DE10144663A1 - Internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers and compressor bypass, has engine output torque held essentially constant when opening bypass by internal engine intervention - Google Patents
Internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers and compressor bypass, has engine output torque held essentially constant when opening bypass by internal engine interventionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern mit Verdichterumgehung und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. The invention relates to an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers Compressor bypass and a method for operating such an internal combustion engine the preamble of claim 1.
Aus der DE 199 61 610 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern bekannt. Eine der Abgasturbinen dieser Brennkraftmaschine hat eine variable Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts. Eine solche zweistufig geregelte Aufladung ermöglicht bei einem Diesel- bzw. Ottomotor sehr hohe Mitteldrücke bei niedriger Motordrehzahl darzustellen. Bei hohen Motordrehzahlen und gleichzeitig hohen Mitteldrücken stellen sich allerdings sehr hohe Luftmassenströme am Motor ein, die weit außerhalb des optimalen Betriebsbereichs des Hochdruckturboladers bzw. Hochdruckverdichters liegen. Der Hochdruckverdichter stellt eine Drossel dar und das Verdichtungsverhältnis sinkt unter 1,0. DE 199 61 610 A1 describes an internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers known. One of the exhaust gas turbines of this internal combustion engine has a variable one Turbine geometry for variable adjustment of the effective turbine cross section. A Such two-stage controlled charging makes a lot possible with a diesel or gasoline engine to represent high mean pressures at low engine speed. At high engine speeds and at the same time high medium pressures are very high Air mass flows at the engine that are far outside the optimal operating range of the High pressure turbocharger or high pressure compressor. The high pressure compressor provides one Throttle and the compression ratio drops below 1.0.
In der DE 198 37 978 A1 ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, die eine Hochdruckstufe und eine Niederdruckstufe aufweist. Die Hochdruckturbine dieser Brennkraftmaschine ist ständig wenigstens in einem gewissen Maße durchströmt. Allerdings ist die Hochdruckturbine mit einer Umgehungsleitung ausgestattet, so daß die Hochdruckturbine mittels eines abgasseitigen Ventils umgangen werden kann. Ferner ist in der DE 198 37 978 eine Bypassleitung zum Umfahren des Hochdruckverdichters vorgeschlagen. In dieser Bypassleitung für den Hochdruckverdichter ist ein Rohrschalter angeordnet. Durch diese Verdichterumgehung des Hochdruckverdichters können die genannten Nachteile eines zweistufigen Abgasturboladers beseitigt werden. Die Verdichterumgehung wird bei tiefen Motordrehzahlen geschlossen gehalten und lediglich bei hohen Motordrehzahlen geöffnet. Die Bereitstellung einer solchen Verdichterumgehung für den Hochdruckverdichter ist allerdings mit dem Nachteil verbunden, daß im transienten Motorbetrieb, beispielsweise beim Beschleunigen eines Pkws, ein Öffnen der Verdichterumgehung zu einer schlagartigen Änderung des Spülgefälles am Motor (Differenz aus Ladedruck und Abgasgegendruck im Abgassammler) führt. Die Folge dessen ist ein unstetiger Momentenverlauf, der vom Fahrer als Ruck wahrnehmbar ist. Außerdem kann es gegebenenfalls bei einem Betrieb im Bereich der Schwelle zum Öffnen der Verdichterumgehung zu einem ständigen Öffnen und Schließen der Verdichterumgehung kommen. DE 198 37 978 A1 describes an internal combustion engine, the one Has high pressure stage and a low pressure stage. The high pressure turbine of this Internal combustion engine is constantly flowed through at least to a certain extent. However, that is High pressure turbine equipped with a bypass line so that the High-pressure turbine can be bypassed by means of an exhaust valve. Furthermore, in the DE 198 37 978 a bypass line for bypassing the high pressure compressor proposed. There is a pipe switch in this bypass line for the high pressure compressor arranged. By bypassing the compressor of the high-pressure compressor, the named Disadvantages of a two-stage turbocharger can be eliminated. The The compressor bypass is kept closed at low engine speeds and only at high ones Engine speeds open. The provision of such a compressor bypass for the High pressure compressor is associated with the disadvantage that in the transient Engine operation, for example when accelerating a car, opening the Compressor bypass for a sudden change in the flushing gradient on the engine (difference from boost pressure and exhaust back pressure in the exhaust manifold). The consequence of this is a inconsistent torque curve that the driver can perceive as a jerk. Moreover it may be necessary for the threshold to open when operating Compressor bypass for a constant opening and closing of the Compressor bypass come.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine bereit zu stellen, die die genannten Nachteile im wesentlichen oder gar vollständig beseitigt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. The invention has for its object to provide an internal combustion engine, which substantially or completely eliminates the disadvantages mentioned. This The object is solved by the features of the claims.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, das Öffnen und Schließen der Verdichterumgehung abhängig von einer geeigneten Strategie zu steuern. Dazu sind im Motordrehzahl-Motordrehmoment-Kennfeld der Brennkraftmaschine entsprechende Schwellen zum Öffnen und Schließen der Verdichterumgehung definiert. Eine Steuereinheit steuert das Öffnen bzw. das Schließen der Verdichterumgehung abhängig von einer Öffnungsschwelle bzw. einer Schließschwelle, wobei die beiden Schwellen sich voneinander unterscheiden, d. h. im Kennfeld einen definierten Abstand zueinander haben. Dieser Abstand zwischen den Schwellen bewirkt eine Hysterese, bezüglich der Regelung der Verdichterumgehung. The invention is based on the basic idea of opening and closing the Control compressor bypass depending on an appropriate strategy. For this are in Engine speed-engine torque map of the internal combustion engine corresponding Thresholds for opening and closing the compressor bypass defined. A Control unit controls opening or closing of the compressor bypass depending on an opening threshold or a closing threshold, the two thresholds distinguish from each other, d. H. a defined distance from each other in the map to have. This distance between the thresholds causes a hysteresis with respect to Regulation of the compressor bypass.
Vorzugsweise ist für jeden Gang in der Steuereinheit ein eigener Parametersatz für die Öffnungsschwelle und die Schließschwelle abgelegt. Alternativ dazu sind im Steuergerät zwei unterschiedliche Parametersätze abgelegt, ein Parametersatz für niedrige Gänge und ein Parametersatz für höhere Gänge, beispielsweise ab dem dritten Gang. There is preferably a separate parameter set for each gear in the control unit Opening threshold and the closing threshold filed. Alternatively, in Control unit stored two different parameter sets, one parameter set for low Gears and a parameter set for higher gears, for example from the third gear.
Die Schwellen sind entweder starr oder adaptiv ausgeführt. Im Falle von adaptiven Schwellen erfolgt die Adaption gangabhängig, fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig und/oder zeitabhängig. Beispielsweise erfolgt bei einer längeren Fahrt unter hoher Last mit im wesentlichen stationären Bedingungen eine Verschiebung der Öffnungsschwelle und der Schließschwelle hin in Richtung niedriger Drehzahlen und niedriger Drehmomente im Kennfeld. Alternativ dazu wird lediglich eine der Schwellen verschoben, um dadurch die Hysterese zu beeinflussen. The thresholds are either rigid or adaptive. In the case of adaptive Thresholds, the adaptation is gear-dependent, vehicle speed-dependent and / or time-dependent. For example, during a long journey under high load with essentially steady-state conditions a shift in the opening threshold and the closing threshold towards lower speeds and lower Torques in the map. Alternatively, only one of the thresholds is shifted to thereby influencing the hysteresis.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die schlagartige Änderung des Spülgefälles beim Öffnen der Verdichterumgehung durch motorinterne Maßnahmen kompensiert. Im Falle eines Dieselmotors wird entweder der Einspritzbeginn-Zeitpunkt und/oder die Einspritzmenge geändert. Im Falle eines Ottomotors wird entweder der Zündzeitpunkt, die Kraftstoffmenge und/oder die Drosselklappenstellung verstellt. Durch diese motorinternen Maßnahmen kann das vom Motor abgegebene Moment zum Zeitpunkt der Öffnung der Verdichterumgehung stetig oder gar konstant gehalten werden. Während der Übergang zwischen dem Zustand "Verdichterumgehung offen" und "Verdichterumgehung geschlossen" schlagartig zu erfolgen hat, erfolgt die Nachstellung der genannten Motorparameter Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge beim Dieselmotor bzw. Einspritzmenge, Drosselklappenstellung und Zündzeitpunkt beim Ottomotor rampenförmig, d. h. verzögert. Die Steilheit der Rampe ist dabei abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Motors und der gewählten Strategie, d. h. der aktuellen Lage der Schwellen im Motorkennfeld. Die Anpassung der motorinternen Parameter muß beispielsweise bei einer Volllastbeschleunigung in einem höheren Gang schneller erfolgen als bei einer längeren Fahrt mit stationären Bedingungen, um in Falle der Volllastbeschleunigung die sprunghafte Änderung des Moments unmittelbar und für den Fahrer unmerklich zu kompensieren. Bei einer längeren Fahrt unter im wesentlichen stationären Bedingungen kann der Momentensprung langsamer kompensiert werden. In the internal combustion engine according to the invention, the sudden change in Flushing gradient when opening the compressor bypass through internal engine measures compensated. In the case of a diesel engine, either the injection start time and / or the injection quantity changed. In the case of a gasoline engine, either Ignition timing, the amount of fuel and / or the throttle valve position adjusted. By These internal engine measures can be the torque given off by the engine When the compressor bypass is opened, be kept constant or even constant. During the transition between the state "compressor bypass open" and "Compressor bypass closed" must take place suddenly, the mentioned engine parameters injection time and injection quantity in the diesel engine or injection quantity, throttle valve position and ignition timing for the gasoline engine ramped, d. H. delayed. The slope of the ramp depends on the current one Operating state of the engine and the chosen strategy, d. H. the current situation of the Thresholds in the engine map. The adjustment of the internal engine parameters must for example, when accelerating at full load in a higher gear than on a long journey with stationary conditions, in order to Full load acceleration means the sudden change in torque immediately and for the driver to compensate imperceptibly. For a long drive under essentially steady-state conditions, the moment jump can be compensated more slowly.
Bei geöffneter Verdichterumgehung erfolgt erfindungsgemäß die Ladedruckregelung über die Regelung der Abblaseklappe (Wastegate) an der Niederdruckturbine. Die Ladedruckregelklappe der Hochdruckturbine ist bei geöffneter Verdichterumgehung vollständig geöffnet, so daß dadurch die Hochdruckturbine umgangen wird. When the compressor bypass is open, the charge pressure is regulated according to the invention via the regulation of the blow-off flap (wastegate) on the low-pressure turbine. The Boost pressure control flap of the high pressure turbine is with the compressor bypass open fully opened, thereby bypassing the high pressure turbine.
Zur weiteren Steigerung der Anfahrdynamik wird vorzugsweise während der ersten Phase eines Beschleunigungsvorganges die Abblaseklappe (Wastegate) an der Niederdruckturbine geöffnet. Diese Maßnahme senkt den Gegendruck zur Hochdruckturbine, wodurch sich das Druckgefälle an der Hochdruckturbine vergrößert. Somit steht dem Hochdruckturbolader mehr Energie zur Beschleunigung des Rotors zur Verfügung. Die Folge dessen ist ein schnellerer Motormomentenaufbau zur Folge des beschleunigten Ladedruckaufbaus. To further increase the starting dynamics, preferably during the first Phase of an acceleration process the blow-off flap (wastegate) on the Low pressure turbine opened. This measure reduces the back pressure High-pressure turbine, which increases the pressure drop across the high-pressure turbine. Thus stands the high-pressure turbocharger has more energy available to accelerate the rotor. The result of this is a faster engine torque buildup due to the accelerated boost pressure build-up.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit dem Vorteil verbunden, daß die erfindungsgemäße zweistufige Aufladung mit Verdichterumgehung des Hochdruckverdichters das Drehmomentspektrum beispielsweise eines Dieselmotors erheblich erweitert. Sowohl bei tiefen als auch bei hohen Motordrehzahlen kann der Mitteldruck des abgasturboaufgeladenen Motors erheblich gesteigert werden. Dies ermöglicht die erfindungsgemäße intelligente Steuerung der Verdichterumgehung des Hochdruckverdichters. The internal combustion engine according to the invention has the advantage that the inventive two-stage supercharging bypassing the High pressure compressor, the torque spectrum of a diesel engine, for example extended. Both at low and at high engine speeds, the medium pressure of the exhaust gas turbocharged engine can be increased significantly. This enables the intelligent control of the compressor bypass of the invention High-pressure compressor.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem zweistufigen Abgasturbolader; Fig. 1, an internal combustion engine of a motor vehicle with a two-stage turbocharger;
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regelung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und Fig. 2 is a block diagram of the control of the internal combustion engine according to the invention; and
Fig. 3 ein Motorkennfeld. Fig. 3 shows an engine map.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist eine Reihenanordnung 10 mit 4 Zylindern auf. Mit diesen verbunden ist eine Hochdruckstufe 2 und eine Niederdruckstufe 3. Abgasseitig ist die Hochdruckturbine 6 der Niederdruckturbine 8 vorgeschaltet. Über die von der Hochdruckturbine 6 und der Niederdruckturbine 8 angetriebenen Verdichter 5 bzw. 7 wird Frischluft verdichtet, in dem Ladeluftkühler 13 abgekühlt und anschließend der Frischgasseite des Motors 10 zugeführt. Die Hochdruckturbine 6 ist mit einer Bypassleitung versehen, die über das Ladedruckregelventil 11 geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Die Niederdruckturbine 8 ist ebenfalls mit einem Ventil 12 (Wastegate) versehen, so daß auch die Niederdruckturbine umgangen werden kann. The internal combustion engine 1 shown in Fig. 1 includes a series arrangement 10 with 4 cylinders. A high pressure stage 2 and a low pressure stage 3 are connected to these. The high-pressure turbine 6 is connected upstream of the low-pressure turbine 8 on the exhaust gas side. Fresh air is compressed by the compressors 5 and 7 driven by the high-pressure turbine 6 and the low-pressure turbine 8 , cooled in the charge air cooler 13 and then fed to the fresh gas side of the engine 10 . The high-pressure turbine 6 is provided with a bypass line which can be opened or closed via the boost pressure control valve 11 . The low-pressure turbine 8 is also provided with a valve 12 (wastegate), so that the low-pressure turbine can also be bypassed.
Der Hochdruckverdichter 5 ist mit der erfindungsgemäßen Verdichterumgehung 4 versehen. Auch diese ist in Form eines Rohrschalters ausgeführt. The high-pressure compressor 5 is provided with the compressor bypass 4 according to the invention. This is also in the form of a tube switch.
Von einer Steuereinheit 9, beispielsweise einer digitalen Dieselelektronik DDE werden die Umgehungen 11 und 12 für die Hoch- bzw. Niederdruckturbine 6 bzw. 8 gesteuert und geregelt. Ferner steuert die Steuereinheit 9 die Verdichterumgehung 4. Die Steuereinheit ist ferner über entsprechende Leitungen mit dem Motor 10 und dessen Frischgasseite verbunden. The bypasses 11 and 12 for the high and low pressure turbines 6 and 8 are controlled and regulated by a control unit 9 , for example digital diesel electronics DDE. The control unit 9 also controls the compressor bypass 4 . The control unit is also connected to the engine 10 and its fresh gas side via corresponding lines.
Die Steuereinheit 9 sowie deren Eingangs- und Ausgangssignale sind in Fig. 2 dargestellt. Der Steuereinheit 9 werden in der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 als Eingangsdaten die Motordrehzahl, der Ladedruck, ein Lastsignal sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung gestellt. Auf der Grundlage dieser bereitgestellten Eingangsdaten erkennt die Steuereinheit die momentane Fahrweise, den Lastzustand bzw. den aktuellen Gang und ermittelt auf der Grundlage dieser drei Parameter eine optimale Strategie zum Ansteuern der Verdichterumgehung. Wie bereits erläutert, werden auf der Grundlage der genannten Parameter die Öffnungsschwelle und die Schließschwelle für die Verdichterumgehung geeignet aus den in der Steuereinheit abgelegten Parametersätzen ausgewählt, so daß der Verdichterbypass bzw. die Verdichterumgehung, wenn es die Situation erfordert, schlagartig geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Ferner steuert bzw. regelt die Steuereinheit 9 das Ladedruckregelventil 11 der Hochdruckturbine bzw. das Wastegate der Niederdruckturbine entsprechend an. Im Falle eines Dieselmotors (wie in Fig. 2 dargestellt) steuert die Steuereinheit 9 außerdem den Einspritzbeginn-Zeitpunkt bzw. die Einspritzmenge, um so durch das Öffnen bzw. Schließen der Verdichterumgehung hervorgerufene Momentenänderungen zu kompensieren. The control unit 9 and its input and output signals are shown in FIG. 2. In the preferred embodiment according to FIG. 2, the control unit 9 is provided with the engine speed, the boost pressure, a load signal and the vehicle speed as input data. On the basis of this input data provided, the control unit recognizes the current driving style, the load condition or the current gear and, on the basis of these three parameters, determines an optimal strategy for controlling the compressor bypass. As already explained, on the basis of the parameters mentioned, the opening threshold and the closing threshold for the compressor bypass are suitably selected from the parameter sets stored in the control unit, so that the compressor bypass or the compressor bypass are opened or closed abruptly when the situation requires it can. Further, controls or regulates the control unit 9, the waste gate valve 11 of the high pressure turbine and the wastegate the low pressure turbine accordingly. In the case of a diesel engine (as shown in FIG. 2), the control unit 9 also controls the injection start time or the injection quantity so as to compensate for torque changes caused by the opening or closing of the compressor bypass.
Fig. 3 zeigt ein Motordrehzahl-Motormoment-Kennfeld. Dabei wird der zulässige Betriebsbereich durch die gestrichelte Linie festgelegt. Fig. 3 veranschaulicht den Verlauf der Öffnungsschwelle und der Schließschwelle für die Verdichterumgehung. Die beiden Schwellen sind, wie bereits erläutert, voneinander beabstandet, so daß beim Durchlaufen die Steuerung der Verdichterumgehung einer Hysterese folgt. Bei zunehmender Motordrehzahl bzw. zunehmendem Motordrehmoment wird bei Überschreiten der Schwelle "Schwelle auf" die Verdichterumgehung geöffnet. Nimmt die Motordrehzahl bzw. das Motordrehmoment wieder ab, so wird zunächst die Schwelle "Schwelle auf" durchlaufen, ohne dabei jedoch den Zustand der Verdichterumgehung zu ändern. Erst bei Überschreiten der Schwelle "Schwelle zu" wird die Verdichterumgehung wieder geschlossen. Fig. 3 shows an engine speed-engine torque characteristic map. The permissible operating range is determined by the dashed line. Fig. 3 illustrates the course of the opening and the closing threshold threshold for the compressor bypass. As already explained, the two thresholds are spaced apart from one another, so that the control of the compressor bypass follows a hysteresis when passing through. With increasing engine speed or increasing engine torque, the compressor bypass is opened when the threshold "threshold open" is exceeded. If the engine speed or the engine torque decreases again, the "threshold open" threshold is first run through, but without changing the state of the compressor bypass. The compressor bypass is only closed again when the "Threshold closed" threshold is exceeded.
Die Steuereinheit 9 wirkt abhängig von den erkannten Parametern Fahr Weise, Lastzustand und Gang und der daraus ermittelten optimalen Strategie derart auf die in Fig. 3 dargestellten Schwellen ein, daß beispielsweise bei einer längeren Fahrt unter hoher Last und stationären Bedingungen die beiden Schwellen in Pfeilrichtung "A" hin zu kleineren Motordrehzahlen bzw. kleineren Motormomenten verschoben werden. Dabei werden die beiden Schwellen parallel verschoben. Alternativ wird lediglich eine der beiden Schwellen in Pfeilrichtung "A" verschoben. Dies stellt eine zeitabhängige Steuerung bzw. Adaption der beiden Schwellen dar, da bei Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls für die Stationärfahrt automatisch die Schwellen verschoben werden. Durch diese Adaption bzw. Verschiebung der Öffnungsschwelle und der Schließschwelle für die Verdichterumgehung abhängig von der Erkennung der Fahrweise, des Lastzustandes und des Ganges kann den verschiedenen Rahmenbedingungen (also beispielsweise längere Stationärfahrt unter hoher Last oder Volllastbeschleunigung in höherem Gang) Rechnung getragen werden. The control unit 9 acts on the thresholds shown in FIG. 3 as a function of the detected parameters of driving style, load condition and gear and the optimal strategy determined therefrom such that, for example, during a long trip under high load and stationary conditions, the two thresholds in the direction of the arrow " A "can be shifted towards lower engine speeds or smaller engine torques. The two thresholds are shifted in parallel. Alternatively, only one of the two thresholds is moved in the direction of arrow "A". This represents a time-dependent control or adaptation of the two thresholds, since the thresholds are automatically shifted when a specific time interval for stationary travel has expired. By adapting or shifting the opening threshold and the closing threshold for the compressor bypass depending on the detection of the driving style, the load condition and the gear, the various framework conditions (e.g. longer stationary travel under high load or full load acceleration in higher gear) can be taken into account.
Claims (13)
mindestens einer Hochdruckstufe (2);
mindestens einer Niederdruckstufe (3); und
einer Verdichterumgehung (4) für den Hochdruckverdichter (5) mindestens einer Hochdruckstufe (2);
gekennzeichnet durch
eine Steuereinheit (9), die das Öffnen bzw. Schließen der Verdichterumgehung (4) abhängig von einer Öffnungsschwelle und einer Schließschwelle im Motordrehzahl-Motorlast-Kennfeld steuert, wobei sich die Öffnungsschwelle und die Schließschwelle voneinander unterscheiden,
wobei das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment beim Öffnen der Verdichterumgehung durch motorinterne Eingriffe im wesentlichen stetig gehalten wird. 1. Internal combustion engine with
at least one high pressure stage ( 2 );
at least one low pressure stage ( 3 ); and
a compressor bypass ( 4 ) for the high pressure compressor ( 5 ) of at least one high pressure stage ( 2 );
marked by
a control unit ( 9 ) which controls the opening or closing of the compressor bypass ( 4 ) as a function of an opening threshold and a closing threshold in the engine speed-engine load map, the opening threshold and the closing threshold differing from one another,
wherein the torque emitted by the internal combustion engine is kept essentially constant when the compressor bypass is opened by interventions within the engine.
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