SE537850C2 - System och metod för styrning av varvtal hos en turbin - Google Patents

Description

SYSTEM OCH METOD FÖR STYRNING AV VARVTAL HOS EN TURBIN TEKNIKOMRÅDE Föreliggande uppfinning beskriver en metod och ett system for styrning av turbinvarvtalet i en motor med turboladdare som drivs av en turbin med styrbart varvtal, som en turboladdare av VTG-typ (Variable Turbine Geometry).

BAKGRUND Dieselmotorer för tunga fordon som lastbilar och bussar är ibland utrustade med en turboladdare av VTG-typ (Variable Turbine Geometry), vilken även benämns Variable Geometry Turbocharger (VGT).

En VTG-turboladdare består av en turbin med variabel geometri som driver en kompressor, vilken matar komprimerad luft till luftintaget på en förbränningsmotor. Positionen hos VTG kan förändras medan motorn är i drift, med hjälp av ett styrsystem anpassat för styrning av VTG. Positionen till vilken styrsystemet styr VTG bestäms genom motorkalibrering. Motorkalibreringen utförs för att uppfylla emissionsbegränsningar och uppfylla de prestandakrav som tillverkaren ställer. I vissa driftlägen för motorn finns det risk att turbinvarvtalet överskrider maximalt tillåtet varvtal. Ett för högt turbinvarvtalet kan medföra turbinhaveri och är därför viktigt att förhindra. Dessutom skall den styrmetod som används för att förhindra turbinvarvtalet över det maximalt tillåtna turbinvarvtalet även resultera i jämn gång hos motorn.

Befintliga styrmetoder för att undvika ett för högt turbinvarvtal bygger helt enkelt på att avbryta bränsletillförseln till motorn vid risk för ett för högt turbinvarvtal. En sådan styrmetod medför en abrupt störning av effektöverföringen från motorn till det motorfordon som motorn driver.

Därför finns det behov av en metod och ett system för styrning av varvtalet hos turbinen på en VTG-motor, som säkerställer att maximalt turbinvarvtal inte överskrids och som samtidigt förbättrar motorprestanda genom att minimera risken för avbrott i bränsletillförseln.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att beskriva en metod och ett system som kan förebygga for högt turbinvarvtal i en turboladdad förbränningsmotor som driver ett motorfordon som en lastbil eller en buss.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att beskriva en metod och ett system för styrning av varvtalet hos turbinen på en VTG-motor, som säkerställer att maximalt turbinvarvtal inte överskrids och som samtidigt förbättrar motorprestanda genom att minimera risken för avbrott i bränsletillförseln.

Dessa syften, och andra, uppnås med den metod, det system och den datorprogramprodukt som definieras i patentkraven. Därför, för att förhindra övervarvtal hos en styrbar turbin i en turboladdare till en förbränningsmotor anpassad för att driva ett motorfordon, kan systemet anpassas för att börja styra den styrbara turbinen till ett tillstånd avsett att reducera turbinvarvtalet, när detta överskrider en viss första turbinvarvtalsnivå. Motorstyrsystem är vidare anpassat för att styra bränsletillförseln till motorn till ett lägre värde när turbinvarvtalet överskrider en viss andra turbinvarvtalsnivå. Därmed uppnås turbinövervarvtalsskydd utan att bränsletillförseln behöver avbrytas helt.

I enlighet med ett förverkligande anpassas styrsystemet för kombinerad styrning av bränsletillförseln och styrning av en styrbar turbin, som en VTG. Detta resulterar i ett styrsystem som kraftigt reducerar eller helt eliminerar risken att behöva avbryta bränsletillförseln helt för att undvika turbinövervarvtal.

I enlighet med ett förverkligande reduceras bränsletillförseln mera ju högre turbinvarvtalet är. Denna kan till exempel uppnås genom att reducera bränsletillförseln i proportion till skillnaden mellan aktuellt turbinvarvtal och en viss turbinvarvtalsnivå, när turbinvarvtalet överskrider denna turbinvarvtalsnivå. Ett styrsystem som tar hänsyn till den aktuella turbinvarvtalsnivån minskar ytterligare risken att nå ett turbinvarvtal som kräver fullständigt avbrott av bränsletillförseln.

Styrmetoden som används av styrsystemet kan till exempel vara anpassad for styrning av en turbin av typ VTG (Variable Turbine Geometry) eller en annan typ av turbin, mot övervarvtal. Övervarvtal förebyggs genom styrning av både styrsignalen till turbinen och bränsletillforseln som respons på aktuellt turbinvarvtal.

I enlighet med ett förverkligande av föreliggande uppfinning fungerar styrsystemet som används för att förebygga turbinövervarvtal i tre olika driftlägen som respons på aktuellt turbinvarvtal. I det första driftläget, när turbinen överskrider ett första fördefinierat varvtal, anpassas styrsystemet för att reducera turbinvarvtalet genom att ändra VTG-positionen, i fall av en VTG-turboladdare. I det andra driftläget, om turbinvarvtalet överskrider ett andra, fördefinierat, varvtal som är högre än den första turbinvarvtalet, anpassas styrsystemet för att reducera bränsletillförseln till motorn i syfte att reducera turbinvarvtalet. I det tredje driftläget, om turbinvarvtalet når ett tredje, fördefinierat, varvtal som är högre än den andra turbinvarvtalet, anpassas styrsystemet för att avbryta bränsletillförseln till motorn i syfte att reducera turbinvarvtalet. Specifikt kan det tredje fördefinierade varvtalet vara lika med maximalt tillåtet turbinvarvtal.

Med hjälp av metoden och systemet i enlighet med uppfinningen uppnås ett jämnt och robust turbinövervarvtalsskydd, som ger en bättre körupplevelse.

Dessutom, genom att minska risken för att behöva avbryta bränsletillförseln helt minskar eller till och med elimineras risken för upprepade avbrott av bränsletillförseln, så kallad cykling. Upprepade avbrott av bränsletillförseln uppträder om bränsletillförseln avbryts och turbinvarvtalet reduceras, varefter bränsle tillförs på nytt, turbinvarvtalet ökar och når ett varvtal som föranleder nytt bränslematningsavbrott. Sådana upprepade bränslematningsavbrott inverkar negativt på turboladdarens livslängd.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas i närmare detalj genom icke-begränsande exempel och med referens till bifogade ritningar, där: - Fig. 1 är en generell delvy av en av motor, inklusive en turboladdare med VTG - Fig. 2 är en vy som illustrerar olika driftlägen i samband med styrning av turbinvarvtalet - Fig. 3 är en vy av turbinvarvtalsregulatorn - Fig. 4 är ett flödesschema som illustrerar stegen i en styrningsprocedur vid styrning av en förbränningsmotor i syfte att förebygga turbinövervarvtal.

DETALJERAD BESKRIVNING I fig. 1 är valda delar av en motor 100 i ett motorfordon 10 schematiskt avbildade. Motorn som är avbildad i fig. 1 kan till exempel vara avsedd att ingå i en lastbil eller ett annat tungt fordon, som en buss eller liknande. Exempelmotorn 100 i fig. 1 är en dieselmotor som är utrustad med turboladdare och som har fem cylindrar 105. Turboladdaren kan vara av godtycklig typ, till exempel en turboladdare med VTG (Variable Turbine Geometry) eller en annan turboladdare med styrbar turbin, som en turboladdare med avgasport. Turboladdaren har en kompressor 102 som drivs av en turbin 103. Motorn tillförs bränsle från en bränsletank 104.

Motorn styrs av en elektronisk styrenhet (ECU) 106. ECU 106 är ansluten till motorn för att styra motorn. Till exempel kan ECU anpassas för att styra positionen hos VTG, liksom andra parametrar som används för att styra motorn. Dessutom levererar givare sensorsignaler till ECU 106. Utgående från sensorsignalerna från motorfordonet 10 styr ECU 106 motorn med hjälp av minneslagrade datorinstruktioner eller på liknande sätt. Typiskt finns minneslagrade datorinstruktioner i form av en datorprogramprodukt 110, lagrad på ett läsbart digitalt lagringsmedium 108, som ett minneskort, ett läsminne (ROM), ett arbetsminne (RAM), en EPROM, en EEPROM eller ett flashminne.

För att skydda turbinen i VTG mot övervarvtal anpassas styrenheten som styr motorn till att detektera högt och vidta åtgärder innan turbinvarvtalet når ett där det är nödvändigt att avbryta bränsletillförseln för att skydda turbinen mot övervarvtal.

Så som framgår av Fig 2, om turbinvarvtalet når en första nivå anpassas styrsystemet för att detektera detta, och som respons på detekterat högt turbinvarvtal börjar styrenheten justera VTG-positionen till ett mera öppet läge i syfte att reducera turbinvarvtalet. Typiskt kan VTG styras till ett mera öppet eller maximalt öppet läge i syfte att reducera turbinvarvtalet. Om turbinvarvtalet ökar, trots åtgärderna som vidtogs när turbinvarvtalet nådde den första nivå, och når en andra nivå, anpassas styrsystemet för att detektera detta, och som respons på detekterat högt turbinvarvtal, över den andra varvtalsnivån, börjar styrenheten justera bränsletillförseln till motorn, utan att helt avbryta bränsletillförseln. Specifikt kan bränsletillförseln minskas mjukt, för att inte inverka kraftigt på körupplevelsen. Till exempel, när turbinvarvtalet överskrider den andra varvtalsnivån, reduceras bränsletillförseln i proportion till skillnaden mellan aktuellt turbinvarvtal och den andra varvtalsnivån.

Endast som en sista nödåtgärd avbryta bränsletillförseln helt. Detta sker företrädesvis endast om turbinvarvtalet når en tredje nivå, som kan vara lika med maximalt turbinvarvtal, trots de åtgärder som vidtogs när turbinvarvtalet överskred nivå ett och nivå två. Dessutom kan VTG eller avgasporten eller en EGR-ventil öppnas helt.

I fig. 3, visas en vy av en styrenhet anpassad att styra en VTG och motorns bränsletillförsel i enlighet med principerna som angivits ovan, i anslutning till fig. 2. Alltså kan en styrenhet 106, specifikt en elektronisk styrenhet (ECU), anpassas att ta emot aktuellt turbinvarvtal som insignal 301 och dessutom ta emot tre olika turbinvarvtalsnivåer, nivå 1, nivå 2 och nivå 3. Till exempel kan den tredje nivån, nivå 3, motsvara maximalt tillåtet turbinvarvtal, medan nivå 1 och nivå 2 kan motsvara var sin procentsats av varvtalsnivå 3. Till exempel kan nivå 1 motsvara 80 % av varvtalsnivå 3 och nivå 2 kan motsvara 90 % av varvtalsnivå 3. Med aktuellt turbinvarvtal som insignal styr styrenheten 106 VTG och bränsletillförseln så som beskrivs nedan, i anslutning till fig. 4, när turbinvarvtalet når höga värden.

I fig. 4, visas ett flödesschema som illustrerar stegen i en styrningsprocedur, utförd av en styrenhet, vid styrning av en förbränningsmotor i syfte att förebygga turbinövervarvtal. I ett första steg 401 ställs tre olika turbinvarvtal in eller laddas till ett styrsystem i syfte att förebygga turbinövervarvtal, och turbinvarvtalet styrs på normalt sätt. Sedan, i ett andra steg 403 börjar styrenheten kontrollera om aktuellt turbinvarvtal överstiger det första turbinvarvtalet, och om turbinvarvtalet överstiger den första turbinvarvtalsnivån fortsätter proceduren till ett tredje steg 405, och i annat fall återgår den till steg 401.

I det tredje steget 405 börjar styrenheten reducera turbinvarvtalet i ett första driftläge, genom att justera VTG-positionen. Sedan, i ett fjärde steg 407 kontrollerar styrenheten åter turbinvarvtalet. Om turbinvarvtalet i steg 407 understiger den första varvtalsnivån återgår proceduren till steg 401. Om turbinvarvtalet fortfarande överstiger den första nivån men inte den andra kvarstår proceduren i det första driftläget och återgår till steg 405. Om det i steg 407 konstateras att turbinvarvtalet överstiger en andra turbinvarvtalsnivå fortsätter proceduren till ett femte steg 409.

I steg 409 börjar styrenheten reducera turbinvarvtalet i ett andra driftläge, genom att reducera bränsletillförseln till motorn. Denna reduktion av bränsletillförseln kan till exempel genomföras på ett jämnt sätt, så som beskrivs ovan, för att inte orsaka en abrupt förändring i motorns uppträdande. I det andra driftläget, när bränsletillförseln reduceras, är det föredraget men inte nödvändigt att fortsätta styra VTG till en mera öppen position. Sedan, i ett sjätte steg 411 kontrollerar styrenheten åter turbinvarvtalet. Om turbinvarvtalet i steg 411 understiger den andra varvtalsnivån återgår proceduren till steg 405. Om turbinvarvtalet fortfarande överstiger den andra nivån men inte den tredje kvarstår proceduren i det andra driftläget och återgår till steg 409. Om det i steg 411 konstateras att turbinvarvtalet överstiger en tredje turbinvarvtalsnivå fortsätter proceduren till ett sjunde steg 413.

I steg 413 börjar styrenheten reducera turbinvarvtalet i ett tredje driftläge, genom att avbryta bränsletillförseln till motorn. Sedan, i ett åttonde steg 415 kontrollerar styrenheten åter turbinvarvtalet. Om turbinvarvtalet i steg 415 understiger den tredje varvtalsnivån återgår proceduren till steg 409. Om turbinvarvtalet fortfarande överstiger den tredje nivån kvarstår proceduren i det tredje driftläget och återgår till steg 413.

Med hjälp av metoden och systemet som beskrivs här uppnås ett jämnt och robust turbinövervarvtalsskydd, som ger en bättre körupplevelse. Användningen av metoden och systemet så som beskrivs här kommer också att öka turboladdarens livslängd eller eliminera upprepade avbrott av bränsletillförseln som kan orsakas av att turboladdaren når för högt varvtal.

Claims (6)

1. En metod för att styra varvtalet i en turbin (103) i en turboladdare till en förbränningsmotor (100) avsedd att driva ett motorfordon (10), i syfte att förebygga turbinövervarvtal, där turbinen i turboladdaren har styrbart turbinvarvtal och har en variabel turbingeometri (Variable Turbine Geometry), kännetecknad av stegen: - styrning av (405) turbingeometrin till en mera öppen position för att reducera turbinvarvtalet i ett första driftläge när turbinvarvtalet överskrider en viss första turbinvarvtalsnivå; - styrning av (409) bränsletillförseln till förbränningsmotorn (100) till ett lägre värde i ett andra driftläge när turbinvarvtalet överskrider en viss andra turbinvarvtalsnivå, där den andra turbinvarvtalsnivån är högre än den första turbinvarvtalsnivån, varvid bränsletillförseln reduceras i proportion till skillnaden mellan aktuellt turbinvarvtal och den andra turbinvarvtalsnivån; och - avbrott av bränsletillförseln när turbinvarvtalet når en tredje turbinvarvtalsnivå, där nämnda tredje turbinvarvtalsnivå är högre än den andra turbinvarvtalsnivån, och den tredje turbinvarvtalsnivån är lägre än, eller lika med, ett maximalt tillåtet turbinvarvtal.

2. Metoden enligt patentkrav 1, kännetecknad av steget: - styrning av turbingeometrin till en mera öppen position för att reducera turbinvarvtalet i det andra driftläget.

3. Ett system för att styra varvtalet i en turbin (103) i en turboladdare till en förbränningsmotor (100) avsedd att driva ett motorfordon (10), i syfte att förebygga turbinövervarvtal, där turbinen i turboladdaren har ett styrbart turbinvarvtal och har en variabel turbingeometri (Variable Turbine Geometry), kännetecknad av: - en anordning (106) för styrning av turbingeometrin till en mera öppen position för att reducera turbinvarvtalet i ett första driftläge när turbinvarvtalet överskrider en viss första turbinvarvtalsnivå; - en anordning (106) för att styra bränsletillförseln till förbränningsmotorn (100) till ett lägre värde i ett andra driftläge när turbinvarvtalet överskrider en viss andra turbinvarvtalsnivå, där den andra turbinvarvtalsnivån är högre än den första turbinvarvtalsnivån, varvid anordningen (106) reducerar bränsletillförseln i proportion till skillnaden mellan aktuellt turbinvarvtal och den andra turbinvarvtalsnivån; och - en anordning (106) för avbrott av bränsletillförseln när turbinvarvtalet når en tredje turbinvarvtalsnivå, där nämnda tredje turbinvarvtalsnivå är högre än den andra turbinvarvtalsnivån, och den tredje turbinvarvtalsnivån är lägre än, eller lika med, ett maximalt tillåtet turbinvarvtal.

4. Systemet enligt patentkrav 3, kännetecknad av: - en anordning för styrning av turbingeometrin till en mera öppen position för att reducera turbinvarvtalet i det andra driftläget.

5. En datorprogramprodukt (110) för styrning av turbinvarvtalet (103) i en turboladdare till en förbränningsmotor (100) anpassad för drivning av ett motorfordon (10) och förhindra turbinövervarvtal, där turbinen i turboladdaren är en styrbar turbin och har en variabel turbingeometri (Variable Turbine Geometry), kännetecknad av att datorprogramprodukten innehåller programsegment som, då de exekveras på en dator för styrning av förbränningsmotorn (100) får datorn att utföra stegen - styrning av (405) turbingeometrin till en mera öppen position för att reducera turbinvarvtalet i ett första driftläge när turbinvarvtalet överskrider en viss första turbinvarvtalsnivå; - styrning av (409) bränsletillförseln till förbränningsmotorn (100) till ett lägre värde i ett andra driftläge när turbinvarvtalet överskrider en viss andra turbinvarvtalsnivå, där den andra turbinvarvtalsnivån är högre än den första turbinvarvtalsnivån, varvid bränsletillförseln reduceras i proportion till skillnaden mellan aktuellt turbinvarvtal och den andra turbinvarvtalsnivån; och - avbrott av bränsletillförseln när turbinvarvtalet når en tredje turbinvarvtalsnivå, där nämnda tredje turbinvarvtalsnivå är högre än den andra turbinvarvtalsnivån, och den tredje turbinvarvtalsnivån är lägre än, eller lika med, ett maximalt tillåtet turbinvarvtal.

6. Datorprogramprodukten enligt patentkrav 5, kännetecknad av programsegment för: - styrning av turbingeometrin till en mera öppen position för att reducera turbinvarvtalet i det andra driftläget.