WO2009000807A1 - Regelung eines aufladesystems für brennkraftmaschinen - Google Patents

Regelung eines aufladesystems für brennkraftmaschinen Download PDF

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WO2009000807A1
WO2009000807A1 PCT/EP2008/057957 EP2008057957W WO2009000807A1 WO 2009000807 A1 WO2009000807 A1 WO 2009000807A1 EP 2008057957 W EP2008057957 W EP 2008057957W WO 2009000807 A1 WO2009000807 A1 WO 2009000807A1
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WO
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exhaust gas
adjustable
compressor
geometry
turbochargers
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Daniel Brand
Peter Neuenschwander
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to the field of supercharged by exhaust gas turbochargers internal combustion engines. It relates to the regulation of a charging system for an internal combustion engine with multiple exhaust gas turbochargers.
  • multiple exhaust gas turbocharger or turbocharger groups - ie in series low-pressure and high-pressure exhaust gas turbocharger, with several low-pressure exhaust gas turbochargers in a common high-pressure turbocharger promote or multiple high-pressure turbocharger are fed by a low-pressure exhaust gas turbocharger can - be used in parallel operation.
  • the compressors of the several exhaust gas turbochargers generally convey the compressors air into a common air receiver
  • Deviations in the technical equipment, the size or the performance of the individual exhaust gas turbochargers can lead to different operating states of the exhaust gas turbochargers in stationary or in transient operation. The different operating states can lead to impermissible loads for individual exhaust gas turbochargers, for example due to pumps or due to excessive rotational speeds.
  • turbochargers of the same design are generally used today on an engine.
  • the exhaust gas turbocharger with an electric machine, a variable geometry exhaust gas turbine (VTG), with a compressor blowing (recirculation or blow-off of already compacted Air), with an adjustable compressor pre-wheel, with an adjustable diffuser (VCG - variable compressor geometry) or with a combination thereof.
  • VFG variable geometry exhaust gas turbine
  • VCG variable compressor geometry
  • the regulation according to the invention corrects the deviations of the operating states, compensates for disturbances which act from outside on individual exhaust-gas turbochargers and takes into account the performance differences resulting from the operation or the mounting situation.
  • the regulation according to the invention now makes it possible to control the additional devices in such a way that an undesired drift apart of the operating points of the various exhaust-gas turbochargers operated in parallel is prevented.
  • the scheme is intended to approximate or equalize the operating points of the individual exhaust gas turbochargers, to compensate for disturbances and performance impairments of the exhaust gas turbocharger and optionally set a desired operating point.
  • At least two additional devices are used to operate at least two exhaust gas turbochargers operating in parallel with each other.
  • a first embodiment comprises a control for a supercharging system for an internal combustion engine having a plurality of exhaust gas turbochargers connected in parallel with one another, Wherein at least one of the exhaust gas turbocharger has a turbine with adjustable guide geometry and in which either the at least one exhaust gas turbocharger with the turbine with adjustable guide geometry is connected to an additional drive / output, or at least one exhaust gas turbocharger with an additional drive / output connected is and the rest of the exhaust gas turbochargers each include a turbine with adjustable guide geometry, so that there are two control routes, the first controlled system controls the at least one additional drive / output and the second controlled system, the at least one adjustable guide geometry or controls, with one of the two controlled systems set a reference operating point of the respective exhaust gas turbocharger and the operating points of all exhaust gas turbochargers are approximated or equalized with the second controlled system.
  • a second embodiment comprises a control for a charging system for an internal combustion engine having a plurality of exhaust gas turbochargers connected in parallel, at least one of the exhaust gas turbochargers having a turbine with adjustable guide geometry and in which either the at least one turbocharger with the turbine with adjustable guide geometry with an adjustable compressor geometry or equipped with an adjustable compressor blower, or at least one exhaust gas turbocharger is equipped with an adjustable compressor geometry or a controllable compressor blowing and the remaining exhaust gas turbochargers each comprise a turbine with adjustable guide geometry, so that there are two control paths, wherein the first controlled system controls the at least one compressor geometry or compressor blowing or controls and controls the second controlled system, the at least one adjustable guide geometry, wherein one of the two beid a standard operating point of the respective exhaust gas turbocharger set and the operating points of all exhaust gas turbochargers are approximated or equalized with the second controlled system.
  • a third embodiment comprises a control for a supercharging system for an internal combustion engine having a plurality of exhaust gas turbochargers connected in parallel, at least one of the exhaust gas turbochargers having an adjustable compressor geometry or an adjustable compressor and in which either the at least one exhaust gas turbocharger with the adjustable compressor geometry or the adjustable compressor an additional drive / output is connected, or at least one exhaust gas turbocharger with 4 07/045 is connected to an additional drive / output and the other exhaust gas turbochargers each comprise an adjustable compressor geometry or an adjustable compressor, so that there are two control routes, the first controlled system, the at least one additional drive / output and the second controlled system, the at least one Regulating compressor geometry or compressor, with one of the two control paths set a reference operating point of the respective exhaust gas turbocharger and the operating points of all exhaust gas turbochargers are approximated or equalized with the second controlled system.
  • FIG. 1 shows a charging system with a plurality of exhaust gas turbochargers, one of which is connected to an electric machine and equipped with an adjustable Turbinenleitgeometrie
  • Fig. 2 is a signal flow diagram of the inventive control
  • FIG. 3 shows a supercharging system with a plurality of exhaust gas turbochargers, one of which is connected to an electric machine and the others are equipped with an adjustable turbine guide geometry.
  • FIG. 1 shows a charging system for an internal combustion engine 10 with four exhaust gas turbochargers.
  • Each of the exhaust gas turbochargers comprises a compressor 20 and an exhaust gas turbine.
  • a differentiation is made in the exhaust gas turbines between the conventional exhaust gas turbines 30 and the exhaust gas turbines 31 equipped with adjustable guide geometry.
  • a first exhaust gas turbocharger is connected to an electric machine (motor / generator), with which the exhaust gas turbocharger shaft can either be accelerated or braked. When accelerating electrical energy must be expended, during braking, electrical energy can be obtained.
  • pneumatic or mechanical drives / outputs can be used. This applies analogously 5 07/045 also for the other embodiments.
  • the same exhaust gas turbocharger is equipped with an exhaust gas turbine 31 with adjustable guide geometry.
  • the remaining turbochargers are equipped without additional equipment (electric machine, adjustable turbine guidance geometry).
  • the engine control regulates or controls the power of the electric machine so that either electrical energy is obtained while maintaining a lower limit for the pressure in the air receiver or the exhaust gas turbocharger is driven, so that sets a desired pressure in the air receiver. Due to the intervention of the engine control, the operating point of the exhaust gas turbocharger equipped with the electric machine may be changed inadmissibly.
  • the control according to the invention with the regulator 1 according to FIG. 2 seizes a size of the exhaust gas turbocharger representative of the operating point, eg the volumetric flow (Fref) or the rotational speed in the exhaust gas turbochargers without additional equipment (2nd TL and 3rd TL) , And via an actuator, the position of the turbine vanes (U VTG ) of the exhaust gas turbocharger with electric machine and adjustable turbine guide geometry (TL. 1) so that for this exhaust gas turbocharger the same operating point results as for the other turbochargers without additional equipment.
  • a compressor bypass (bypass) with an adjustable valve or flap can be used (u Byp ).
  • the desired operating point is specified by those exhaust gas turbochargers which are not equipped with adjustable turbine guide geometry.
  • the control compensates for disturbances, such as the unknown electrical power of the electrical machine. If at least the temperature (T VA ) is measured after the compressor, a measure of the compressor efficiency can be determined from this. The compressor efficiency is used to correct the desired operating point so that the control does not unnecessarily shift the operating point of the compressor toward the surge line. Likewise, different geometric dimensions, other thermodynamic parameters and other parameters for the correction of the SoII operating point can be used.
  • the regulation according to the invention comprises two regulators.
  • One of the controllers receives from the control of the internal combustion engine 6 07/045 a signal that is representative of a desired operating point, such as the desired pressure in the air receiver (p re c, ref) - This controller determines the power of the electric machine (U PTI / PTO ) SO, that the desired pressure in the air receiver.
  • Another controller takes over, as described in the first embodiment, the control of the synchronization of the plurality of exhaust gas turbochargers with each other.
  • the two controllers can operate independently of each other or be connected in series as a cascade controller, it does not matter which controller represents the outer or inner cascade.
  • the controllers are robust enough to carry out, since they will affect each other during operation.
  • the two controllers can also be combined in a so-called MIMO controller (multiple input multiple output). In this case, the mutual influence is taken directly into the controller by appropriate design and the stability of the control system is not adversely affected.
  • MIMO controller multiple input multiple output
  • the two controllers can also be reversed so that the desired operating point is adjusted by controlling the adjustable turbine guide.
  • the second control affects the performance of the electric machine with the aim of matching the operating conditions of the individual exhaust gas turbochargers with each other by targeted addition / removal of electrical power.
  • the representative size for the operating point to be set can, in addition to the air receiver pressure, also be the power of the electrical machine, the areas of the turbine guidance geometry or the purging pressure gradient across the engine.
  • the efficiency of the compressor of the individual exhaust gas turbocharger may change differently.
  • parallel operated exhaust gas turbochargers with common air receiver has an efficiency reduction on the compressor of an exhaust gas turbocharger an increase in speed and a reduction in the flow rate of the compressor in question.
  • a change in the efficiency can be determined.
  • the change in the compressor efficiency calculated from the measurement signals serves to determine a corrected SoII operating point of the exhaust gas turbocharger.
  • the regulation then takes over the task of preventing the operating point of the compressor concerned from undesirably moving away from its desired operating point. 7 07/045
  • the efficiency of the exhaust gas turbocharger for each or each of the exhaust gas turbocharger can be determined. It can then be realized a regulation that adjusts the absolute operating point of the exhaust gas turbocharger, for which purpose, a regulator path is provided per exhaust gas turbocharger.
  • FIG. 3 shows a second charging system for an internal combustion engine 10, again with four exhaust gas turbochargers.
  • Each of the exhaust gas turbochargers comprises a compressor 20 and an exhaust gas turbine. Again, a first exhaust gas turbocharger is connected to an electric machine.
  • the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger connected to the electric machine does not have an adjustable guide geometry, but the exhaust gas turbines of all the other exhaust gas turbochargers.
  • the operating point of the first exhaust gas turbocharger which is coupled to the electric machine, depending on the engine operating point and other parameters such as environment, engine or exhaust gas turbocharger pollution, electricity needs of the recipients and electricity production of other producers or power supply depending on the needs of the other recipients and the Output of the generator can be controlled or regulated by the output or drive torque of this machine.
  • the turbine surface of the exhaust gas turbines equipped with adjustable guide geometry is reduced or enlarged in such a way that these exhaust gas turbochargers reach a certain operating point.
  • the operating point of the remaining exhaust-gas turbochargers can thereby be matched to that of the exhaust-gas turbocharger which is coupled to the electric machine.
  • the regulation according to the invention can also be applied to a charging system which consists of two groups of thermodynamically similarly configured ones
  • turbochargers exists. All turbochargers work in parallel.
  • the turbochargers of the first group are either each with an electric machine and a 8 07/045 adjustable turbine guide or only equipped with one electric machine.
  • the exhaust gas turbocharger of the second group are all equipped with an adjustable turbine guide.
  • control can also be applied to charging systems which do not use an electric machine but one or more turbochargers are equipped with adjustable turbine guide.
  • turbochargers are equipped with adjustable turbine guide.
  • the case is to include where an exhaust gas turbocharger with electric machine and adjustable
  • Turbine guide is equipped and all other turbocharger only with adjustable turbine guide.
  • the exhaust gas turbochargers can be of different sizes.
  • one of the parallel-operating high-pressure stages can be equipped with an electric machine and adjustable turbine guide device or, as in the first embodiment, a high-pressure stage equipped with an electric machine and all other high-pressure stages with adjustable turbine guide device.
  • the control is then applied analogously to the 1-stage charging to the high-pressure stages of the 2-stage charging.
  • a charging system with register charging is used.
  • the turbochargers are typically of different sizes and may be switched on or off individually.
  • the control has the task, in particular during transient operating phases, of compensating for the different acceleration behavior of the exhaust gas turbochargers.

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Abstract

Das Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine umfasst mehrere parallel zueinander geschaltete Abgasturbolader Einer der Abgasturbolader verfugt über eine verstellbare Turbine-Leitgeometπe und ist mit einem elektrischen Motor/Generator verbunden Es ergeben sich zwei Regelstrecken, wobei die erste Regelstrecke den Motor/Generator und die zweite Regelstrecke die verstellbare Leitgeometrie regelt Mit einer der beiden Regelstrecken wird ein Referenzbetriebspunkt des einen Abgasturboladers eingestellt und mit der zweiten Regelstrecke wird der Betriebspunkt dieses Abgasturboladers demjenigen der anderen Abgasturbolader angenähert oder angeglichen.

Description

1 07/045
Regelung eines Aufladesystems für Brennkraftmaschinen
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mittels Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschinen. Sie betrifft die Regelung eines Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern.
Stand der Technik
Auf grossen 2- oder 4-Takt Motoren können mehrere Abgasturbolader oder Abgasturboladergruppen - also in Serie geschaltete Niederdruck- und Hochdruck- Abgasturbolader, wobei mehrere Niederdruck-Abgasturbolader in einen gemeinsamen Hochdruck-Abgasturbolader fördern oder mehrere Hochdruck-Abgasturbolader von einem Niederdruck-Abgasturbolader gespiesen werden können - im Parallelbetrieb eingesetzt werden. Die Verdichter der mehreren Abgasturbolader fördern die Verdichter Luft in der Regel in einen gemeinsamen Luftreceiver Abweichungen in der technischen Ausrüstung, der Baugrösse oder der Performance der einzelnen Abgasturbolader können im stationären oder im transienten Betrieb zu unterschiedlichen Betriebszuständen der Abgasturbolader führen. Die unterschiedlichen Betriebszustände können für einzelne Abgasturbolader zu unzulässigen Belastungen, beispielsweise durch Pumpen oder durch zu hohe Drehzahlen, führen. Bei der Aufladung von Brennkraftmaschinen mit mehreren Abgasturboladern oder Abgasturboladergruppen, welche in einen gemeinsamen Luftreceiver fördern kommt es zu Abweichungen der Betriebspunkte der einzelnen Abgasturbolader durch a) ungleiche technische Ausrüstung der Abgasturbolader, und die sich daraus ergebenden ungleichen Belastungen b) durch ungleiche Spezifikation, Baugrösse der Abgasturbolader, 2 07/045 c) durch ungleiche Leistungsdaten der Abgasturbolader oder d) durch sich aus unterschiedlichen Anbausituationen ergebenden Anströmungsund Temperaturbedingungen.
Um solche ungleiche Betriebszustände der einzelnen Abgasturbolader zu vermeiden, werden heute auf einem Motor in der Regel baugleiche Abgasturbolader eingesetzt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Um entweder das Teillastverhalten oder das transiente Verhalten des Systems Motor und Abgasturbolader zu verbessern oder eine Energieauskopplung bei Volllast zu ermöglichen, können die Abgasturbolader mit einer elektrischen Maschine, einer Abgasturbine mit variabler Geometrie (VTG), mit einer Verdichterumblasung (Rückführung oder Abblasung von bereits verdichteter Luft), mit einem verstellbaren Verdichtervorrad, mit einem verstellbaren Diffusor (VCG - variable Verdichtergeometrie) oder mit einer Kombination davon ausgerüstet werden. Bei mehreren parallel arbeitenden Abgasturboladern ist es in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft, nur einen oder einzelne Abgasturbolader mit den oben erwähnten Zusatzeinrichtungen auszurüsten.
Die erfindungsgemässe Regelung korrigiert die Abweichungen der Betriebszustände, kompensiert Störungen die von aussen auf einzelne Abgasturbolader einwirken und berücksichtigt die sich durch den Betrieb oder die Anbausituation ergebenden Performanceunterschiede.
Die erfindungsgemässe Regelung erlaubt nun, die Zusatzeinrichtungen so anzusteuern, dass ein unerwünschtes Auseinanderdriften der Betriebspunkte der verschiedenen, parallel zueinander betriebenen Abgasturbolader verhindert wird. Die Regelung soll die Betriebspunkte der einzelnen Abgasturbolader einander annähern oder angleichen, soll Störungen und Leistungsbeeinträchtigungen der Abgasturbolader kompensieren und gegebenenfalls einen erwünschten Betriebspunkt einstellen.
Erfindungsgemäss werden zum Betreiben von zumindest zwei, parallel zueinander arbeitenden Abgasturbolader mindestens zwei Zusatzeinrichtungen eingesetzt.
Eine erste Ausführungsform umfasst eine Regelung für ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren parallel zueinander geschalteten Abgasturboladern, 3 07/045 wobei mindestens einer der Abgasturbolader über eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie verfügt und bei welchem entweder der mindestens eine Abgasturbolader mit der Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie mit einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist, oder wenigstens ein Abgasturbolader mit einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist und die übrigen Abgasturboladern jeweils eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie umfassen, so dass sich zwei Regelstrecken ergeben, wobei die erste Regelstrecke den mindestens einen zusätzlichen Antrieb/Abtrieb und die zweite Regelstrecke die mindestens eine verstellbare Leitgeometrie regelt oder steuert, wobei mit einer der beiden Regelstrecken ein Referenzbetriebspunkt der entsprechenden Abgasturbolader eingestellt und mit der zweiten Regelstrecke die Betriebspunkte aller Abgasturbolader einander angenähert oder angeglichen werden. Eine zweite Ausführungsform umfasst eine Regelung für ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren parallel zueinander geschalteten Abgasturboladern, wobei mindestens einer der Abgasturbolader über eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie verfügt und bei welchem entweder der mindestens eine Abgasturbolader mit der Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie mit einer verstellbaren Verdichtergeometrie oder einer regulierbaren Verdichterumblasung ausgestattet ist, oder wenigstens ein Abgasturbolader mit einer verstellbaren Verdichtergeometrie oder einer regulierbaren Verdichterumblasung ausgestattet ist und die übrigen Abgasturboladern jeweils eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie umfassen, so dass sich zwei Regelstrecken ergeben, wobei die erste Regelstrecke die mindestens eine Verdichtergeometrie oder Verdichterumblasung regelt oder steuert und die zweite Regelstrecke die mindestens eine verstellbare Leitgeometrie regelt oder steuert, wobei mit einer der beiden Regelstrecken ein Referenzbetriebspunkt der entsprechenden Abgasturbolader eingestellt und mit der zweiten Regelstrecke die Betriebspunkte aller Abgasturbolader einander angenähert oder angeglichen werden.
Eine dritte Ausführungsform umfasst eine Regelung für ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren parallel zueinander geschalteten Abgasturboladern, wobei mindestens einer der Abgasturbolader über eine verstellbare Verdichtergeometrie oder eine regulierbare Verdichterumblasung verfügt und bei welchem entweder der mindestens eine Abgasturbolader mit der verstellbaren Verdichtergeometrie oder der regulierbaren Verdichterumblasung mit einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist, oder wenigstens ein Abgasturbolader mit 4 07/045 einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist und die übrigen Abgasturboladern jeweils eine verstellbare Verdichtergeometrie oder eine regulierbare Verdichterumblasung umfassen, so dass sich zwei Regelstrecken ergeben, wobei die erste Regelstrecke den mindestens einen zusätzlichen Antrieb/Abtrieb und die zweite Regelstrecke die mindestens eine Verdichtergeometrie oder Verdichterumblasung regelt, wobei mit einer der beiden Regelstrecken ein Referenzbetriebspunkt der entsprechenden Abgasturbolader eingestellt und mit der zweiten Regelstrecke die Betriebspunkte aller Abgasturbolader einander angenähert oder angeglichen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Regelung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1 ein Aufladesystem mit mehreren Abgasturboladern, wovon einer mit einer elektrischen Maschine verbunden und mit einer verstellbaren Turbinenleitgeometrie ausgestattet ist, Fig. 2 ein Signalflussbild der erfindungsgemässen Regelung, und
Fig. 3 ein Aufladesystem mit mehreren Abgasturboladern, wovon einer mit einer elektrischen Maschine verbunden ist und die übrigen mit einer verstellbaren Turbinenleitgeometrie ausgestattet sind.
Weg zur Ausführung der Erfindung Fig. 1 zeigt ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine 10 mit vier Abgasturboladern. Jeder der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter 20 sowie eine Abgasturbine. In den Figuren wird bei den Abgasturbinen unterschieden zwischen den herkömmlichen Abgasturbinen 30 und den mit verstellbarer Leitgeometrie ausgestatteten Abgasturbinen 31. Ein erster Abgasturbolader ist mit einer elektrischen Maschine (Motor/ Generator) verbunden, womit die Abgasturboladerwelle entweder beschleunigt oder gebremst werden kann. Beim Beschleunigen muss elektrische Energie aufgewendet werden, beim Abbremsen kann elektrische Energie gewonnen werden. Anstelle einer elektrischen Maschine können auch hydraulische, pneumatische oder mechanische Antriebe/Abtriebe eingesetzt werden. Dies gilt analog 5 07/045 auch für die weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich ist derselbe Abgasturbolader mit einer Abgasturbine 31 mit verstellbarer Leitgeometrie ausgestattet. Die übrigen Abgasturbolader sind ohne Zusatzausrüstung (elektrische Maschine, verstellbare Turbinen-Leitgeometrie) ausgestattet. Die Motorsteuerung regelt oder steuert die Leistung der elektrischen Maschine so, dass entweder elektrische Energie gewonnen wird unter Einhaltung einer unteren Grenze für den Druck im Luftreceiver oder es wird der Abgasturbolader angetrieben, so dass sich ein gewünschter Druck im Luftreceiver einstellt. Durch die Eingriffe der Motorsteuerung wird der Betriebspunkt des mit der elektrischen Maschine ausgestatteten Abgasturboladers möglicherweise unzulässig verändert.
In einer ersten Ausführungsform greift die erfindungsgemässe Regelung mit dem Regler 1 gemäss Fig. 2 eine für den Betriebspunkt repräsentative Grosse des Abgasturboladers, z.B. den Volumenstrom ( Fref ) oder die Drehzahl, bei den Abgasturboladern ohne Zusatzausrüstung (2. TL und 3. TL) ab, und stellt über einen Aktuator die Stellung der Turbinenleitschaufeln (UVTG) des Abgasturboladers mit elektrischer Maschine und verstellbarer Turbinen-Leitgeometrie (1. TL) so, dass für diesen Abgasturbolader derselbe Betriebspunkt resultiert wie für die übrigen Abgasturbolader ohne Zusatzausrüstung. Anstelle einer verstellbaren Turbinen- Leitgeometrie kann auch eine Verdichterumblasung (Bypass) mit einem verstellbaren Ventil oder einer Klappe eingesetzt werden (uByp). Der Soll-Betriebspunkt wird durch diejenigen Abgasturbolader vorgegeben, welche nicht mit verstellbarer Turbinen- Leitgeometrie ausgerüstet sind. Die Regelung kompensiert dabei Störungen, wie die unbekannte elektrische Leistung der elektrischen Maschine. Wird mindestens die Temperatur (TVA) nach Verdichter gemessen, kann daraus ein Mass für den Verdichterwirkungsgrad bestimmt werden. Der Verdichterwirkungsgrad wird herangezogen, um den Soll-Betriebspunkt zu korrigieren, so dass die Regelung den Betriebspunkt des Verdichters nicht unnötigerweise in Richtung Pumpgrenze verschiebt. Ebenso können unterschiedliche geometrische Abmessungen, andere thermodynamischen Kenngrössen und weitere Messgrössen für die Korrektur des SoII- Betriebspunkts herangezogen werden.
In einer zweiten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemässe Regelung zwei Regler. Einer der Regler (Regler 2) erhält von der Steuerung der Brennkraftmaschine 6 07/045 ein Signal, das repräsentativ für einen erwünschten Betriebspunkt ist, beispielsweise der erwünschte Druck im Luftreceiver (prec,ref)- Dieser Regler bestimmt die Leistung der elektrischen Maschine (UPTI/PTO) SO, dass sich der erwünschte Druck im Luftreceiver einstellt. Ein weiterer Regler (Regler 1 ) übernimmt, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, die Regelung des Gleichlaufs der mehreren Abgasturbolader untereinander. Die zwei Regler können unabhängig voneinander operieren oder als Kaskadenregler hintereinander geschaltet werden, wobei gleichgültig ist, welcher Regler die äusser bzw. innere Kaskade darstellt. Die Regler sind genügend robust auszuführen, da sie sich im Betrieb gegenseitig beeinflussen werden. Optional könne die beiden Regler auch in einem sogenannten MIMO-Regler (multiple input multiple Output) vereint werden. Dabei wird die gegenseitige Beeinflussung direkt im Regler durch geeignete Auslegung berücksichtigt und die Stabilität des Regelsystems wird nicht nachteilig beeinflusst.
Die beiden Regler können auch derart vertauscht werden, dass der erwünschte Betriebspunkt durch Regelung der verstellbaren Turbinen-Leitvorrichtung eingestellt wird. Die zweite Regelung wirkt auf die Leistung der elektrischen Maschine mit dem Ziel, durch gezielte Zugabe/ Entnahme von elektrischer Leistung die Betriebszustände der einzelnen Abgasturbolader untereinander anzugleichen.
Die repräsentative Grosse für den einzustellenden Betriebspunkt kann ausser dem Luftreceiverdruck auch die Leistung der elektrischen Maschine, die Flächen der Turbinen-Leitgeometrie oder das Spüldruckgefälle über dem Motor sein.
Im Laufe des Betriebes kann sich der Wirkungsgrad der Verdichter der einzelnen Abgasturbolader unterschiedlich ändern. Bei parallel betriebenen Abgasturboladern mit gemeinsamem Luftreceiver hat eine Wirkungsgradabsenkung am Verdichter eines Abgasturboladers eine Erhöhung der Drehzahl und eine Absenkung des Volumenstromes des betreffenden Verdichters zur Folge. Durch Messung der Temperaturen jeweils nach dem Verdichter (und optional weiterer Grossen) kann eine Änderung des Wirkungsgrades festgestellt werden. Die aus den Messsignalen berechnete Änderung des Verdichterwirkungsgrades dient dazu, einen korrigierten SoII- Betriebspunkt des Abgasturboladers zu bestimmen. Die Regelung übernimmt dann die Aufgabe, zu verhindern, dass der Betriebspunkt des betroffenen Verdichters sich in unerwünschter weise von seinem Soll-Betriebspunkt entfernt. 7 07/045
Bei einer geeigneten Auswahl von Messgrössen kann der Wirkungsgrad der Abgasturbolader für jeden oder einzelne der Abgasturbolader bestimmt werden. Es kann dann eine Regelung realisiert werden, die den absoluten Betriebspunkt der Abgasturbolader einstellt, wobei hierfür pro Abgasturbolader ein Reglerpfad vorzusehen ist.
Fig. 3 zeigt ein zweites Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine 10 mit wiederum vier Abgasturboladern. Jeder der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter 20 sowie eine Abgasturbine. Wiederum ist ein erster Abgasturbolader mit einer elektrischen Maschine verbunden. In diesem Aufladesystem weist jedoch nicht die Abgasturbine des mit der elektrischen Maschine verbundenen Abgasturboladers eine verstellbare Leitgeometrie auf, sondern die Abgasturbinen aller übrigen Abgasturbolader.
Der Betriebspunkt des ersten Abgasturboladers, welcher an die elektrische Maschine gekuppelt ist, kann in Abhängigkeit des Verbrennungsmotorbetriebspunktes und weiterer Parameter wie Umwelt, Motor- oder Abgasturbolader-Verschmutzung, Strombedarf der Bezüger und Stromproduktion anderer Erzeuger oder Stromzufuhr in Abhängigkeit des Bedarfs der übrigen Bezüger und der Leistung der Erzeuger durch das Abtriebs- oder Antriebsmoment dieser Maschine gesteuert respektive geregelt werden.
Damit die übrigen, an keine elektrische Maschine gekuppelten Abgasturbolader im gewünschten Betriebspunkt laufen, wird die Turbinenfläche der mit verstellbarer Leitgeometrie ausgerüsteten Abgasturbinen so verkleinert oder vergrössert, dass diese Abgasturbolader einen bestimmten Betriebspunkt erreichen. Optional kann dadurch der Betriebspunkt der übrigen Abgasturbolader demjenigen des Abgasturboladers, welcher mit der elektrischen Maschine gekuppelt ist, angeglichen werden. Als Alternative ist es auch möglich, die Turbinenfläche in Abhängigkeit des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors etc. vorzugeben und den Abgasturbolader, welcher an eine elektrische Maschine gekoppelt ist, über das Abtriebs- oder Antriebsmoment dieser Maschine zu steuern respektive zu regeln.
Die erfindungsgemässe Regelung kann auch auf Aufladesystem angewandt werden, welche aus zwei Gruppen von in sich thermodynamisch ähnlich konfigurierten
Abgasturboladern besteht. Alle Abgasturbolader arbeiten parallel. Die Abgasturbolader der ersten Gruppe sind entweder mit je einer elektrischen Maschine und einer 8 07/045 verstellbaren Turbinen-Leitvorrichtung oder aber nur mit je einer elektrischen Maschine ausgerüstet. Im zweiten Falle sind die Abgasturbolader der zweiten Gruppe alle je mit einer verstellbaren Turbinen-Leitvorrichtung ausgerüstet.
Die Regelung kann auch auf Aufladesysteme angewendet werden, welche keine elektrische Maschine einsetzen aber ein oder mehrere Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinen-Leitvorrichtung ausgerüstet sind. Ebenso ist der Fall einzubeziehen, wo ein Abgasturbolader mit elektrischer Maschine und verstellbarer
Turbinen-Leitvorrichtung ausgerüstet ist und alle andern Abgasturbolader nur mit verstellbarer Turbinen-Leitvorrichtung. Die Abgasturbolader können von verschiedener Grosse sein.
Bei der 2-stufigen Aufladung kann eine der parallel arbeitenden Hochdruckstufen mit einer elektrischen Maschine und verstellbarer Turbinen-Leitvorrichtung ausgestattet werden oder wie in der ersten Ausführungsform eine Hochdruckstufe mit einer elektrischen Maschine und alle andern Hochdruckstufen mit verstellbarer Turbinen- Leitvorrichtung ausgerüstet werden. Die Regelung wird dann analog der 1 -stufigen Aufladung auf die Hochdruckstufen der 2-stufigen Aufladung angewendet.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Aufladesystem mit Registeraufladung eingesetzt. In diesem Fall sind die Abgasturbolader typischerweise von unterschiedlicher Grosse und können einzeln zu oder weggeschaltet werden. Die Regelung hat insbesondere während transienten Betriebsphasen die Aufgabe, das unterschiedliche Beschleunigungsverhalten der Abgasturbolader zu kompensieren.
9 07/045
Bezugszeichenliste Brennkraftmaschine Luftreceiver Abgasreceiver Verdichter Turbine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie Elektrische Maschine (Motor/Generator)

Claims

10 07/045PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Regelung für ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren parallel zueinander geschalteten Abgasturboladern, wobei mindestens einer der Abgasturbolader über eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie verfügt und bei welchem entweder der mindestens eine Abgasturbolader mit der Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie mit einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist, oder wenigstens ein Abgasturbolader mit einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist und die übrigen Abgasturboladern jeweils eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie umfassen, so dass sich zwei Regelstrecken ergeben, wobei die erste Regelstrecke den mindestens einen zusätzlichen Antrieb/Abtrieb und die zweite Regelstrecke die mindestens eine verstellbare Leitgeometrie regelt oder steuert, wobei mit einer der beiden Regelstrecken ein Referenzbetriebspunkt der entsprechenden Abgasturbolader eingestellt und mit der zweiten Regelstrecke die Betriebspunkte aller Abgasturbolader einander angenähert oder angeglichen werden.
2. Regelung für ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren parallel zueinander geschalteten Abgasturboladern, wobei mindestens einer der Abgasturbolader über eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie verfügt und bei welchem entweder der mindestens eine Abgasturbolader mit der Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie mit einer verstellbaren Verdichtergeometrie oder einer regulierbaren Verdichterumblasung ausgestattet ist, oder wenigstens ein Abgasturbolader mit einer verstellbaren Verdichtergeometrie oder einer regulierbaren Verdichterumblasung ausgestattet ist und die übrigen Abgasturboladern jeweils eine Turbine mit verstellbarer Leitgeometrie umfassen, so dass sich zwei Regelstrecken ergeben, wobei die erste Regelstrecke die mindestens eine Verdichtergeometrie oder Verdichterumblasung regelt oder steuert und die zweite Regelstrecke die mindestens eine verstellbare Leitgeometrie regelt oder steuert, wobei mit einer der beiden Regelstrecken ein Referenzbetriebspunkt der entsprechenden Abgasturbolader eingestellt und mit der zweiten Regelstrecke die Betriebspunkte aller Abgasturbolader einander angenähert oder angeglichen werden. 1 1 07/045
3. Regelung für ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mehreren parallel zueinander geschalteten Abgasturboladern, wobei mindestens einer der Abgasturbolader über eine verstellbare Verdichtergeometrie oder eine regulierbare Verdichterumblasung verfügt und bei welchem entweder der mindestens eine Abgasturbolader mit der verstellbaren Verdichtergeometrie oder der regulierbaren
Verdichterumblasung mit einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist, oder wenigstens ein Abgasturbolader mit einem zusätzlichen Antrieb/Abtrieb verbunden ist und die übrigen Abgasturboladern jeweils eine verstellbare Verdichtergeometrie oder eine regulierbare Verdichterumblasung umfassen, so dass sich zwei Regelstrecken ergeben, wobei die erste Regelstrecke den mindestens einen zusätzlichen Antrieb/Abtrieb und die zweite Regelstrecke die mindestens eine Verdichtergeometrie oder Verdichterumblasung regelt, wobei mit einer der beiden Regelstrecken ein Referenzbetriebspunkt der entsprechenden Abgasturbolader eingestellt und mit der zweiten Regelstrecke die Betriebspunkte aller Abgasturbolader einander angenähert oder angeglichen werden.
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