SE516921C2 - Reglerförfarande för tilluftsflödet till en förbränningsmotor samt reglerkrets för utförande av reglerförfarandet - Google Patents

Description

'III_ 30 516 921 2 transmissionssystem sammankopplande turbin, kompressor och utgående axel för överföring av energi mellan turbin och kompressor, mellan turbin och utgående axel samt mellan utgående axel och kompressor, där nämnda transmissionssystem innefattar en varierbar utväxling mellan utgående axel och kompressor och ett kontrollorgan för styming av utväxlingsförhållandet i den varierbara utväxlingen.

Vidare är det känt i samband med kompressonnatade motorer att reglera laddtrycket genom att jämföra uppmätt tryck hos förbränningsmotoms inloppssida med önskat laddtryck beräknat ur givna fordonsdata, såsom exempelvis önskad acceleration, motorvarvtal m.m. regleralgoritmerna omfattar i dessa fall kända regleralgoritrner såsom P (proportionell), PI (proportionell och integrerande), PID (proportionell, integrerande och deriverande) och LQ.

Det har visat sig att de regleralgoritmer som nyttjas vid kompressonnatade system inte är tillförlitliga då de nyttjas för att reglera tillufiflödet till förbränningsmotorer av supercompoundtyp. Detta ger upphov till att reglersystemet blir långsamt och instabilt varvid oönskade tryckfluktuationer uppkommer på förbränningsmotorns inloppssida. På grund av dessa oönskade tryckfluktuationer uppkommer vidare problem med reglering av lufi/bränsle blandning för åstadkommande av korrekta proportioner, vilket är av vikt bland annat för att reducera kväveoxidutsläpp från förbränningsmotorer av dieseltyp.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ett första ändamål med uppfmningen är att tillhandahålla ett reglerförfarande för tillufisflödet till en förbränningsmotor av supercompoundtyp, där reglerförfarandet medger ett snabbt och stabilt reglerförlopp varvid förekomsten av oönskade tryckfluktuationer reduceras.

Nämnda ändamål uppnås genom ett reglerförfarande för tillufisflödet till en förbränningsmotor av supercompoundtyp enligt den kärmetecknade delen av patentkravet l, 7 eller 8. Genom att i reglerförfarandet bilda en styrsignal för kontroll av en variabel transmission mellan åtminstone två av utgående axel, turbin och kompressor ur dels en signal baserad på skillnaden mellan bör- och ärvärde på en tillståndsvariabel i tilluftskanalen, dels ur en signal baserad på rotationshastigheten hos kompressor och/eller turbin erhålles ett reglersystem där hänsyn tas till förändringar av den avsevärda upplagrade rotationsenergin hos turbin och/eller kompressor vilket medför att reglerförfarande minskar risken för att oönskade fluktuationer av tilluftflödet genereras. '_ 30 516 921 3 Ett andra ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en reglerkrets för utförande av reglertörfarandet.

F IGURB ESKRIVNING Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade figurer, där fig. 1 visar en översiktsbild av en lörbränningsmotor av supercompoundtyp, fig. 2 visar schematiskt ett reglersystem enligt uppfinningen och fig. 3 visar en utföringsforrn av momentkompensering enligt reglersystemet visat i figur 2, och fig.4 visar symboliskt energiövertöring i ett supercompoundsystem.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figur l visas en sexcylindrig dieselmotor 1 med en generellt med 2 betecknad turbokompressor, som har en turbindel 3 och en kompressordel 4. Turbokompressom 2 är stelt uppburen av en vid motorns block fastskruvad konsol 6 och har sitt avgasinlopp i turbindelen 3 ansluten till en i avgaskanalen 18 ingående avgasgrenrör 8 via en flexibel anslutning 9 t ex en bälg, som medger viss förskjutning av avgasgrenrörets 8 utlopp i förhållande till turbindelens inlopp orsakade av värmeutvidgning. Kompressordelen 4 är på konventionellt inte närmare visat sätt ansluten till motorns insugningslufiledning (17), t ex via en mellanliggande laddlufikylare.

Motom 1 kan vara utrustad med en schematiskt antydd kompressionsbromsanordning 10, vilken kan vara av det slag, som visas och beskrivs i SE 466 320, och medelst vilken motorns cylindrar under den senare delen av kompressionstakten kan iörbindas med motoms avgasgrenrör för att öka motorbromseffekten. För närmare beskrivning av uppbyggnad och funktion hänvisas således till SE 466 320.

I en utföringsforrn av uppfinníngen är ett transmissionssystem sarnmankopplande turbin, kompressor och utgående axel (7) för överföring av energi mellan turbin och kompressor, mellan turbin och utgående axel samt mellan utgående axel och kompressor, där nämnda transmissionssystem innefattar en variabel transmission mellan åtminstone två av utgående axel, turbin och kompressor och ett kontrollorgan för styrning av den variabla transmissionen, utformat enligt följ ande: Turbokompressorns 2 rotoraxel ll är via en höghastighetsväxel 12, en växel 13 med företrädesvis en steglöst variabel utväxling (s k CVT) och en låghastighetsväxel 14 ansluten till motoms vevaxel (7). I komponentkedj an från rotoraxeln ll till vevaxeln kan ingå en inte visad frikoppling medelst vilken drivförbindelsen mellan rotoraxeln 11 och vevaxeln kan brytas. I höghastighetsväxeln 12 erhålles en första varvtalsreduktion från turboaggregatets arbetsvarvtal omkring 100 000 rpm ned till CVT- växelns 13 arbetsvarvtal omkring 10 000 rpm. I låghastighetsväxeln 14 reduceras varvtalet ytterligare till vevaxelns arbetsvarvtal omkring 2.000 rpm.

I altemativa utföringsformer kan en variabel transmission vara ansluten mellan kompressor och turbin, varvid den utgående axeln kan vara ansluten till kompressor eller turbin antingen via en variabel transmission eller en fast transmission.

I en föredragen utföringsfonn utgörs den variabla tranmissionen av en steglöst variabel mekanisk utväxling. Det är dock även tänkbart att transmissionen innefattar krafiöverföring via styrd elmotor eller hydrodynamiska kopplingar.

Genom att fixera turboaggregatet 2 vid motorblocket på ovan angivet sätt elimineras risk för förändring av inriktningen mellan turboaggregatets och växelns 12 axlar, som annars skulle bli följden vid skillnader i värmeutvidgningen, mellan avgasgrenröret och motorblocket om turboaggregatet vore stelt upphängd i avgasgrenröret på konventionellt sätt.

En styrenhet 15, som företrädesvis är en mikroprocessor, ger utsignaler för till- eller fi-ånslag av den (icke visad) koppling som inkopplar drivningen av turboaggregatet 2 från motorvevaxeln och som kan vara integrerad i CVT-växeln 13. Vidare ger styrenheten 15 signal l9a för inställning av växelns 13 utväxling i beroende av ett antal i styrenheten inmatade motor- och fordonsdata från i och för sig kända, inte närmare visade givare via ~ oøu~ v.. 516 921 inkanaler l9b.

I figur 2 visas ett schema för ett reglersystem 20 vilket avser att generera önskat laddtryck till inloppssidan av förbränningsmotom l. Önskat laddtryck bestäms på sedvanligt sätt ur givna motordata.

I föreliggande utföringsform genereras önskat laddtryck enligt följande: I motoms styrdator 15 är tre funktionsblock anordnade, ett första funktionsblock 22 för kontroll av lufi och bränsleblandning, ett andra funktionsblock 23 för kontroll av motorbromsfinilction och ett tredje funktionsblock 24 för varavtalsbegränsning av kompressom. Indata till det första fiinktionsblocket 22 för kontroll av luft och bränsleblandning innefattar en första signal 25 representerande begärd bränslemängd och en andra signal 26 representerande uppmätt eller beräknat motorvarvtal. Den första signalen 25 representerande begärd bränslemängd bildas på känt sätt från bland annat indata från en (icke visad) gaspedal. Den andra signalen 26 representerande uppmätt eller beräknat motorvarvtal bildas på känt sätt, exempelvis genom en givare vilken avger en signal från ett tandat hjul monterat i anslutning till vevaxel eller karnaxel varvid en pulsad signal vars frekvens utgör ett mått på motorns rotationshastighet. Indata till det andra funktionsblocket 23 för kontroll av motorbromsfunktion innefattar den första signalen 25 representerande begärd bränslemängd och den andra signalen 26 representerande uppmätt eller beräknat motorvarvtal, men även givetvis indata från en (icke visad) motorbromsaktuator, med vilken efterfrågad motorbromseffekt styrs. Indata till det tredje funktionsblocket 24 för varvtalsbegränsning av kompressorn utgörs av den andra signalen 26 representerande motorvarvtalet och en tredje signal 27 representerande rotationshastigheten hos den i förbrärmingsmotorns avgaskanal belägna turbinen. Den tredje signalen bildas på känt sätt genom att en reducerad rotationshastighet hos en genom en variabel utväxling med turbinaxeln förbunden axel uppmäts alternativt att rotationshastigheten uppskattas från givna eller beräknade data avseende tryckförhållande uppströms och nedströms turbinen.

Utsignalerna från de respektive angivna funktionsblocken filtreras därefier i ett filter där utsignalen från det första funktionsblocket 22 för kontroll av lufi och bränsleblandning begränsas av utsignalema från det andra funktionsblocket 23 för kontroll av motorbromsfunktion och det tredje funktionsblocket 24 för varavtalsbegränsning av kompressom. Orsaken till detta är att önskat moment begränsas med hänsyn till övervarvning ='ff= 20 516 921 6 av kompressom samt i fall att insignal givits om att motorbroms skall förekomma. När så denna första filtrering ägt rum transformeras signalen i via ett mapbaserat filter 28 till en fjärde signal för inställning av önskat laddtryck. Den fjärde signalen avseende önskat laddtryck matas in till en PI regulator 30 tillsammans med en signal 37 representerande uppmätt laddtryck hos det styrda systemet 38 för kontroll av utväxlingen mellan utgående axel och kompressor varvid kompressom erhåller avsedd rotationshastighet för generering av ett önskat tillufisflöde som en funktion av den första styrsignalen 32 och den andra styrsignalen 36. Laddtrycket uppmäts på känt sätt genom en sond monterad nedströms kompressom belägen i förbränningsmotoms inlopp.

PI regulatorn genererar därefier en första styrsignal 32 beräknad ur skillnaden mellan önskat och aktuellt laddtryck.

Denna signal kompenseras i en kompensationskrets 33 vilken mottager en utsignal från ett fjärde funktionsblock 34 för beräkning av momentkompensation hos turbin och kompressorsystemet. Detta funktionsblock har till uppgift att beräkna eller uppskatta den påverkan på flödet i förbrärmingsmotorns avgaskanal och inloppskanal som turbin och kompressorsystemets rotationsenergi och krav på tillfört moment till turbin och kompressorsystem för förändring av närrmda rotationsenergi ger upphov till. Detta innebär att det fjärde funktionsblocket uppskattar kravet på respons för att åstadkomma en efterfrågad förändring av rotationshastighet hos kompressor och turbinsystemet. Indata till det fjärde funktionsblocket 34 för beräkning av momentkompensation hos turbin och kompressorsystemet innefattar den första signalen 25 representerande begärd bränslemängd, den andra signalen 26 representerande motorvarvtalet och en tredje signal 27 representerande rotationshastigheten hos den i förbränningsmotoms avgaskanal belägna turbinen. Från det fjärde funktionsblocket ges en andra styrsignal vilken sålunda är baserad på aktuell rotationshastighet hos turbin och eller kompressor.

Den första styrsignalen motsvarar i en utföringsform av uppfinningen det moment skall påföras kompressom utgående från en återkopplad signal baserad på en tillståndsvariabel i tillufiskanalen. Denna tillståndsvariabel utgörs företrädesvis av trycket. Den andra styrsignalen motsvarar i denna utföringsform det störmoment som kompressor, turbin och variabel transmission ger upphov till. so 516 921 7 I detta fall adderas dessa båda signaler för bildandet av en tredje styrsignal motsvarande pålagt moment till kompressor.

I en mer avancerad utföringsfonn av uppfinningen innefattar funktionen vid bildandet av den tredje Styrsignalen vidare parameterval mellan laddtryck, energiåtervinning från avgasström och emissionsvärden och där olika prioritering mellan dessa parametrar kan åstadkommas vid olika drifistillstånd. Detta innebär att motom kan styras mot optimalare värden för avgivande av moment, energiåtervinning eller emissionsvärden alltefter vad en speciell driftssituation kräver.

I kompensationskretsen 33 en bildas en tredje styrsignal 36 för kontroll av utväxlingen mellan utgående axel och kompressor varvid kompressom erhåller avsedd rotationshastighet för generering av ett önskat tillufisflöde som en funktion av den första styrsignalen 32 och den andra Styrsignalen 36.

I figur 3 visas ett reglersystem för framkoppling av den andra Styrsignalen 35. Den andra Styrsignalen 35 är baserad på aktuell rotationshastighet hos turbin och/eller kompressor.

Detta reglersystem motsvaras av det fjärde funktíonsblocket 34 i figur 2. Indata till detta reglersystem innefattar den första signalen 25 representerande begärd bränslemängd, den andra signalen 26 representerande motorvarvtalet och den tredje signalen 27 representerande rotationshastigheten hos den i förbränningsmotoms avgaskanal belägna turbinen. Det fjärde funktionsblocket 34 innefattar två företrädesvis map-baserade reglerkretsar. En map-baserad reglerkrets utgörs av en i och för sig känd reglerkrets där utdata bildas ur en pararneterrymd av indata genom en funktion som definieras av avbildningar mellan in- och utdata som företrädesvis är erfarenhetsbaserade. De två map-baserade reglerkretsama utgörs av en första reglerkrets 40 för beräkning av drivande moment hos turbin och kompressorsystem, samt en andra reglerkrets 41 för beräkning av hur en i turbin och kompressorsysternet ingående variabel transmission påverkar drivande moment hos turbin och kompressorsystem.

Styrsignalen 35 beräknas av reglerkretsen 34 kompenserar för det statiska moment på turbin och kompressorsystemet som uppstår i en given drifipunktavseende motorvarvtal, turbinvarv, kompressorvarv, laddtryck och bränsleflöde då turbinmoment inte exakt överensstämmer med kompressormoment. Genom att kompensera för denna bristande matchning mellan turbin och kompressor uppnås i ett idealtillstånd att styrsignalen 32 enbart behöver tillföra det moment som krävs för att ändra aktuellt rotationstillstånd till det önskade. Indata till den första 516 921 8 reglerkretsen 40 innefattar den första signalen 25 representerande begärd bränslemängd, den andra signalen 26 representerande motorvarvtalet och den tredje signalen 27 representerande rotationshastigheten hos den i förbränníngsmotorns avgaskanal belägna turbinen. Indata till den andra reglerkretsen 41 innefattar den andra signalen 26 representerande motorvarvtalet och den tredje signalen 27 representerande rotationshastigheten hos den i förbränningsmotorns avgaskanal belägna turbinen. Ur dessa indata fastställs läget hos den i turbin och kompressorsystemet ingående variabla transmissionen. Därefter bildas via den första map-baserade reglerkretsen 40 en första utsignal 42 representerande turbinens och kompressoms inverkan på via den variabla transmissionen överfört moment och i den andra map-baserade reglerkretsen 41 en andra utsignal 43 representerande den variabla transmissionens inverkan på över samma transmission överfört moment. Från dessa båda utsignaler bildas i en tredje reglerkrets 44 den ovan nämnda andra styrsignalen 35.

I figur 4 visas schematiskt ett energiöverföringssystem i en supercompoundmotor. Systemet innefattar en turbin 50, en kompressor 51 och en från motorn utgående axel 52. Dessa delar är förbundna via en transmission 53 vilken innefattar en styrbart variabel enhet 54. I detta fall är den variabla utväxlingen anordnad mellan utgåendeaxel 52 och turbin och kompressor vilka är belägna på en gemensam axel 55. För bevaring av moment krävs att MT+ ML+ MD = 0, där MT utgör överfört moment från motoms utgående axel, ML utgör levererat moment från turbin och MD utgör drivande moment på kompressor. MLoch MD fastställs ur indata om rotationshastighet hos turbin och kompressor, bränsletillfórsel och motorvarvtal. Detta gör på ett för fackmannen välkänt sätt, exempelvis genom avbildning av varvtal till moment där nänmda en avbildningsfunktion erhållits genom beräkning och provning på känt sätt.

Uppfinningen är inte begränsad till ovan angivna utföringsexempel utan kan varieras inom ramen för nedanstående patentkrav.

Claims (1)

1. 516 921 9 PATENTKRAV Reglerförfarande för tillufisflödet till en förbränningsmotor innefattande en av förbränningsmotorn driven utgående axel (7), en tillufiskanal (17), en avgaskanal (18), en i nänmda tilluflkanal belägen kompressor (4), en i nämnda avgaskanal belägen turbin (3), ett transmissionssystem (l3,53) sammankopplande turbin, kompressor och utgående axel för överföring av energi mellan turbin och kompressor, mellan turbin och utgående axel samt mellan utgående axel och kompressor, där nämnda transmissionssystem innefattar en variabel transmission mellan åtminstone två av utgående axel, turbin och kompressor och ett kontrollorgan för styrning av den variabla transmissionen, där nämnda förfarande innefattar följ ande steg: - bildande av en första styrsignal som en funktion av skillnaden mellan är- och börvärde hos en tillståndsvariabel i tillufiskanalen, - bildande av en andra styrsignal ur aktuell rotationshastighet hos kompressor och/eller turbin samt bildande av en tredje styrsignal för styrning av nämnda variabla transmission som funktion av den första och den andra styrsignalen. Reglerförfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda transmissionssystem innefattar en mekanisk växellåda med variabel utväxling. Reglerförfarande enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda transmissionssystem innefattar en mekanisk växellåda med steglöst variabel utväxling. Reglerförfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att nämnda transmissionssystem innefattar en variabel transmission mellan den utgående axeln och turbinen. Reglerförfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att den första styrsignalen motsvarar begärt pålagt moment på nämnda variabla transmission beräknad ur skillnaden mellan är och börvärde hos tryckförhållandet i tillufiskanalen, 516 921 /0 att den andra styrsignalen motsvarar stönnomentet från kompressor och/eller turbin beräknad ur aktuell rotationshastighet på kompressor och/eller turbin. Reglerförfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att funktionen vid bildandet av den tredje styrsignalen vidare innefattar parameterval mellan laddtryck, energiåtervinning fiån avgasström och emissionsvärden och där olika prioritering mellan dessa parametrar kan åstadkommas vid olika drifistillstånd. Reglerförfarande för tilluftsflödet till en förbränningsmotor innefattande en av förbränningsmotorn driven utgående axel (7), en tillufiskanal (17), en avgaskanal (18), en i nämnda tillufikanal belägen kompressor (4), en i närrmda avgaskanal belägen turbin (3), ett transmissionssystem (13,53) sammankopplande turbin, kompressor och utgående axel för överföring av energi mellan turbin och kompressor, mellan turbin och utgående axel samt mellan utgående axel och kompressor, där nämnda transmissionssystem innefattar en varierbar utväxling mellan utgående axel och kompressor och ett kontrollorgan för styming av utväxlingsförhållandet i den varierbara utväxlingen, där nämnda förfarande innefattar följ ande steg: - fastställande av önskat laddtryck ur givna fordonsdata - uppmätning av aktuellt laddtryck - beräkning av en första styrsignal ur skillnaden mellan aktuellt och önskat laddtryck kännetecknat av att en andra styrsignal beräknas vilken baseras på aktuell rotationshastighet hos kompressor och/eller turbin och att en tredje styrsignal för kontroll av utväxlingen mellan utgående axel och kompressor varvid kompressorn erhåller avsedd rotationshastighet för generering av ett önskat tillufisflöde bildas som en funktion av den första styrsignalen och den andra styrsignalen. Reglerförfarande för en supercompoundrnotor innefattande genering av en styrsignal till ett i supercompoundmotom ingående variabel transmission där nämnda styrsignal utgör en funktion av en första styrsignal genererad genom 516 921 ll återkoppling av en tillståndsvariabel i en tillufiskanal anordnad vid supercompoundmotom och en andra styrsignal genererad genom fiamkoppling av från aktuellt varvtal hos, vid supercompoundmotom anordnad turbin och/eller kompressor. Reglerkrets för utförandet av ett reglerfórfarande enligt något av föregående patentkrav.