DE19750445C1

DE19750445C1 - Verfahren zur Steuerung eines VTG-Abgasturboladers

Info

Publication number: DE19750445C1
Application number: DE19750445A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Ing Bischoff; Hermann Hiereth
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: FR2771137B1; FR2771137A1; ITRM980696A1; IT1302405B1; US6089018A; ITRM980696A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer variablen Turbinengeometrie eines Abgasturboladers, welcher eine Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Fahrzeuges auf lädt, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Leistungsabgabe einer Brennkraftmaschine ist propor tional dem Luftdurchsatz und der Dichte der zugeführten Verbrennungsluft und ist daher durch Aufladung, das heißt durch Vorverdichten der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine, gegenüber einer Brennkraft maschine ohne Aufladung und dabei gleichem Brennraumvolumen und Drehzahl erhöhbar. Die Aufladung kann durch einen Ab gasturbolader erfolgen, welcher im wesentlichen aus zwei Strömungsmaschinen besteht, nämlich einer vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine getriebenen Turbine und einem von der Turbine angetriebenen Verdichter, welcher abhängig von seiner Drehzahl einen Frischluftstrom für die Brennkraft maschine vorverdichtet. Die Turbine und der Verdichter sind durch eine Laderwelle verbunden und rotieren synchron. Der Ladedruck stromab des Verdichters und der Abgasdruck strom auf der Turbine sind infolge des Momentengleichgewichtes an der Laderwelle miteinander gekoppelt, wobei infolge des auf den Verdichter wirkenden Ladedruckes der Abgasstrom strom auf der Turbine aufgestaut wird. Der Staudruck des Abgas stromes wird entsprechend einem Druckübersetzungsverhält nis, welches durch die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Turbine und des Verdichters festgelegt ist, in Ladedruck des zur Brennkraftmaschine geförderten Ladeluftstroms über setzt.

Mit zunehmender Leistung der Brennkraftmaschine nimmt der Ladeluftbedarf zu, so daß ein entsprechend höherer Lade druck erzeugt werden muß. Mittels einer variablen Turbi nengeometrie, zum Beispiel durch ein verstellbares Leit gitter, der Turbine kann der Anströmquerschnitt der Turbine und somit die vom Abgasturbolader auf den Ladeluftstrom zu übertragende Staudruckenergie variiert werden. Die Turbi nengeometrie wird in Abhängigkeit von der Betriebslast der Brennkraftmaschine verstellt und kann zwischen der Öff nungsstellung im Leerlauf mit maximalem Anströmquerschnitt und der Schließstellung mit minimalem Anströmquerschnitt jede beliebige Stellung einnehmen. In jedem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine wird die Turbinen geometrie in eine für den jeweils vorliegenden Lastpunkt vorgegebene Betriebsstellung mit einem spezifischen An strömquerschnitt überführt, die einen Ladeluftdurchsatz mit einem minimalen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ergibt. Der Anströmquerschnitt wird dabei mit zunehmender Maschinenleistung reduziert, so daß mit einer entsprechend erhöhten Verdichterleistung der Ladedruck und damit der Ladeluftmassenstrom zur Brennkraftmaschine dem jeweils vor liegenden stationären Betriebszustand angepaßt ist.

Die Steuerung der variablen Turbinengeometrie ermöglicht eine optimale Anpassung des Abgasturboladers und dessen Aufladungsverhaltens an die Brennkraftmaschine im gesamten Lastkennfeld. Dabei erfolgt eine Lastpunkt-individuelle An passung des Ladedruckes mit vorteilhaften Luftverhältnissen bei der Gemischbildung in der Brennkraftmaschine und gerin ger Ladungswechselarbeit.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer mittels eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine ist bei spielsweise aus der DE 195 31 871 C1 bekannt. Das bekannte Verfahren will im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere nach positivem Lastwechsel aus niederen Last- und Drehzahlbereichen heraus die Regelung der Brennkraftmaschine mit einfachen Mitteln ermöglichen, indem durch eine Regelabweichung aus einem Ladedruck-Soll-Wert und einem Ist-Wert des Ladedruckes und durch wenigstens eine weitere Steuergröße mit einer elektronischen Steuereinheit ein Stellstrom ermittelt wird, der dem Stellmotor des Turbinenleitapparates zugeführt wird.

Aus der DE 195 43 190 A1 ist bekannt, die variabel einstellbare Turbinengeometrie des Abgasturboladers einer aufgeladenen Brennkraftmaschine im Motorbremsbetrieb einzusetzen. Bei dem bekannten Motorbremsverfahren wird über die Verstellung des Leitgitters der gewünschte Staudruck vor der Turbine eingestellt.

Die bekannten Steuerverfahren der variablen Turbinengeometrie zeigen jedoch im instationären Betriebszustand des VTG- Abgasturboladers und der aufgeladenen Brennkraftmaschine Nachteile. Insbesondere während längerer Beschleunigungsphasen des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges erfolgt der Aufbau des angeforderten Drehmomentes der Brennkraftmaschine zu langsam, und darüber hinaus ist ein mangelhaftes Rauch stoßverhalten der Brennkraftmaschine feststellbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zur Steuerung einer variablen Turbinengeometrie zu schaffen, welches das instationäre Betriebsverhalten des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine insbesondere während längerer Beschleunigungsphasen des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges verbessert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der schleppende Ladedruck- und Drehmomentenaufbau der Brennkraftmaschine beim Hochbeschleunigen des Fahrzeuges auf eine deutlich höhere Endgeschwindigkeit auf das Absinken der Laderdrehzahl beim lastfreien Betrieb der Brennkraftmaschine während der Schaltpausen zum Wechseln der Fahrstufen des Fahrzeuggetriebes zurückzuführen ist. Ursache des plötzlichen Drehzahlabfalls während der Schaltpausen ist das Überführen der variablen Turbinengeometrie in die Öffnungsstellung, welche dem stationären Leerlauf der Brennkraftmaschine zugeordnet ist und bei bekannten Steuerungen nachteilig auch im lastfreien Schaltpausenbetrieb während des instationären Betriebszustandes der Brennkraft maschine angefahren wird. Wird die Turbinengeometrie wäh rend einer Schaltpause erfindungsgemäß in eine unabhängig von der Betriebslast vorgegebene Schaltpausenstellung ge führt, in der ein reduzierter Anströmquerschnitt der Turbi ne freigegeben ist, so wird dem Absinken der Laderdrehzahl entgegengewirkt. In der Schaltpausenstellung der variablen Turbinengeometrie treibt der Abgasstrom der Brennkraft maschine den Abgasturbolader mit einer dem reduzierten An strömquerschnitt der Turbine entsprechenden Drehzahl an. Der Anströmquerschnitt der Turbine in der Schaltpausen stellung wird derart vorgegeben, daß die mit der Schalt pausenstellung einhergehende Laderdrehzahl das Heraus beschleunigen des Abgasturboladers aus dem Schaltpausen zustand im Vollastbetrieb der folgenden Getriebefahrstufe begünstigt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mittels VTG-Ab gasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Umschaltlogik des Steuergerätes der variablen Turbinengeometrie für den Schaltpausenbetrieb.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, welche ein hier nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug antreibt, wobei im Triebstrang des Kraftfahrzeuges ein mehrgängiges Fahrzeug getriebe sowie eine Triebstrangkupplung angeordnet sind. Die Brennkraftmaschine 1 wird von einem Abgasturbolader 5 aufgeladen. Ein Verdichter 7 des Abgasturboladers 5 ist im Ansaugtrakt 3 der Brennkraftmaschine angeordnet und erzeugt aus der Frischluft 13 komprimierte Ladeluft 15, welche im Einlaßtrakt 3 zum Eintritt in die Zylinder 2 der Brenn kraftmaschine 1 bereitgestellt wird. Der Verdichter 7 ist über eine Laderwelle 21 mit einer Turbine 6 verbunden, wel che im Auslaßtrakt 4 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist und vom Abgasstrom 14 beaufschlagt den Verdichter 7 rotierend antreibt. Die Strömungsenergie des Abgasstromes 14 wird entsprechend dem Verhältnis der jeweiligen Strö mungsquerschnitte der Turbine 6 und des Verdichters 7 auf den vom Verdichter 7 angesaugten Frischluftstrom 13 über tragen. Das Verhältnis der jeweiligen Anströmquerschnitte und damit entsprechend das Verhältnis zwischen Abgasstau druck vor der Turbine 6 und Ladedruck stromab des Verdich ters 7 ist mittels einer variabel verstellbaren Turbinen geometrie beeinflußbar, so daß im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine eine Anpassung der Druckübersetzungsver hältnisse möglich ist. Ein Stellantrieb 9 wirkt dabei auf ein verstellbares Leitgitter 8 der Turbine 6, zum Beispiel einen verstellbaren Leitschaufelkranz, ein.

Die Turbinengeometrie ist in Abhängigkeit der Betriebslast der Brennkraftmaschine 1 zwischen der Öffnungsstellung im Leerlauf, in der ein maximaler Anströmquerschnitt zur Be aufschlagung im Abgasstrom 14 freigegeben wird, und der Schließstellung bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine verstellbar. Jedem stationären Lastpunkt der Brennkraft maschine ist ein bestimmter Anströmquerschnitt der Turbine 6 zugeordnet, welcher mit zunehmender Betriebslast redu ziert ist, wodurch mit einer Erhöhung des Abgasgegendruckes vor der Turbine 6 die Drehzahl des Abgasturboladers 5 und somit die Verdichterleistung erhöht ist. Dem Stellantrieb 9 wird zur Einstellung der Turbinengeometrie ein Tastverhältnis TV_VTG zugeführt, welches als Stromausgangs signal von einer Steuer/Regler-Einheit 10 erzeugt wird. Die Steuer/Regler-Einheit 10 ermittelt aus geeigneten Eingangs größen den angeforderten Lastpunkt und veranlaßt die Über führung der variablen Turbinengeometrie in die für den je weils vorliegenden Lastpunkt vorgegebene Betriebsstellung. Die jeweils einem bestimmten stationären Lastzustand zuge ordneten Betriebsstellungen des Leitgitters 8 und damit der Anströmquerschnitte der Turbine 6 sind in einem Kennfeld 16 elektronisch abgespeichert und von der Steuer/Regler-Ein heit 10 bedarfsweise entnehmbar. Die Bestimmung des Last zustandes der Brennkraftmaschine erfolgt in an sich bekann ter Weise aus geeigneten Motorparametern, welche von seiten eines Betriebsmanagements der Brennkraftmaschine 1 bereit stellbar sind, beispielsweise eines stellungswinkelabhän gigen Betätigungssignals G eines Fahrpedals.

Die Betriebsstellung des Turbinenleitgitters 8 wird im Aus führungsbeispiel geregelt, wobei die Reglereinheit 10 aus dem Kennfeld 16 einen Sollwert zur Durchführung eines Soll/Ist-Wertvergleichs mit der ermittelten Regelgröße aus liest. Als Regelgröße wird im Ausführungsbeispiel der Lade druck P₂ stromab des Verdichters 7 herangezogen, welcher von einem Drucksensor 11 im Einlaßtrakt 3 der Brennkraft maschine 1 fortlaufend gemessen wird. Es kann jedoch auch vorteilhaft als Regelgröße das Druckgefälle zwischen Lade druck im Einlaßtrakt 3 und Abgasgegendruck im Auslaßtrakt 4 herangezogen werden, welches die Gaswechselarbeit der Brennkraftmaschine 1 beeinflußt.

Der VTG-Abgasturbolader 5 kann auch in bekannter Weise im Motorbremsbetrieb arbeiten, wobei die Stellung der Turbi nengeometrie die Gaswechselarbeit der Brennkraftmaschine erhöht und für eine Abbremsung sorgt. Auch die für den Motorbremsbetrieb im voraus ermittelten Einstellungen des Turbinenleitgitters 8 sind zur bedarfsweisen Entnahme im Kennfeld 16 abgelegt. Das Vorliegen des Motorbremsbetriebs wird der Reglereinheit 10 durch Zuleitung entsprechender Eingangssignale, beispielsweise dem Betätigungssignal B eines Bremspedals, angezeigt.

Beim Beschleunigen des Fahrzeuges auf hohe Endgeschwindig keit wird die Turbinengeometrie in den einzelnen Getriebe fahrstufen nahe der Schließstellung gehalten, die für den Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. In den Schaltpausen zum Wechsel der Getriebefahrstufen wird die Turbinengeometrie in eine unabhängig von der Betriebs last vorgegebene Schaltpausenstellung geführt. In der Schaltpausenstellung wird ein reduzierter Anströmquer schnitt der Turbine 6 zur Beaufschlagung durch den Abgas strom 14 freigegeben, wodurch der Abgasturbolader auf hoher Drehzahl gehalten wird und nach Ablauf der kurzen Schalt zeit zur Durchführung des Getriebeschaltvorganges die not wendige Verdichterleistung vorliegt. Ein langsames Be schleunigen des Abgasturboladers aus der Öffnungsstellung der Turbinengeometrie heraus und ein entsprechend langsamer Drehmomentaufbau der Brennkraftmaschine wie aus dem Leer lauf heraus wird ausgeschlossen.

Als Schaltpausenstellung kann eine vorteilhafte Stellung des Turbinenleitgitters 8 festgelegt werden, welche bei jeder Schaltpause eingenommen wird. Vorteilhaft kann die Schaltpausenstellung aus einer im voraus bestimmten Kenn linie in Abhängigkeit einer Schaltdrehzahl in der Brenn kraftmaschine 1 beim Wechsel der Fahrstufen des Fahrzeug getriebes bestimmt werden. Die Schaltkennlinie ist im Kenn feld 16 abgelegt. Die jeweilige Schaltdrehzahl n zum Aus lesen der Schaltpausenkennlinie wird aus einer Drehzahl messung an der Kurbelwelle 12 bestimmt. Besonders vorteil haft kann auch die Schaltpausenstellung des Turbinenleit gitters 6 auf eine vorgegebene Führungsgröße geregelt wer den. Als Regelgröße wird dabei vorteilhaft das Druckgefälle zwischen Ansaugtrakt 3 und Auslaßtrakt 4 der Brennkraft maschine 1 ermittelt. Als Regelgröße der Schaltpausen stellung kann mit Vorteil der gleiche Motorparameter heran gezogen werden, welcher im Lastbetrieb die Regelgröße für die Stellung der variablen Turbinengeometrie bildet.

Die Reglereinheit 10 umfaßt ein Schaltpausen-Modul 17, wel ches während des Schaltvorganges des Getriebes für die Ver bringung des Turbinenleitgitters 8 in die Schaltpausenstel lung sorgt. Wie sich aus der Darstellung des Schaltpausen moduls 17 in Fig. 2 ergibt, umfaßt das Schaltpausenmodul einen Schalter 18, welcher wahlweise das für die Schalt pause vorgesehene Tastverhältnis TV_SCHALT oder das von der Reglereinheit 19 erzeugte geregelte Tastverhältnis TV_REG zum Stellantrieb 9 der variablen Turbinengeometrie durch schaltet.

Das Modul weist eine Umschaltlogik auf, welche den Beginn und das Ende einer Schaltpause durch Auswertung später näher erläuterter Betriebsparameter diagnostiziert und zu Beginn jeder Schaltpause den Schalter 8 in die Schalt pausenstellung SP bringt und einen Signalerzeuger 20 des Schaltpausentastverhältnisses TV_SCHALT mit dem Stellantrieb 9 der Turbinengeometrie signalübertragend verbindet. Nach Erkennen des Endes einer Schaltpause wird in die Normal betriebsstellung B zurückgeschaltet und das geregelte Tast verhältnis TV_REG durchgeschaltet.

In der Umschaltlogik werden wenigstens die folgenden Infor mationen ausgewertet:

- ein Betätigungssignal K einer Triebstrangkupplung, aus dem herleitbar ist, ob die Triebstrangkupplung durch Treten eines Kupplungspedals im Fahrzeug zum Wechseln der Getriebefahrstufe geöffnet ist (+) oder ob sich die Kupplung in der eingekuppelten Betriebsstellung (-) be findet,
- ein Parameter B_VTG mit der Aussage, ob die Brennkraft maschine im Motorbremsbetrieb (+) mit Unterstützung durch die variable Turbinengeometrie arbeitet oder nicht (-),
- das im aktuellen Lastzustand von der Brennkraftmaschine geforderte Soll-Drehmoment M_soll,
- ein vorgegebenes Schaltintervall für die Dauer der Schaltpausen.

Die für den Schaltvorgang notwendige Schaltzeit kann im voraus ermittelt werden. Das Schaltintervall beginnt, wenn ein Wunschmomentgradient M_wu, welcher aus einem für die Be schleunigung des Fahrzeuges angeforderten Drehmoment der Brennkraftmaschine ermittelt wird, eine vorgegebene Gra dientenschwelle übersteigt.

Das Schaltpausenmodul veranlaßt die Überführung des Turbi nenleitgitters in die Schaltpausenstellung, wenn alle fol genden Bedingungen für das Vorliegen der Schaltpause er füllt sind:

1. Die Triebstrangkupplung des Fahrzeuges ist geöffnet (K+).
2. Es liegt kein Motorbremsbetrieb vor (B_VTG-).
3. Es wird kein Soll-Drehmoment von der Brennkraftmaschine gefordert (M_soll = 0).
4. Die Schaltzeit ist nicht abgelaufen (t ≠ 0).

Die Rückschaltung aus dem Schaltpausenzustand SP zur lastabhängigen Steuerung des Turbinenleitgitters erfolgt, wenn die Umschaltlogik bei der Auswertung der Informationen einen oder mehrere der Schalterstellung B zugeordneten Zu stände feststellt und somit eine oder mehrere der folgenden Bedingungen während der Schaltpause erfüllt sind:

1. Das Kupplungspedal im Fahrzeug wird losgelassen und die Triebstrangkupplung geschlossen (K-).
2. Es liegt Motorbremsbetrieb vor (B_VTG+).
3. Die Schaltzeit ist abgelaufen (t = 0).
4. Es wird ein Soll-Drehmoment von der Brennkraftmaschine gefordert (M_soll ≠ 0).

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer variablen Turbinengeo metrie eines Abgasturboladers (5), welcher eine Brenn kraftmaschine (1) zum Antrieb eines Fahrzeuges auflädt, wobei die Turbinengeometrie in Abhängigkeit der Be triebslast der Brennkraftmaschine (2) zwischen der Öff nungsstellung im Leerlauf, in der ein maximaler An strömquerschnitt auf die Turbine (6) des Abgasturbo laders (5) freigegeben wird, und der Schließstellung bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine (1) verstellt und in eine für den jeweils vorliegenden Lastpunkt vor gegebene Betriebsstellung überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinengeometrie wäh rend einer Schaltpause des Lastbetriebes der Brenn kraftmaschine zum Wechsel der Fahrstufe eines Fahrzeug getriebes in eine unabhängig von der Betriebslast vor gegebene Schaltpausenstellung geführt wird, in der ein reduzierter Anströmquerschnitt der Turbine (6) freige geben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Überführung der Turbinengeo metrie in die Schaltpausenstellung, wenn die folgenden Bedingungen für das Vorliegen einer Schaltpause erfüllt sind:

1. eine Triebstrangkupplung des Fahrzeuges ist geöffnet;
2. es liegt kein Motorbremsbetrieb (B_VTG) mit Unterstüt zung der variablen Turbinengeometrie vor;
3. es wird kein Soll-Drehmoment (M_soll) von der Brenn kraftmaschine (1) gefordert;
4. ein aus einem geforderten Drehmoment der Brennkraft maschine (1) ermittelter Wunschmomentgradient (M_wu) übersteigt eine vorgegebene Gradientenschwelle.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dauer der Schalt pause eine Schaltzeit (t) vorgegeben wird, welche bei überschreiten der Gradientenschwelle durch den Wunsch momentgradienten (M_wu) beginnt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Schaltpausenzustand zur lastabhängigen Steuerung der Turbinengeometrie zurückgekehrt wird, wenn eine oder mehrere der folgen den Bedingungen während einer Schaltpause erfüllt sind:

1. die Triebstrangkupplung des Fahrzeuges wird geschlos sen;
2. es liegt Motorbremsbetrieb (B_VTG) vor;
3. die Schaltzeit ist abgelaufen;
4. es wird ein Soll-Drehmoment von der Brennkraftmaschi ne gefordert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine festgelegte Stellung der Turbinengeometrie als Schaltpausenstellung vorge geben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltpausenstellung aus einer im voraus bestimmten Kennlinie in Abhängig keit einer Schaltdrehzahl (n) der Brennkraftmaschine (1) beim Wechsel der Fahrstufen des Fahrzeuggetriebes bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltpausenstellung der Turbinengeometrie auf eine vorgegebene Führungs größe geregelt wird, wobei als Regelgröße das Druckge fälle zwischen Ansaugtrakt (3) und Auslaßtrakt (4) der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird.