd regleringslag en re- gleringsparameter, vilken som ställsignal (Stl, Stz) förs till ett ställorgan (18, 19) för påverkan av den variabla turbin- geometrin, samt att mellan ställorganen utförs ett signalutby- te för oreglerad anpassning mellan avgasturboladdarnas turbi- ner.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t a v att reglerparametern bildas ur skillnadsvärdet mellan två tillståndsparametrar (Zl, Z2) för den första och den andra av- gasturboladdaren (4, 7).

3. Förfarande enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t a v att skillnadsvärdet regleras till ett referensvärde.

4. Förfarande enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a t a v att referensvärdet är lika med noll.

5. Förfarande enligt något av patentkraven l-4, k ä n n e - t e c k n a t a v att man mäter en mot massflödet av luft genom kompressorerna (6, 9) proportionell tillståndsparameter (Zl, Zz) -

6. Förfarande enligt något av patentkraven l-5, k ä n n e - t e c k n a t a v att tillståndsparametern (Z, Zl, Z2) är massflödet av luft vid kompressorernas inlopp. 517 49410

7. Förfarande enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e - t e c k n a t a v' att tillstàndsparametern (Z, Zl, Z2) är avgasturboladdarens varvtal.

8. Förfarande enligt något av patentkraven 1-7, k ä n n e - t e c k n a t a v' att tillstàndsparametern (Z, Zl, Z2) är trycket i området för inloppet till diffusorn.

9. Förfarande enligt något av patentkraven 1-8, k ä n n e - t e c k n a t a v att en börstorhet, som skall jämföras med reglerstorheten, utläses ur en ndnnesyta för kompressorn som minneslagrats i reglerenheten (24, 27).

10. Anordning för reglering av en överladdad förbränningsmo- tor, särskilt en anordning för utövande av förfarandet enligt något av patentkraven 1-9, varvid motorn uppvisar två cylin- derrader (2, 3) och till varje cylinderrad (2, 3) hör en av- gasturboladdare (4, 7), och med en reglerenhet (24), i vilken under hänsynstagande till tillståndsparametrar (Z, Zl, Z2), som utmärker förbränningsmotorns driftstillstånd, är anordnad att alstras en ställsignal (Stl, Stz) för inställning av minst en avgasturboladdare (4, 7), k ä n n e t e c k n a d a v att turbinerna är utrustade med variabel turbingeometri, att i om- rådet för kompressorn (6, 9) är anordnade givare (43) för alstrande av mätsignaler, vilka representerar tillstàndspara- metrarna (Z, Zl, Z2) för motorn, att mätsignalerna är anordnade att föras till reglerenheten (24) och jämföras med ett börvär- de för alstrande av en ställsignal (Stl, Stz), som är avsedd att föras till ett ställorgan (18, 19) som påverkar den vari- abla turbingeometrin, samt att en kommunikationsledning (36) är inrättad mellan ställorganen (18, 19) för den variabla tur- bingeometrin i de bägge turbinerna (5, 8) för utförande av ett signalutbyte.

11. Anordning enligt patentkravet 10, k ä n n e t e c k n a d a v att i området för inloppet (41) till en diffusor (40) i kompressorn (6, 9) är anordnad en tryckgivare (43) för uppta- gande av diffusortrycket. 517 494 11

12. Anordning enligt patentkrav 10 eller 11, ]< ä n 11 e - t e c k n a d a v att en avgasåterföringsanordning (27) är inrättad 'via vilken avgas från avgassystemet kan föras till insugningsröret till förbränningsmotorn (1).

13. Anordning enligt patentkravet 12, k ä n n e t e c k n a d a v att i en återföringsledning (28, 29) till avgasàterfö- ringsanordningen (27) är inrättad en spärrventil (30, 31).

14. Anordning enligt något av patentkraven 10-13, k ä n n e - t e c k n a d a v att insugningsledningarna (10, 11) i in- sugningsröret nedströms de bägge kompressorerna (6, 9) till avgasturboladdarna (4, 7) mynnar i en gemensam insugningsled- ningsanordning (12).

15. Anordning enligt patentkravet 14, k ä n n e t e c k n a d a v att i den gemensamma insugningsledningsanordningen (12) är anordnad en laddluftkylare (13).

16. Anordning enligt något av patentkraven 10-15, k ä n n e - t e c k n a d a v att avgasledningarna (14, 15) till de bäg- ge cylinderraderna (2, 3) till förbränningsmotorn (1) är för- bundna med varandra.