DE10308075A1

DE10308075A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern

Info

Publication number: DE10308075A1
Application number: DE2003108075
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Matthies
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: DE10308075B4

Abstract

Für eine Brennkraftmaschine (1) mit Registeraufladung wird eine Einrichtung und ein Steuerungsverfahren für deren Übergang vom Ein-Laderbetrieb in den Zwei-Laderbetrieb vorgeschlagen. Hierzu ist eine Verbindungsleitung (13) zwischen einer ersten Abgasleitung (10) und einer zweiten Abgasleitung (11) vorgesehen. In dieser Verbindungsleitung (13) ist ein zweites Wastegate (8) angeordnet. Das zweite Wastgate (8) wird mit Erkennen eines zweiten Betriebszustands aktiviert, wodurch der zweite Abgasturbolader (5) in einen Leerlauf-Betrieb versetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Steuerungsverfahren hierfür.

Aus der DE 42 29 722 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Registeraufladung und einem Abgas-Abblaseventil bekannt. Dieses wird im weiteren Text als erstes Wastegate bezeichnet. Bei der Registeraufladung wird ein erster Abgasturbolader permanent betrieben, der sogenannte Ein-Laderbetrieb. Mit Erkennen eines ersten Betriebszustands wird sodann ein zweiter, schaltbarer Abgasturbolader aktiviert, der sogenannte Zwei-Laderbetrieb. Dieser wird aktiviert indem beispielsweise eine Abgassperr-Klappe geöffnet wird. Das erste Wastegate dient als Schutz gegen eine Überlastung der beiden Abgasturbolader. Hierzu ist dieses in einer Umgehungsleitung angeordnet, welche den Abgasstrom am ersten Abgasturbolader vorbeiführt. Bei der Registeraufladung ist der Übergang vom Ein-Laderbetrieb in den Zwei-Laderbetrieb kritisch, da der geförderte Luft-Volumenstrom mit Aktivierung des zweiten Abgasturboladers sinkt. Hierdurch verringert sich ebenfalls ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis und bewirkt beim Laderschalten einen deutlich sichtbaren Rußstoß im Abgas.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine beim Übergang vom Ein-Laderbetrieb in den Zwei-Laderbetrieb zu optimieren.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Die Ausgestaltungen sind in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen dargestellt.

Bei der Erfindung wird eine Verbindungsleitung zwischen den beiden Abgasleitungen, welche zu den Abgasturboladern führen, angeordnet. In dieser Verbindungsleitung wird ein zweites Wastegate zur Steuerung des Abgasstroms vorgesehen. Die Steuerung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der Art ausgeführt, dass mit Erkennen des ersten Betriebszustands das erste Wastegate aktiviert wird, d. h. ein Teil des Abgasstroms wird am ersten Abgasturbolader vorbeigeführt. Zusätzlich wird die Einspritzmenge vergrößert. In diesem ersten Betriebszustand bleibt die Drehzahl des ersten Abgasturboladers auf einem konstanten Wert. Mit Erkennen eines zweiten Betriebszustands wird zum ersten Wastegate zusätzlich das zweite Wastegate in der Verbindungsleitung aktiviert. Hierdurch wird der zweite Abgasturbolader in einen Leerlauf-Betrieb versetzt, d. h. die Turbine beginnt sich zu drehen, die Förderleistung des Verdichters ist jedoch noch Null. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise erkannt, wenn der Abgasstrom einen Grenzwert übersteigt. Der zweite Abgasturbolader wird vollständig aktiviert, wenn dessen Drehzahl einen Grenzwert übersteigt oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einen Grenzwert unterschreitet. Mit Erkennen dieses dritten Betriebszustands werden gleichzeitig die beiden Wastegates deaktiviert.

Die Erfindung bietet als Vorteil, dass die Drehzahl des ersten Abgasturboladers beim Übergang in den Zwei-Laderbetrieb nicht zu stark abfällt. Da der zweite Abgasturbolader nicht aus dem Stillstand beschleunigt werden muss, ist der Übergang beim Schalten des zweiten Abgasturboladers gleichförmiger.

In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild des Gesamtsystems
2 ein Zeitdiagramm
3 einen Programmablaufplan
In 1 ist ein Blockschaltbild des Gesamtsystems dargestellt. Dieses umfasst als wesentliche Komponenten eine Brennkraftmaschine 1 in V-Anordnung, einen ersten Abgasturbolader 4 und einen zweiten Abgasturbolader 5. Die Funktionalität eines Abgasturboladers wird im weiteren Text als bekannt vorausgesetzt. Der erste Abgasturbolader 4 wird im Betrieb permanent über eine erste Abgasleitung 10 von einer ersten Zylinderreihe 2 und zweiten Zylinderreihe 3 mit einem Abgasstrom versorgt. Dies entspricht dem Ein-Laderbetrieb. Der zweite Abgasturbolader 5 ist als Schaltlader ausgeführt. Der Zustand des zweiten Abgasturboladers 5 wird über eine Schalteinrichtung 9 gesteuert, beispielsweise mittels einer Absperr-Klappe. Bei aktivierter Schalteinrichtung 9 wird dem zweiten Abgasturbolader 5 über eine zweite Abgasleitung 11 ein Abgasstrom der zweiten Zylinderreihe 3 zugeführt. Dies entspricht dem Zwei-Laderbetrieb. Zur Kühlung der geförderten Ladeluft sind in den Zuführungs-Leitungen entsprechende Ladeluft-Kühler 6 angeordnet. Zum Schutz der beiden Abgasturbolader ist eine Umgehungsleitung 12 vorgesehen, welche aus der ersten Abgasleitung 10 abzweigt und in eine Abgasleitung stromab des ersten Abgasturboladers 4 mündet. In dieser Umgehungsleitung ist ein erstes Wastegate 7 angeordnet. Die Stellung des Wastegates bestimmt den vorbeigeführten Abgasstrom.
Die Erfindung sieht nun vor, dass aus der ersten Abgasleitung 10 eine Verbindungsleitung 13 abzweigt. Diese mündet in ein Teilstück 14 der zweiten Abgasleitung 11. Wie aus der 1 ersichtlich wird, befindet sich das Teilstück 14 zwischen der Schalteinrichtung 9 und der Turbine des zweiten Abgasturboladers 5. In der Verbindungsleitung 13 ist ein zweites Wastegate 8 angeordnet. Das erste Wastegate 7 und das zweite Wastegate 8 können baulich zu einer Einheit zusammengefasst wer den. Im Ein-Laderbetrieb ist das erste und zweite Wastegate geschlossen. Mit Erkennen eines ersten Betriebszustands, d. h. die Drehzahl des ersten Abgasturboladers 4 übersteigt einen Grenzwert, wird das erste Wastegate 7 geöffnet. Gleichzeitig wird die Einspritzmenge vergrößert. Mit Erkennen eines zweiten Betriebszustands wird dann zusätzlich das zweite Wastegate 8 aktiviert, wodurch aus der ersten Abgasleitung 10 ein geringer Abgasstrom auf die Turbine des zweiten Abgasturboladers 5 geführt wird. Hierdurch wird der zweite Abgasturbolader 5 in einen Leerlauf-Betrieb versetzt, d. h. die Turbine beginnt sich zu drehen ohne dass jedoch der Verdichter Luft fördert. Mit Erkennen eines dritten Betriebszustands wird die Schalteinrichtung 9 vollständig geöffnet. Der zweite Abgasturbolader wird dadurch vollständig aktiviert. Danach werden die beiden Wastegates 7 und 8 deaktiviert. Damit ist das Schalten des zweiten Abgasturboladers 5 beendet.
Die 2 besteht aus den Teilfiguren 2A bis 2E. Diese zeigen jeweils über der Zeit: den Betriebszustand MOD ( 2A), den Schaltzustand des ersten Wastegates WG1 (2B), den Schaltzustand des zweiten Wastegates WG2 (2C), die Drehzahl nATL1 des ersten Abgasturboladers 4 (2D) und die Drehzahl nATL2 des zweiten Abgasturboladers 5 (2E).
Im weiteren Verlauf wird davon ausgegangen, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine und somit der angebotene Abgasstrom sich kontinuierlich vergrößert. Im Zeitraum bis t1 beginnt sich die Drehzahl nATL1 des ersten Abgasturboladers 4 zu erhöhen. Dies entspricht dem Ein-Laderbetrieb. Zum Zeitpunkt t1 übersteigt die Drehzahl nATL1 des ersten Abgasturboladers 4 einen Grenzwert GW. Hierdurch wird der erste Betriebszustand erkannt. In 2A ändert sich daher der Betriebszustand nach MOD1. Mit Erkennen des ersten Betriebszustands wird das erste Wastegate WG1 geöffnet. Hierdurch wird der erste Abgasturbolader 4 vor Überlast geschützt, d. h. dessen Drehzahl nATL1 bleibt auf dem konstanten Drehzahlwert des Grenzwerts GW. Gleichzeitig wird die Einspritzmenge erhöht. Zum Zeit punkt t2 wird ein zweiter Betriebszustand erkannt. Das Signal MOD der 2A ändert seinen Wert von 1 nach 2. Mit Erkennen des zweiten Betriebszustands wird das zweite Wastegate WG2 aktiviert. Dies ist in 2C durch eine ansteigende Rampe dargestellt. Mit Aktivierung des zweiten Wastegates WG2 beginnt sich die Drehzahl nATL2 des zweiten Abgasturboladers 5 zu vergrößern, siehe 2E. Die Förderleistung des zweiten Abgasturboladers 5 bleibt jedoch Null, d. h. er befindet sich im Leerlauf-Betrieb. Ein dritter Betriebszustand wird erkannt, wenn die Drehzahl nATL2 des zweiten Abgasturboladers 5 einen Grenzwert GW zum Zeitpunkt t3 übersteigt. Hierdurch ändert sich der Wert des Signals MOD in 2A von 2 nach 3. Mit Erkennen des dritten Betriebszustands zum Zeitpunkt t3 wird der zweite Abgasturbolader vollständig aktiviert. Gleichzeitig werden die beiden Wastegates WG1 und WG2 geschlossen. Im Zeitraum t3 bis t4 verringert sich die Drehzahl nATL1 des ersten Abgasturboladers 4 und die Drehzahl nATL2 des zweiten Abgasturboladers 5 erhöht sich. Zum Zeitpunkt t4 ist das Laderschalten vollständig beendet.
In 3 ist ein Programmablaufplan dargestellt. Bei S1 wird geprüft, ob die Drehzahl nATL1 des ersten Abgasturboladers 4 einen Grenzwert GW übersteigt. Ist dessen Drehzahl noch kleiner als der Grenzwert GW, so wird bei S2 eine Warteschleife durchlaufen. Übersteigt die Drehzahl nATL1 den Grenzwert GW, so wird der erste Betriebszustand gesetzt (MOD1) und das erste Wastegate WG1 aktiviert, S3. Gleichzeitig wird die Einspritzmenge vergrößert. Danach wird bei S4 geprüft, ob eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Ladeluftdruck oder der Abgasvolumenstrom VOL einen Grenzwert übersteigt. Ist dies nicht der Fall, so wird mit S5 eine Warteschleife durchlaufen. Ist die Abfrage bei S4 positiv, so wird bei S6 der zweite Betriebszustand gesetzt (MOD2). Das zweite Wastegate WG2 wird aktiviert. Hierdurch wird der zweite Abgasturbolader 5 in einen Leerlauf-Betrieb versetzt, d. h. die Turbine beginnt sich zu drehen, die Förderleistung ist jedoch Null. Bei S7 wird geprüft, ob die Drehzahl nATL2 des zweiten Abgasturboladers 5 einen Grenzwert GW übersteigt. Alternativ kann auch geprüft werden, ob ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis LAM einen Grenzwert GW unterschreitet, beispielsweise GW = 1.2. Ist dies nicht der Fall, so wird bei S8 eine Warteschleife durchlaufen. Ist die Abfrage bei S7 positiv, so wird der dritte Betriebszustand erkannt (MOD3) und der zweite Abgasturbolader 5 vollständig aktiviert. Danach werden die beiden Wastegates WG1 und WG2 geschlossen, S10. Damit ist der Programmablaufplan beendet.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ergeben sich für die Erfindung folgende Effekte:

– beim Übergang vom Ein- auf den Zwei-Laderbetrieb wird der Rußstoß deutlich verringert, da die Drehzahl nATL1 des ersten Abgasturboladers 4 nicht so weit abfällt;
– der Übergang ist gleichförmiger, d. h. die Schaltschwingungen werden reduziert;
– die konstruktiven Änderungen bzw. Programm-Ergänzungen sind moderat;
– das Anspruchverhalten des zweiten Abgasturboladers 5 bei vollständi ger Aktivierung wird verbessert.

1: Brennkraftmaschine
2: erste Zylinderreihe
3: zweite Zylinderreihe
4: erster Abgasturbolader (permanent)
5: zweiter Abgasturbolader (schaltbar)
6: Ladeluft-Kühler
7: erstes Wastegate
8: zweites Wastegate
9: Schalteinrichtung
10: erste Abgasleitung
11: zweite Abgasleitung
12: Umgehungsleitung
13: Verbindungsleitung
14: Teilstück

Claims

Einrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten, permanent betriebenen Abgasturbolader (4), welchem über eine erste Abgasleitung (10) ein Abgasstrom zugeführt wird, mit einem zweiten, schaltbaren Abgasturbolader (5), welchem über eine zweite Abgasleitung (11) ein Abgasstrom zugeführt wird, wobei in dieser eine Schalteinrichtung (9) zur Aktivierung des zweiten Abgasturboladers (5) vorgesehen wird, mit einer Umgehungsleitung (12) zum Vorbeiführen des Abgasstroms am ersten Abgasturbolader (4) und mit einem ersten Wastegate (7) zum Steuern des Abgasstromes in der Umgehungsleitung (12), dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten Abgasleitung (10) eine Verbindungsleitung (13) zur zweiten Abgasleitung (11) vorgesehen wird, welche in diese zwischen der Schalteinrichtung (9) und dem zweiten Abgasturbolader (5) mündet und ein zweites Wastegate (8) zur Steuerung des Abgasstroms in der Verbindungsleitung (13) angeordnet wird.
Einrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (7) und zweite Wastegate (8) baulich eine Einheit bilden.
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Erkennen eines ersten Betriebszustands (MOD1) das erste Wastegate (7) aktiviert wird, mit Erkennen eines zweiten Betriebszustands (MOD2) zusätzlich zum ersten Wastegate (7) ein zweites Wastegate (8) aktiviert wird und über die Aktivierung des zweiten Wastegates (8) der zweite Abgasturbolader (5) in einen Leerlauf-Betrieb versetzt wird.
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Erkennen des ersten Betriebszustands (MOD1) eine Einspritzmenge vergrößert wird.
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand (MOD1) erkannt wird, wenn die Drehzahl (nATL1) des ersten Abgasturboladers (4) einen Grenzwert (GW) übersteigt (nATL1 > GW) und der zweite Betriebszustand (MOD2) erkannt wird, wenn der Abgasstrom (V) einen Grenzwert (GW) übersteigt (V > GW).
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand (MOD1) erkannt wird, wenn die Drehzahl (nATL1) des ersten Abgasturboladers (4) einen Grenzwert (GW) übersteigt (nATL1 > GW) und der zweite Betriebszustand (MOD2) erkannt wird, wenn ein Ladeluftdruck (pLL) einen Grenzwert (GW) übersteigt.
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit Erkennen eines dritten Betriebszustands (MOD3) der zweite Abgasturbolader (5) vollständig aktiviert wird indem die Schalteinrichtung (9) aktiviert wird.
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Betriebszustand (MOD3) erkannt wird, wenn die Drehzahl (nATL2) des zweiten Abgasturboladers (5) einen Grenzwert (GW) übersteigt (nATL2 > GW) oder ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (LAM) einen Grenzwert (GW) unterschreitet (LAM < GW).
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit Erkennen des dritten Betriebszustands (MOD3) das erste (7) und zweite Wastegate (8) deaktiviert werden.