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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters einer Verbrennungskraftmaschine.
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Nach
dem Stand der Technik werden zur Erhöhung des Drehmoments von Verbrennungskraftmaschinen
vorgeschaltete Verdichter eingesetzt. Durch einen Verdichter wird
eine Vorkomprimierung der zugeführten
Frischluft und damit eine Erhöhung der
Zylinderfüllung
bewirkt, die sich in einer vorteilhaften Leistungssteigerung der
Verbrennungskraftmaschine auswirkt. In der Bauform von Abgasturboladern
wird ein Verdichter durch den Abgasstrom angetrieben. Um aber überhaupt
Frischluft fördern
zu können,
muss für
Abgasturbolader auch ein ausreichender Abgasstrom zur Verfügung stehen.
Gerade im Bereich niedriger Drehzahlen zeigt ein Abgasturbolader
damit vom Prinzip her auf Grund des geringen Abgasstromes eine wesentlich
zu geringe Wirkung.
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Zur
Abdeckung auch des Niedrig-Drehzahlbereiches einer Verbrennungskraftmaschine
ist daher die Verwendung eines elektrisch angetriebenen Laders vorgeschlagen
worden. Bekannte Lösungen zur
Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Laders bzw. eines E-Verdichters
arbeiten mit Kennlinienfeldern. In diese Kennlinienfelder fließen diverse Größen aus
der Motorsteuerung ein, wobei die Kennlinienfelder in aufwändigen Versuchen
erstellt und/oder appliziert werden müssen, da sie im Wesentlichen
auf empirischen Ansätzen
beruhen. Da es prinzipiell kaum möglich ist, ein Kennlinienfeld
auf der Basis von Versuchen für
jeden einzelnen Betriebspunkt zu ermitteln, werden Betriebspunkte
in der Regel auf der Basis von Näherungsverfahren
ermittelt. Hiermit kann ein optimaler Betrieb eines elektrischen Laders
mit einer Verbrennungskraftmaschine jedoch nur in sehr grober Näherung erreicht
werden.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die im Hinblick
auf ihren Entwicklungsaufwand geringer und im Bezug auf die Einstellung
von jeweils Wirkungsgrad-optimalen Arbeitspunkten elektrischer Verdichter
zuverlässiger sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gelöst,
bei dem die Größen einer
geforderten Verdichterleistung und einer benötigten Verdichterdrehzahl auf
der Basis eines Modells als Funktion eines jeweils gewünschten
Aufladungsgrades und eines erforderlichen Luft-Massenstromes bestimmt
werden. Dabei beruht die gewählte
Modellierung auf einem für
das Verhältnis
der beteiligten Größen zueinander
ursächlichen
und auf der Physik des Systems basierenden Ansatz. Auch stellt eine
Vorrichtung zur Umsetzung eines derartigen Verfahrens eine Lösung dieser
Aufgabe dar, wobei in der Vorrichtung eine Recheneinheit mit einem
Modell vorgesehen ist, das mit Mitteln zum Bestimmen von Betriebsgrößen des
elektrisch angetriebenen Verdichters aus Eingangsgrößen verbunden
ist.
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Als
Erweiterung des Eingangsparametersatzes werden in einer Weiterbildung
der Erfindung auch ein Umgebungsdruck und eine Umgebungs- bzw. Ansauglufttemperatur
als Eingangsgrößen des Modells
verwendet. Damit werden aktuelle klimatische Gegebenheiten in einem
Maß abgebildet,
wie sie für
den Betrieb einer zuverlässig
geregelten Verbrennungskraftmaschine ausreichend sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird für
eine schnellere und gegenüber dem
bekannten Stand der Technik genauere Regelung des Gesamtsystems
aus Verbrennungskraftmaschine, Motorsteuerung, elektrischem Verdichter, Elektromotor
und Regelungselektronik nur die Physik des Verdichters und des ihn
antreibenden Elektromotors selber als Basis für eine Steuerungsstrategie
für die
Aufladung der Verbrennungskraftmaschine erwählt. Aus dieser Basis wird
dann das entsprechende Modell abgeleitet, insbesondere in Form geschlossener
mathematischer Gleichungen. Dabei können in einer Weiterbildung
als vorgegebene Gütekriterien für das Modell
beispielsweise Fast Response, Ladedruckaufbau, etc. je nach Anwendungsfall
und/oder Auswahl eines Fachmanns bei der Entwicklung als Einflussgrößen vorgesehen
werden. Auf die konkrete Modellierung der Verdichterdrehzahl sowie
der Verdichterleistung wird nachfolgend noch unter Bezugnahme auf
die Zeichnung im Detail eingegangen werden. Gleiches gilt für die Regelung
des Elektromotors als Antrieb für
den Verdichter.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Rahmen dieser Beschreibung im Wesentlichen
vor dem Hintergrund eines Einsatzes in der Kraftfahrzeug-Industrie
dargestellt. Anwendungsfälle
außerhalb
dieses Sektors werden jedoch ausdrücklich nicht ausgeschlossen,
da ein erfindungsgemäßes Verfahren
und eine entsprechende Vorrichtung für sämtliche Verbrennungskraftmaschinen
einsetzbar sind.
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In
Ausführungsformen
der Erfindung wird auch eine Kombination eines erfindungsgemäß angesteuerten
bzw. geregelten elektrischen Laders mit einem Abgasturbolader umgesetzt.
Ferner werden in einer Ausführungsform
auch Vorgaben aus einer Abgasbehandlungsanlage, beispielsweise von
einer λ-Sonde
und/oder Stickoxid-Sensoren eines Abgastraktes, in Form von Regelungsgrößen und/oder
Vorgabewerten berücksichtigt.
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Weitere
Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens
und einer Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nachfolgend unter Bezug auf die Darstellung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1:
eine Übersicht über eine
Vorrichtung zur Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem
elektri schen Lader und eines Bypass-Kanals mit Verschluss-Klappe;
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2:
ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Modells;
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3:
ein Diagramm zur Darstellung des Verfahrens zur Errechnung eines
Soll-Betriebspunktes als Block A von 2;
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4:
ein Flussdiagramm zur Darstellung der Modellierung eines Verdichters
als Block B von 2;
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5:
eine Systemübersicht
zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
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In
den einzelnen Darstellungen der Zeichnung erhalten gleiche Bestandteile,
Komponenten, Größen und
Verfahrensschritte durchgängig
die gleichen Bezeichnungen.
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In
einer Vorrichtung 1 gemäß 1 wird Frischluft über einen
Frischluftfilter 2 zugefügt und über einen elektrischen Verdichter
bzw. E-Lader oder E-Charger 3 vorverdichtet. Ein zu dem
elektrischen Lader 3 parallel liegender Bypass 4 ist
im dargestellten Fall durch eine ansteuerbare Öffnungsklappe verschlossen.
So passiert der durch einen Pfeil P symbolisierte Frischluftstrom
nachfolgend eine geöffnete Drossel 5 und
wird über
Saugrohre bzw. Verteilerrohre 6 einer Verbrennungskraftmaschine 7 zugeführt. Nach
der Verbrennung des Frischgasgemisches in der Verbrennungskraftmaschine
werden die Abgase über
einen Abgastrakt 8 mit nicht weiter dargestellten Mitteln
zur Abgasnutzung und/oder Schadstoff-Sensierung abgeleitet, wobei sie einen
Katalysator 9 durchlaufen.
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Der
elektrische Verdichter 3 dient einer deutlichen Verbesserung
des Drehmoments des Verbrennungskraftmotors 7 durch eine verstärkte Aufladung der
Zylinder mit Frischgas, so dass der Verbrennungskraftmotor 7 auch
in einem Bereich niedriger Drehzahlen einem in 1 nur
angedeuteten Antriebsstrang ausreichend Drehmoment zur Verfügung stellen
kann. Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Ansteuerung des elektrischen Laders 3 verwendet,
das auf einer Modellierung des physikalischen Laders unter Berücksichtigung
eines gewünschten Aufladegrades
der Verbrennungskraftmaschine 7 sowie einer hierzu erforderlichen
Laderleistung basiert. Im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand
der Technik wird hier also über
ein geeignetes Verfahren eine je Arbeitspunkt aktuell jeweils erforderliche
geforderte Verdichterdrehzahl sowie eine benötigte Verdichterleistung als
Funktion eines gewünschten
Aufladegrades und Luftmassenstromes modelliert ermittelt. Im Ergebnis
kommt es durch die Anwendung des nachfolgend im Detail beschriebenen
Verfahrens im Wesentlichen nur dann zu einer Aktivierung des elektrischen
Laders 3, wenn eine momentan verfügbare Motorleistung für einen
Fahrzustand und/oder einer Anforderung nicht ausreichend ist. Im
umgekehrten Fall kommt es zu einer Deaktivierung nur dann, wenn die
verfügbare
Leistung der Verbrennungskraftmaschine 7 ausreicht, um
einem aktuellen Fahrerwunsch zu entsprechen.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes liegt daher darin, dass der
elektrische Lader 3 nur mit einer minimal erforderlichen
Leistung betrieben wird. Das führt
gegenüber
einer konventionellen Ansteuerung eines E-Laders zu einem deutlich
verbesserten Gesamtwirkungsgrad des Systems. Einschaltdauer und
Betriebspunkt des Laders 3 können gemäß verschiedener Gütekriterien,
wie zum Beispiel einem Wirkungsgrad, einem Dynamikverhalten oder
einer maximal vorgegeben Zuschaltdauer, optimiert werden.
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Unter
Bezugnahme auf die Abbildungen der 2 bis 4 wird
nun eine Modellierung von Verdichterdrehzahl und Verdichterleistung
dargestellt. Hierbei gibt 2 einen Überblick,
und in den 3 und 4 sind die
in 2 angegebenen Funktionsblöcke A, B zur Bestimmung eines
Arbeitspunktes des Laders 3 und einer Interpolation in
Lader-Kennlinienfeldern näher
dargestellt:
Aus den Randbedingungen Umgebungsdruck AMP, Ansaug-
bzw. Umgebungslufttemperatur TIA_ABSV_CHA_UP sowie der gewünschten
Luftmasse MAF_KGH_SP und dem geforderten Ladedruck PUT_SP werden
die Kenngrößen des
Verdichters im Sollbetriebspunkt errechnet. Dies sind Volumenstrom
VOL_FLOW_CHA_UP_SP, Druckquotient PQ_CHA_SP und Luftmassenstrom
MRF_CHA_SP. Einige Werte, wie z.B. Volumenstrom VOL_FLOW_CHA_UP
und Laderdrehzahl N_CHA_COR_SP, werden im Modell mit einem temperaturabhängigen Faktor
FAC_TIA normiert.
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Der
Druck vor Verdichter PRS_CHA_UP_SP errechnet sich aus dem Umgebungsdruck
AMP sowie den vom Luftmassenstrom abhängigen Druckverlusten im Luftfilter
IP_PRS_LOSS_AIC. Der Solldruck nach Verdichter PRS_CHR_DOWN_SP errechnet
sich aus dem Ladedruck PUT_SP sowie den vom Luftmassenstrom abhängigen Druckverlusten im
Ladeluftkühler
IP_PRS_LOSS_ICO. Der Druckquotient PQ_CHA_SP ergibt sich aus den
Drücken nach
und vor Verdichter.
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Aus
dem Druck vor dem Verdichter, der Ansauglufttemperatur TIA_ABSV_CHA_UP
und der allgemeinen Gaskonstante RA kann man die Dichte der Luft
vor dem Verdichter RHO_CHA_UP ausrechnen. Anhand der Dichte kann
aus dem Massenstrom ein Volumenstrom VOL_FLOW_CHA_UP errechnet werden.
Der Volumenstrom wird mit dem Faktor FAC_TIA normiert und aus dem
normierten Volumenstrom VOL_FLOW_CHA_UP_RED_SP sowie dem Druckquotienten
PQ_CHA_SP die normierte Laderdrehzahl N_CHA_COR_SP berechnet. Für die Details
dieser Berechnung wird ausdrücklich
auf die Offenbarung der Offenlegungsschrift
DE 100 46 322 A1 verwiesen.
Die normierte Laderdrehzahl N_CHA_COR_SP wird über den Faktor FAC_TIA zurücknormiert,
um die gesuchte physikalische Drehzahl N_CHA_SP zu erhalten.
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Anhand
der Turbolader-Hauptgleichungen lässt sich die Verdichterleistung
POW CHA SP bzw. P
L berechnen:
- PL
- Verdichterleistung
- mL
- Luftmassenstrom durch
Verdichter
- ΔhL
- Enthalpiedifferenz
- ηL
- Verdichterwirkungsgrad
- cpL
- spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck
- Ƙ
- Adiabatenexponent
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Der
Term
wird zu IP_FAC_POW_CHA_1
zusammengefasst, aufgrund seines Verlaufes in Abhängigkeit
vom Volumenstrom und Ladedrehzahl ist es sinnvoll, das Kennfeld
in Abhängigkeit
von der Laderdrehzahl und dem auf die Laderdrehzahl bezogenen normierten Volumenstrom
abzulegen.
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Der
Term
wird im Kennfeld IP_FAC_POW_CHA_2
abgelegt.
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Mit
dieser Vereinfachung lässt
sich die gesuchte Verdichterleistung als Produkt von Ansauglufttemperatur
TIA_ABSV_CHA_UP (T1), Luftmassenstrom MAF_CHA SP sowie der beiden
definierten Faktoren berechnen. Dabei sind in den Variablen die Abkür zungsbestandteile
CHA und ECHA beide in der Zeichnung synonym zur Bezeichnung des
elektrischen Laders verwendet worden.
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Durch
die Berechnung der erforderlichen Verdichterleistung PL kann
diese als Vorsteuerung in die Regelung des zu dem elektrischen Verdichter 3 zugehörigen Elektromotors
verwendet werden. Hierdurch wird eine schnellere und stabilere Regelung bewirkt,
die auch das dynamische Verhalten des Gesamtsystems verbessert.
Die Regelung des Elektromotors selber basiert hierbei in bekannter
Weise auf der Vorgabe einer Solldrehzahl und einer benötigten Leistung,
aus denen sich ein jeweils gefordertes Drehmoment ergibt. Auf Grund
der erfindungsgemäß definierten
Schnittstellen können
beliebige Elektromotoren auch unterschiedlicher Hersteller mit jeweils eigener
Regelelektronik als sog. Black box eingesetzt werden, da ihre Eigenschaften
klar definiert vorgegeben werden können.
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Bei
der Modellierung eines Systems sind zwei grundsätzlich voneinander verschiedene
Ansätze
zu unterscheiden: die Vorwärtsmodellierung
und die Rückwärtsmodellierung
bzw. inverse Modellierung. Im Fall einer Vorwärtsmodellierung werden auf der
Grundlage von Ansteuerungswerten zu erwartende Ist-Zustände modelliert.
Im Fall eines inversen Modells wird ein erwünschter Vorgabewert am Ausgang
vorgegeben und auf der Basis des Modells ein Eingabewert oder Eingabevektor
bestimmt. Damit ist es beim Einsatz eines inversen Modells möglich, durch
einen Vergleich eines rückgerechneten
Eingabewertes eine Realisierbarkeit von jeweils erwünschten
Vorgabewerten am Ausgang vorab zu überprüfen. In der Abbildung von 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
in Form einer Systemübersicht
wiedergegeben, in dem die Vorteile einer Rückwärtsmodellierung genutzt werden,
um damit eine Basis für
eine verbesserte Ansteuerung für
den Elektromotor des Verdichters 3 zu schaffen. Die Vorrichtung 1 umfasst
ein inverses E-Verdichter-Modell 10, eine Regelungsvorrichtung 11 für den Elektromotor
des elektrischen Verdichters 3 und einer Kontrollvorrichtung 12 zum Antrieben
und Überwachen
der Ansteuerung der Bypassklappe im Bypass 4. Die Klappe
im Bypass 4 wird in dem Fall geöffnet, dass der E-Lader 3 keinen Beitrag
mehr zu einer Druckerhöhung
liefern kann. Das ist ab einer bestimmten höheren Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 7 der
Fall. In diesem Betriebszustand wird dann der Elektromotor, der
den Verdichter 3 antriebt, abgeschaltet.
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Im
inversen E-Verdichter-Modell wird anhand des gewünschten Luftmassenstromes MAF_KGH_SP,
der Ansauglufttemperatur TIA_ABSV_CHA_UP, des Ladedrucksollwertes PUT_SP
und dem Umgebungsdruck AMP als Eingangswerte eine momentan geforderte
Verdichterleistung POW_CHA_SP und eine entsprechende Drehzahl N_CHA_SP
der Verdichterstufe 3 bestimmt. Diese Werte werden nun
weiter in der Regelung des Elektromotors verwendet, um die angeforderte
Verdichterdrehzahl einzuregeln. Soweit entspricht das schematisch
dargestellte Verfahren dem der 1 bis 4.
Falls nach Feststellung der Regelungsvorrichtung 11 eine
Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 7 so hoch ist, dass
der elektrische Verdichter 3 keine Drucksteigerung mehr
bewirken kann, so wird die Bypassklappe im Bypasspfad 4 des
elektrischen Verdichters 3 unter Vermittlung der Kontrollvorrichtung 12 für die Bypassklappe
geöffnet sowie
der Elektromotor des Verdichters 3 abgeschaltet. Dazu wird
das Bit LV_BYP_ENA genutzt, das in 5 dargestellt
ist.
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Im
nicht weiter graphisch dargestellten Fall, das zusätzlich auch
ein vorwärts
gerichtetes E-Verdichter-Modell vorhanden ist, kann nun vor der
Einleitung der gerade dargestellten Abschaltungsmaßnahme eine
Verdichterleistung auf der Grundlage seiner maximalen Betriebsparameter
und den aktuellen Umgebungsbedingungen bestimmt werden. Ein Vergleich
der maximal realisierbaren mit den eigentlich aktuell geforderten
Werten des Verdichters 3 kann dann in eine Motorsteuerung
hin verlagert werden. Von hier aus können dann auch die vorstehend
beschriebenen Abschaltungsmaßnahmen
veranlasst werden.
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Das
dargestellte Beispiel ist der Einfachheit halber ohne Ladedruckregelung
im Verdichter 3 dargestellt. Eine Ladedruckregelung kann
in der dargestellten Anordnung jedoch in einer dem Fachmann bekannten
Weise noch überlagert
angeordnet werden.
