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Title:
METHOD FOR REGULATING THE OPERATING POINT OF AN EXHAUST GAS TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/154650
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for regulating the operating point of an exhaust gas turbine (5), having variable inflow geometry, of a combustion engine (1), wherein the inflow geometry of the exhaust gas turbine (5) is set with an actuator using a regulating variable (NF) for the operating point. In order to regulate the operating point of the exhaust gas turbine (5) in a simple manner, it is proposed that the regulating variable (NF) is a function of the charge pressure P2 and a correction factor KF, where: NF = KF x P2. The correction factor KF is a function of the ratio of the pressure in an inlet flow path of the exhaust gas turbine P3 and a reference value X, where: KF = (1/P3) x X. The invention also relates to a control unit (ECU) for carrying out the method according to the invention.

Inventors:
BREITEGGER BERNHARD (AT)
KAMMEL GERNOT (AT)
SCHALK ERWIN (AT)
SCHUTTING EBERHARD (AT)
Application Number:
PCT/AT2016/050080
Publication Date:
October 06, 2016
Filing Date:
March 30, 2016
Export Citation:
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Assignee:
AVL LIST GMBH (AT)
International Classes:
F02D41/00; F02B37/22; F02D41/14
Domestic Patent References:
WO2001055575A12001-08-02
WO2000020746A12000-04-13
Foreign References:
EP2703626A22014-03-05
EP1024272A12000-08-02
US6067800A2000-05-30
Attorney, Agent or Firm:
BABELUK, Michael (AT)
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Claims:
P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Verfahren zur Regelung des Betriebspunktes einer Abgasturbine (5) einer Brennkraftmaschine (1), wobei die Abgasturbine (5) eine variable Anströ- mungsgeometrie aufweist und die Anströmungsgeometrie mit einem Steller über eine Regelgröße (N F) für den Betriebspunkt eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße (NF) eine Funktion des Ladedruckes P2 in einer Ladeluftleitung (2) und eines Korrekturfaktors KF ist, wobei gilt:

NF=KF*P2

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor KF eine Funktion des Verhältnisses des Drucks (P3) in einem Eintrittsströmungsweg (4a) der Abgasturbine (5) und zumindest eines Druckreferenzwertes (X) ist, wobei gilt: KF=(1/P3)*X.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckreferenzwert (X) aus einem der folgenden Werte gewählt wird : Druckwert auf Meeresniveau mit X= l; Druck (P4) im Austrittsströmungsweg (4b) der Abgasturbine (5) ist mit X=P4; Umgebungsdruck Po in der Umgebung der Brennkraftmaschine (1) mit X=Po.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P3) im Eintrittsströmungsweg (4a) der Abgasturbine (5) gemessen oder anhand von anderen Messwerten modelliert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P4) im Austrittsströmungsweg (4b) der Abgasturbine (5) gemessen oder anhand von anderen Messwerten modelliert wird.

6. Steuerungseinheit (ECU) für eine Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einer Abgasturbine mit variabler Anströmungsgeometrie, wobei die Anströmungsgeometrie der Abgasturbine (5) mit einem Steller über eine Regelgröße (NF) für den Betriebspunkt einer Abgasturbine (5) einstellbar ist, zur Durchführung eines Verfahrens zur Regelung des Betriebspunktes der Abgasturbine (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Regelgröße (NF) zumindest ein erster Druckaufnehmer (7) in einer Ladeluftleitung (2) und/oder zumindest ein zweiter Druckaufnehmer (8) in einem Eintrittsströmungsweg (4a) der Abgasturbine (5) und/oder zumindest ein dritter Druckaufnehmer (9) in einem Austrittsströmungsweg (4b) der Abgasturbine (5) und/oder zumindest ein vierter Druckaufnehmer (16) im Bereich der Umgebung der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist/sind.

Description:
Verfahren zur Regelung des Betriebspunktes einer Abgasturbine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Betriebspunktes einer Abgasturbine einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasturbine eine variable An- strömungsgeometrie aufweist und die Anströmungsgeometrie der Abgasturbine mit einem Steller über eine Regelgröße für den Betriebspunkt eingestellt wird . Die Erfindung betrifft weiters eine Steuerungseinheit zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Üblicherweise wird der Betriebspunkt eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG) bzw. Anströmungsgeometrie über einen Sollwert für den Ladedruck eingestellt. Dieser Sollwert wird dabei als Funktion der Last und der Drehzahl aus einem Kennfeld berechnet und über Umgebungsbedingungen (Temperatur, Atmosphärendruck, ...) und Temperatur in der Ladeluftleitung korrigiert oder lim itiert. Für eine kontinuierliche Regelung ist ein stetiger Zusammenhang - ohne Vorzeichenwechsel - zwischen der Änderung der Position des Stellers der variablen Turbinengeometrie und des sich einstellenden Ladedrucks Voraussetzung. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kommt es jedoch zu einer Umkehrung dieses Zusammenhangs, was nachteilige Auswirkungen auf die Regelung hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise in jedem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine den Betriebspunkt eines Abgasturboladers zu regeln .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Regelgröße eine Funktion des Ladedruckes P 2 in einer Ladeluftleitung und eines Korrekturfaktors K F ist, wobei gilt:

N F=K F *P 2 .

Die Erfindung erlaubt damit ein Ausnehmen der Mehrdeutigkeiten in der Regelung des Abgasturboladers und optimales Einstellen des Stellers der variablen Anströmungsgeometrie auf die benötigten Werte.

Vorzugsweise ist der Korrekturfaktor KF dabei eine Funktion des Verhältnisses des Druckes P 3 in einem Eintrittsströmungsweg der Abgasturbine und zumindest eines Druckreferenzwertes X, wobei gilt:

K F =(1/P 3 )*X. In einer Variante der Erfindung wird der Druckreferenzwert X aus einem der folgenden Werte gewählt: Druckwert auf Meeresniveau mit X=l; Druck P 4 im Austrittsströmungsweg der Abgasturbine ist mit X=P 4 ; Umgebungsdruck Po in der Umgebung der Brennkraftmaschine (1) mit X=Po.

Als Regelgröße NF wird somit der Ausdruck X/P 3 *P 2 verwendet, wobei für X verschiedene Druckwerte herangezogen werden können. Die Verwendung dieser Regelgröße ermöglicht es auf einfache und zuverlässige Weise, den Betriebspunkt der Abgasturbine bzw. deren Anströmungsgeometrie zu regeln, insbesondere auch dann, wenn kein stetiger Zusammenhang bzw. eine Änderung des Vorzeichens zwischen der Änderung der Position des Stellers der variablen Turbinenan- strömungsgeometrie und dem sich einstellenden Ladedruck vorliegt.

In weiteren Varianten der Erfindung kann dabei der Druck P 3 im Eintrittsströmungsweg der Abgasturbine gemessen oder anhand von anderen Messwerten modelliert werden. Zur Modellierung können dabei beispielsweise der Druck P 4 im Austrittsströmungsweg der Abgasturbine herangezogen und die Druckdifferenz über die Abgasturbine (P 3 - P 4 ) addiert werden. Vorzugsweise wird dabei diese Druckdifferenz über die Abgasturbine unter Verwendung der Werte von Abgasmassenstrom über die Abgasturbine, Turbinendrehzahl und Stellung der Anströmungsgeometrie (VTG-Stellung) modelliert.

In einer Variante der Erfindung wird der Druck P 4 im Austrittsströmungsweg der Abgasturbine gemessen oder anhand von Messwerten modelliert. Bei der Modellierung kann P 4 durch Addition des Umgebungsdruckes Po und der Druckdifferenz über das Abgasnachbehandlungsystem (P 4 - Po) addiert werden. Vorzugsweise wird dabei diese Druckdifferenz über Abgasnachbehandlungsystem anhand von anderen Messwerten wie z.B. Temperatur im Austrittsströmungsweg, Abgasmassenstrom und Zustand der Abgasnachbehandlung (z.B. Beladung eines DPF) modelliert.

Damit kann das Verfahren mit geringem Materialaufwand in einer Steuereinheit der Brennkraftmaschine durchgeführt werden und Sensoren können teilweise entfallen.

Die Aufgabe der Erfindung lässt sich günstigerweise mit einer eingangs erwähnten Steuerungseinheit für eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens lösen, wobei die Brennkraftmaschine zumindest eine Abgasturbine mit variabler Anströmungsgeometrie aufweist und die Anströmungsgeometrie der Abgasturbine mit einem Steller über eine Regelgröße für den Betriebspunkt einer Abgasturbine einstellbar ist. Zur Ermittlung der Regelgröße ist/sind zumindest ein erster Druckaufnehmer in einer Ladeluftleitung und/ oder zum indest ein zweiter Druckaufnehmer in einem Einlassströmungsweg der Abgasturbine und/oder zum indest ein dritter Druckaufnehmer i n einem Auslass- ström ungsweg der Abgasturbine und/oder zum indest ein vierter Druckaufnehmer im Bereich der Umgebung der Brennkraftmaschine angeordnet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels das in Figuren dargestel lt ist, näher erläutert. Dari n zeigen :

Fig . 1 eine Veranschaulichung der unerwünschten Ladedruckänderung durch Stellung der variablen Turbinenanström ungsgeometrie;

Fig . 2 den Ladedruck über den Öffnungsgrad der variablen Turbinenanström ungsgeometrie;

Fig . 3 die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erm ittelte Regelgröße, aufgetragen über dem Öffnungsgrad der variablen Turbinenanströmungsgeometrie; und

Fig . 4 schematisch eine Brennkraftmaschine samt Steuereinheit für die

Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig . 1 sind exem plarisch der zeitliche Verlauf des Ladedruckes P 2 , der Ein- lassluftmassenstrom ΓΤΙΕ, die Stellung SEGR eines Abgasrückführventi ls und die Stellung SVGT eines Stel lers (nachfolgend auch VTG-Steller) der variablen Turbi ¬ nenanströmgeometrie (VTG) aufgetragen . In Bereichen M P1 und M P2 erfolgt eine unerwünschte Änderung, insbesondere jeweils Abnahme (im mer Änderung in negativer Richtung) des Ladedruckes P 2 durch Änderung der Stel lung des VTG- Stellers sowohl in positiver als auch negativer Richtung .

Wie in Fig . 2 dargestellt ist weist der über den Öffnungsgrad OG der variablen Turbinenanströmgeometrie VGT aufgetragene Verlauf des Ladedruckes P 2 ein Maxim um P 2 M auf, bei dem maximale Verdichtungsleistung des Kompressors er ¬ zielt wird . Ein Wert von OG= 1,0 bedeutet dabei, dass es kaum zu einer Strö ¬ mungsbeeinflussung in der Anström ung der Abgasturbine 5 kommt, so dass dort Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall m in imal sind . Geringe Werte von OG bedeuten im Gegenzug hohe Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Druckabfal l .

Im in Fig . 2 dargestel lten Beispiel tritt das erwähnte Maximu m bei einem Öffnungsgrad OG von 0,4 auf. Die unerwünschte Änderung des Ladedruckes P2 ist nun darauf zurückzuführen, dass es für einen Ladedruckwert - i n Fig . 2 der Wert 1,5 - zwei Öffnungsstel lungen OG beiderseits des Maxim ums P 2 M gibt und des ¬ halb kein eindeutiger Zustand für den Abgasturbolader eingestellt werden kann . In Fig . 3 ist nun die Regelgröße N F über dem Öffnungsgrad OG der variablen Turbinengeometrie für verschiedene Stellungen des EGR-Ventils (20%, 25%, ... 70%, 80% - in Fig . 3 jeweils vermerkt durch den entsprechenden Prozentwert) aufgetragen . Die zugehörige Brennkraftmaschinenanordnung 100 ist in Fig . 4 dargestellt.

Die Regelgröße N F setzt sich erfindungsgemäß aus dem Ladedruck P2 und einem Korrekturfaktor KF zusammen :

N F=K F *P 2 .

Dieser Korrekturfaktor KF wird aus dem umgekehrten Druckverhältnis über der Abgasturbine 5 gebildet. Dabei kommen der Druck P 3 im Eintrittsströmungsweg 4a der Abgasturbine 5 und zumindest ein Druckreferenzwert X nach folgendem Zusammenhang zum Einsatz : KF=(1/P 3 )*X.

X kann dabei aus einem der folgende Werte gewählt werden : Druckwert auf Meeresniveau mit X= l (entspricht 1 bar); Druck P 4 in einem Ausströmungsweg 4b der Abgasturbine mit X= P4; Umgebungsdruck Po in der Umgebung der Brennkraftmaschinenanordnung 100.

Sowohl der Druck P 3 im Eintrittsströmungsweg 4a der Abgasturbine 5 als auch der Druck P 4 im Austrittsströmungsweg 4b der Abgasturbine 5 können dabei entweder direkt gemessen oder anhand anderer Messwerte modelliert werden .

Zur Modellierung des Drucks P 3 im Eintrittsströmungsweg 4a können dabei beispielsweise der bekannte Umgebungsdruck Po und/oder der Druck P 4 im Austrittsströmungsweg 4b herangezogen werden . P 3 wäre dann beispielsweise P 4 + dem Druckabfall über die Abgasturbine 5, der anhand beispielsweise der Temperatur, dem Abgasmassenstrom über die Abgasturbine 5, Turbinendrehzahl und Position des VTG-Stellers ermittelt wird. Der Abgasmassenstrom wird dabei über die gemessenen Frischluft- und Kraftstoffmassen ermittelt.

Ähnlich kann der Druck P 4 aus dem Umgebungsdruck Po und dem Druckabfall über eine eventuell vorhandene Abgasnachbehandlungseinrichtung 15 modelliert werden .

Derartige Modellierungen sind dem Fachmann bekannt; jedenfalls ist nicht die Messung jedes der oben genannten Druckwerte von Nöten, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können .

Im Detail ist der Korrekturfaktor KF in einem Ausführungsbeispiel wie folgt definiert: K F =P 4 /P 3 .

Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, weist die Regelgröße NF über dem dargestellten Öffnungsgrad OG der variablen Turbinenanströmungsgeometrie VTG keine Extremwerte und einen stetigen Verlauf ohne Umkehrung des Vorzeichens auf. Somit ist N F viel besser als Regelgröße geeignet als der Ladedruck P 2 alleine.

Unter Verwendung der Regelgröße NF lässt sich - im Vergleich zu bekannten Verfahren, die sich nur auf den Ladedruck P 2 als Regelgröße stützen - eine viel einfachere und genauere Regelung der variablen Turbinengeometrie über den gesamten Betriebsbereich erreichen.

Die Regelgröße N F setzt sich aus dem Ladedruck P 2 , dem Druck P 3 im Eintrittsströmungsweg 4a der Abgasturbine 5 und dem Druck P 4 im Austrittsströmungsweg 4b der Abgasturbine 5 zusammen.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschinenanordnung 100 mit Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlassstrang 3 vor dem Verdichter 12, einer Ladeluftleitung 2 nach dem Verdichter 12, einer Abgasturbine 5 mit variabler Turbi- nenanströmgeometrie VTG, welche zusammen mit dem Verdichter 12 den Turbolader 6 (strichlierter Kasten um Abgasturbine 5 und Verdichter 12) darstellt und einem Auslassstrang 4. Die Turbinenanströmgeometrie und der zugehörige VTG- Steller sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Im Einlassstrang 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel des Weiteren ein Luftfilter 14 und in der Ladeluftleitung 2 ein Ladeluftkühler 13 vorgesehen. Im Auslassstrang 4 ist stromabwärts der Abgasturbine eine nicht näher erläuterte Abgasnachbehandlungseinrichtung 15 angeordnet. Zwischen Eintrittsströmungsweg 4a der Abgasturbine und Ladeluftleitung 2 verläuft eine EGR-Leitung 10 mit einem EGR-Ventil 11.

Für die Messung des Ladedrucks P 2 , des Drucks P 3 im Eintrittsströmungsweg 4a der Abgasturbine 5 und des Drucks P 4 im Austrittsströmungsweg 4b der Abgasturbine 6 sind Druckaufnehmer 7, 8, 9 vorgesehen, welche mit einer elektronischen Steuerungseinheit ECU verbunden sind. Der erste Druckaufnehmer 7 ist in der Ladeluftleitung 2 angeordnet und misst den Ladedruck P 2 , der zweite Druckaufnehmer 8 zur Messung des Drucks P 3 ist im Eintrittsströmungsweg 4a und der dritte Druckaufnehmer 9 zur Messung des Drucks P 4 im Austrittsströmungsweg 4b angeordnet. Zusätzlich kann ein vierter Druckaufnehmer 16 vorgesehen sein, der den Umgebungsdruck Po in einer Umgebung der Brennkraftmaschinenanordnung außerhalb einer schematisch dargestellten Begrenzung 17 aufnimmt. Wie oben beschrieben sind nicht alle dargestellten Druckaufnehmer 7, 8, 9, 16 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig. Anstatt des dritten Druckaufnehmers 9 kann der Druck P 4 beispielsweise auch mit Hilfe der Messung des Umgebungsdruckes Po und der Modellierung und Messung des Druckabfalles über das nachgeschaltete Abgasnachbehandlungssystem 15 auch modelliert werden. Weiters kann anstatt des zweiten Druckaufnehmers 8 der Druck P 3 auch mit Hilfe von P 4 und dem modellierten Druckabfall über die Turbine berechnet werden.

Die Einstellung der Anströmgeometrie der Abgasturbine 5 und damit Regelung des Betriebspunktes der Abgasturbine 5 erfolgt dann über die Steuerungseinheit ECU, wie durch die strichlierte Linie zwischen Steuerungseinheit ECU und Turbolader 6 dargestellt ist. Weitere Regelungsstrecken wie beispielsweise des EGR- Ventils 11 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.