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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wobei der Verbrennungsmotor ein Abgasrückführsystem und zumindest zwei Turbolader mit jeweils einer Kompressorseite und jeweils einer Turbinenseite aufweist, wobei Abgase des Verbrennungsmotors der jeweiligen Turbinenseite über eine primäre und über eine sekundäre Turbinenleitung zugeführt werden, wobei in der sekundären Turbinenleitung ein Turbinenventil angeordnet ist. Die Erfindung betrifft aber auch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6, wobei der Verbrennungsmotor ein Abgasrückführsystem und zumindest zwei Turbolader mit jeweils einer Kompressorseite und jeweils einer Turbinenseite aufweist, wobei Abgase des Verbrennungsmotors der jeweiligen Turbinenseite über eine primäre und über eine sekundäre Turbinenleitung zugeführt werden, wobei in der sekundären Turbinenleitung ein Turbinenventil angeordnet ist.
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Die
DE 10 2005 046 507 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit zwei hintereinander geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine Abgasturbine in der Abgasleitung und einen Verdichter im Ansaugtrakt umfassen, mit einem die motornahe Abgasturbine überbrückenden Bypass mit einem Abblaseventil, wobei die Abgasleitung den Turbinenausgang der motornahen Abgasturbine mit einer Abgasflut in der motorfernen Abgasturbine verbindet. Das Abblaseventil ist in das Turbinengehäuse der motorfernen Abgasturbine integriert, und umfasst einen Sammelraum, in den der Bypass einmündet und der mit dem Turbinenrad in Verbindung steht, und ein variables Ventilstellglied im Mündungsquerschnitt des Sammelraums zum Turbinenrad, wobei der Sammelraum von der Abgasflut separat ausgebildet ist. Die
DE 10 2005 046 507 A1 offenbart also einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführsystem und zumindest zwei Turboladern mit jeweils einer Kompressorseite und jeweils einer Turbinenseite. Die beiden Turbolader sind jedoch in Reihe geschaltet. Das Abgas des Verbrennungsmotors durchströmt also zunächst die motornahe Abgasturbine und wird der zweiten, nach geschalteten Abgasturbine zugeführt. Es ist lediglich eine Bypassleitung vorgesehen, welche die motornahe Abgasturbine überbrückt. Der Bypass mündet direkt in die motorferne Abgasturbine.
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Zur Regulierung des über den Bypass zu leitenden Abgasmassenstromes ist das Abblaseventil vorgesehen, welches in das Gehäuse der motorfernen Abgasturbine integriert ist.
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Die
DE 602 11 384 T2 offenbart ein Turboladersystem mit mindestens zwei parallel geschaltet angeordneten Turboladern. Insofern offenbart die
DE 602 11 384 T2 einen primären und sekundären Turbolader, wobei primäre und sekundäre Abgasleitungen vorgesehen sind, so dass Abgase über die primäre bzw. sekundäre Abgasleitung der jeweiligen Turbinenseite zugeführt werden. In der sekundären Abgasleitung ist ein Drosselventil angeordnet.
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Aus der
DE 103 57 925 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Turbolader mit zweiflutiger Abgasturbine bekannt, wobei durch die unterschiedliche Beaufschlagung der Abgasfluten die Abgasführungsrate eingestellt werden könne.
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Verbrennungsmotoren können zwei Turbolader, und zwar einen primären und einen sekundären Turbolader aufweisen, so dass der Verbrennungsmotor in einem Mono-Turbomodus und in einem Bi-Turbomodus betrieben werden kann. Üblicherweise ist das Turbinenventil der sekundären Turbinenleitung, also der Turbinenleitung zugeordnet, welche den sekundären Turbolader mit dem notwendigen Abgasstrom versorgt. Im Mono-Turboladermodus ist das Turboventil in der sekundären Turbinenleitung vollständig geschlossen, öffnet in einem Übergang vom Mono-Turbomodus zu dem Bi-Turbomodus und ist in diesem vollständig geöffnet. Der Öffnungsvorgang also der Übergangsmodus hat eine Zeitdauer im Millisekunden Bereich. In dem Bi-Turbomodus wird beobachtet, dass der Abgasdruck auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors in erheblichem Maße abfallen kann. Dies ist zum einen wünschenswert, da der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors reduziert wird während gleichzeitig das Drehmoment steigt. Zum anderen dagegen kann der Druckabfall eine Abgasrückführung beeinträchtigen. Die Abgasrückführung dient beispielsweise zur Ausstoßreduzierung schädlicher Verbrennungsprodukte wie der Reduzierung von NOx-Emissionen. Das Abgasrückführsystem führt einen Teil der Abgase des Verbrennungsmotors von dessen Abgasseite zu dessen Frischluftseite, wobei der Druck auf der Abgasseite größer sein muß als auf der Frischluftseite. Fällt nun in dem besagten Bi-Turbomodus der Abgasdruck auf der Abgasseite ab, ist dieses Erfordernis nicht mehr erfüllt, so dass die Abgasrückführung beeinträchtigt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Verbrennungsmotor der Eingangs Art zur Verfügung zu stellen, bei dem die Abgasrückführung auch in dem Bi-Turbomodus aufrechterhalten wird.
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Erfindungsgemäß wird der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei das in der sekundären Turbinenleitung angeordnete Turbinenventil, also dessen eingestellter Öffnungsbetrag, der zwischen einem maximalen Öffnungsbetrag und einem minimalen Öffnungsbetrag, der größer als Null ist, liegt, variabel, also stufenlos einstellbar ist, wenn der Verbrennungsmotor in dem Bi-Turbomodus betrieben wird. Der vorrichtungstechnische Teil der Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst, wobei das Turbinenventil als variabel, also stufenlos einstellbares Ventil ausgeführt ist.
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In dem Bi-Turbomodus kann der Abgasdruck so vorteilhaft aufrechterhalten werden, so dass die Beeinträchtigungen der Abgasrückführung vermieden werden können. Dies wird erreicht, indem das Turbinenventil je nach Anforderung des Abgasrückführsystem, bzw. der Druckverhältnisse bezüglich der Abgasseite zur Einlassseite entsprechend von dem eingestellten Öffnungsbetrag abweichend geschlossen oder geöffnet wird, und zwar stufenlos. Wird das Turbinenventil beispielsweise abweichend von dem eingestellten Öffnungsbetrag geöffnet, kann der sekundären Turbine ein höherer Massenstrom zugeführt werden. Wird das Turbinenventil dagegen beispielsweise abweichend von dem eingestellten Öffnungsbetrag weiter geschlossen, wird der sekundären Turbine ein geringerer Massenstrom zugeführt. Ersichtlich ist aus diesem vorteilhaften Vorgehen, dass mittels des variabel einstellbaren Turbinenventils eine jeweils angepasste Massenstromverteilung zur primären und sekundären Turbine je nach Anforderung des Abgasrückführsystems erreicht wird. Damit kann der Abgasrückdruck erhöht werden, wodurch auch die Abgasrückführungsrate erhöht werden kann.
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Der einzustellende Öffnungsbetrag des Turbinenventils wird bevorzugt über eine sogenannte Open-loop-Regelung abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors festgelegt. Der einzustellende Öffnungsbetrag kann in einem Bereich zwischen Null und 100% festegelegt werden.
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Gemäß der Erfindung wird ein Korrekturfaktor ermittelt, mittels dem der eingestellte Öffnungsbetrag variabel eingestellt wird. Der Korrekturwert wird über eine sogenannte langsame closed-loop-Regelung über eine Massenstromabweichung zwischen einem Massenstromsollwert und einem gemessenen Massenstrom ermittelt, und auf den eingestellten Öffnungsbetrag des Turbinenventils addiert. Insofern fließen Umgebungseinflüsse (Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur) in die Ermittlung des Korrekturwertes ein. Der Korrekturwert wird in einem so genannten langsamen PID-Regler ermittelt und kann positiv oder negativ sein, so dass ein Öffnen oder Schließen des Turbinenventils abweichend von dem eingestellten Öffnungsbetrag zu dem aufgrund des festegestellten Korrekturwertes neu einzustellen den Öffnungsbetrages bewirkt wird. Ein PID-Regler ist ein Proportional-Integral-Differential-Regler.
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Die Verbindung des über die open-loop-Regelung einzustellenden Öffnungsbetrages mit dem über die langsame closed-loop-Regelung ermittelten Korrekturwert bewirkt so vorteilhaft eine Zwischenwirkung zwischen dem primären Turbolader, der bevorzugt als Turbolader mit variabler Geometrie ausgeführt ist, und die Ladedrucksteuerung in dem Bi-Turbomodus vollständig übernimmt, und die Massenstromverteilung des Abgasstroms zu den beiden Turbinen.
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Das Verfahren kann nun wie folgt ausgeführt werden:
Zunächst wird festegestellt, ob sich der Verbrennungsmotor in einem Mono-Turbomodus befindet. Ist dies der Fall, ist das Turbinenventil vollständig geschlossen. Die sekundäre Turbine wird nicht mit einem Abgasstrom versorgt. Der primäre Turbolader steuert den Ladedruck.
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In einem Übergangsmodus von dem Mono-Turbomodus zu dem Bi-Turbomodus (Zeitdauer im Millisekundenbereich) öffnet das Turbinenventil, so dass die sekundäre Turbine mit einem Abgasstrom versorgt wird. Das Turbinenventil öffnet aufgrund des Druckaufbaus. Der primäre Turbolader steuert den Ladedruck.
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Wird festgestellt, dass sich der Verbrennungsmotor in dem Bi-Turbomodus befindet, wird abgefragt, ob die Anforderungen für die Abgasrückführung erfüllt sind (Druckdifferenz Abgasseite/Einlassseite). Ist dies der Fall, wird das Turbinenventil auf den eingestellten Öffnungsbetrag gehalten (zwischen 0 und 100%).
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Wird dagegen festgestellt, dass die Anforderungen für die Abgasrückführung nicht gegeben sind, wird der eingestellte Öffnungsbetrag der Turbine über die Turbinenregelung (Open-loop-Regelung/Closed-loop-Regelung) so verändert, dass die Abgasrückführung nicht beeinträchtigt wird, obwohl der Verbrennungsmotor im Bi-Turbomodus betrieben wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
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1 eine prinzipielle Darstellung eines Verbrennungsmotor mit zwei Turboladern, in dem Mono-Turbomodus,
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2 die prinzipielle Darstellung aus 1 in einem Übergang von dem Mono-Turbomodus zum Bi-Turbomodus,
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3 die prinzipielle Darstellung aus 1 in einem Bi-Turbomodus,
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4 ein Ablaufdiagramm,
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5 eine prinzipielle Turbinenventilregelung, und
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6 ein Diagramm zur Darstellung des Druckanstiegs.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile in der Regel mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Verbrennungsmotors 1, der ein Abgasrückführsystem 2 und zumindest zwei Turbolader 3 und 4 aufweist. Der jeweilige Turbolader 3 und 4 weist jeweils eine Kompressorseite 6 bzw. 7 und jeweils eine Turbinenseite 8 bzw. 9 auf. Der Turbolader 3 wird im Folgenden als primärer Turbolader 3 bezeichnet, und ist bevorzugt ein Turbolader variabler Geometrie (VGT). Der Turbolader 4 wird im Folgenden als sekundärer Turbolader 4 bezeichnet, und ist bevorzugt ein Turbolader variabler Geometrie (VGT).
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Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Einlassseite 11 und eine Abgasseite 12 auf. Abgase des Verbrennungsmotors 1 werden der jeweiligen Turbine 8 bzw. 9 über eine primäre Abgasleitung 13 und eine sekundäre Abgasleitung 14 zugeführt. In der sekundären Abgasleitung 14 ist ein Turbinenventil 15 angeordnet, das als variables, also stufenlos einstellbares Turbinenventil 15 ausgeführt ist.
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In 1 ist ein Mono-Turbomodus des Verbrennungsmotors 1 dargestellt. Die beiden Turbolader 3 und 4 sind über Verbindungsleitungen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zueinander schaltbar. Eine Frischluftleitung 16 führt Frischluft über den primären Kompressor 6 der Einlassseite 11 des Verbrennungsmotors 1 zu. In Strömungsrichtung (Pfeil 17) der Frischluft gesehen ist unterhalb des primären Kompressors 6 ein Frischluftkühler 18 angeordnet, dem sich in Strömungsrichtung (Pfeil 17) folgend eine Abgasrückführdrossel 19 anschließt. In Strömungsrichtung 17 gesehen wird die Frischluft hinter der Abgasrückführdrossel 19 dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt.
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Weiter verzweigt sich die Frischluftleitung 16 um Frischluft auch dem sekundären Kompressor 7 zuzuführen. Der Abzweig 21 ist in 1 gestrichelt dargestellt, da in dem Mono-Turbomodus lediglich der primäre Turbolader 3 betrieben wird. Der sekundäre Kompressor 7 ist über eine sekundäre Frischluftleitung 22 mit der primären Frischluftleitung 16 verbunden, und mündet in dieser. In der sekundären Frischluftleitung 22 ist ein Kompressorventil 23 angeordnet, oberhalb dem ein Bypass 24 angeordnet ist, der die sekundäre Frischluftleitung 22 mit der primären Frischluftleitung 16 verbindet. In dem Bypass 24 ist ein Bypassventil 26 angeordnet.
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Die Abgase des Verbrennungsmotors 1 werden über eine Abgasleitung 27 abgeleitet. In der Abgasleitung 27 mündet eine Rückführleitung 28 des Abgasrückführsystems 2. In der Rückführleitung 28 sind ein Abgasrückführventil 29 und ein Abgaskühler 31 angeordnet. Die Rückführleitung 28 mündet in der primären Frischluftleitung 16.
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Weiter verzweigt sich die Abgasleitung 27 zur primären Abgasleitung 13 und zur sekundären Abgasleitung 14. Die sekundäre Abgasleitung 14 ist in 1 wiederum gestrichelt dargestellt, da der sekundäre Turbolader 4 im Mono-Turbomodus nicht betrieben wird.
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In dem Mono-Turbomodus sind das Kompressorventil 23, das Bypassventil 26 und das Turbinenventil 15 geschlossen. Die Abgasrückführdrossel 19 ist vollständig geöffnet. Das Abgasrückführventil 29 kontrolliert die Abgasrückführung bzw. die Abgasrückführrate.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, ist im Mono-Turbomodus lediglich ein Frischluftpfad und lediglich ein Abgaspfad zu dem primären Turbolader 3 geöffnet. Die Steuerung des Abgasdrucks übernimmt vollständig der primäre Turbolader 3. Bei einem abgasseitigen Druckabfall kann die Abgasrückführung über ein Schließen der Abgasrückführdrossel 19 gesteuert werden.
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In 2 ist ein Übergangszustand von dem Mono-Turbomodus zu einem Bi-Turbomodus dargestellt, wobei auf eine Darstellung des Abgasrückführsystems verzichtet wurde. Der Übergangszustand hat eine Zeitdauer im dreistelligen Millisekundenbereich.
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In dem Übergangszustand öffnet sich das Bypassventil 26 und schließt sich wieder. Das Turbinenventil 15 öffnet sich, so dass der sekundären Turbine 9 ein Abgasstrom zugeführt wird. Das Kompressorventil 23 öffnet sich aufgrund des Druckaufbaus. Die Steuerung des Abgasdrucks übernimmt vollständig der primäre Turbolader 3.
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In 3 ist der Bi-Turbomodus dargestellt. In dem Bi-Turbomodus ist das Bypassventil 26 geschlossen. Das Kompressorventil 23 ist vollständig geöffnet.
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Möglich ist, dass der Abgasdruck in dem Bi-Turbomodus so abfällt, dass die Abgasrückführung beeinträchtigt wird. Vorteilhaft ist das Turboventil 15 daher variable, also stufenlos einstellbar ausgeführt. Je nach Öffnungsbetrag des Turboventils 15 wird der Abgasstrom zur primären bzw. sekundären Turbine 8 bzw. 9 aufgeteilt. Beide Turbolader 3 bzw. 4 werden betrieben; Die Steuerung des Abgasdrucks übernimmt vollständig der primäre Turbolader 3.
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Die Ventile 15, 19, 23 und 26 der 1 bis 3 sind bevorzugt Unterdruck gesteuert, können natürlich aber auch elektrisch bzw. elektronisch gesteuert sein.
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In dem Bi-Turbomodus setzt das erfindungsgemäße Verfahren an. Hierzu wird ein Ablaufdiagramm gemäß 4 durchlaufen, um festzustellen, ob die Anforderungen der Abgasrückführung einer Korrektur des eingestellten Öffnungsbetrages des Turbinenventils 15 bedürfen.
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Beginnend in dem Startblock 32, wird in dem Block 33 abgefragt, ob ein Bi-Turbomodus vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird zum Startblock 32 zurückgekehrt. Ergibt die Abfrage, dass der Bi-Turbomodus vorliegt, wird im folgenden Block 34 abgefragt, ob die Anforderungen für eine Abgasrückführung vorliegen (Druck auf der Abgasseite ist größer als auf der Einlassseite). Ist dies der Fall, wird das Turbinenventil 15 in seinem eingestellten Öffnungsbetrag (bevorzugt 100% offen) unverändert belassen (Block 35). Das Ablaufdiagramm endet im Endblock 36, und beginnt erneut. Ergibt die Abfrage, dass die Anforderungen der Abgasrückführung nicht erfüllt sind, wird eine Turbinenventilregelung 37 angesteuert. Diese ist in 6 beispielhaft dargestellt, und wird unten erläutert. Die Turbinenventilregelung 37 bewirkt eine Änderung des Öffnungsbetrages des Turbinenventils 15, so dass die Anforderungen der Abgasrückführung erfüllt werden. Sind diese wieder erfüllt, endet das Verfahren im Endblock 36, und startet erneut im Startblock 32. Insofern wird in einer Endlosschleife stetig überprüft, ob die Anforderungen der Abgasrückführung erfüllt sind, wobei der Öffnungsbetrag des Turbinenventils 15 fortdauernd an die geänderten Bedingungen angepasst wird.
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Die Turbinenventilregelung 37 ist in 5 dargestellt.
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Die Turbinenventilregelung 37 weist eine sogenannte Open-Loop-Regelung 38 auf, in welcher der Öffnungsbetrag 39 des Turbinenventils 15 abhängig von der Drehzahl 41 und dem Drehmoment 42 des Verbrennungsmotors 1 bestimmt wird. Der Öffnungsbetrag 39 kann einen Wert zwischen 0 und 100% aufweisen, und wird einem Additionsblock 43 zugeführt. In dem Additionsblock 43 wird ein Korrekturwert 44, der auch negativ sein kann, auf den Öffnungsbetrag 39 addiert.
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Der Korrekturwert 44 wird in einer so genannten Closed-Loop-Regelung 45 abhängig von einem Massenstromsollwert 46 und einem gemessenen Massenstrom 47 ermittelt. Die relevanten Massenstromwerte 46 bzw. 47 beziehen sich auf die Frischluft. Die beiden Werte werden in dem Block 48 verbunden, und zwar so, dass der gemessene Massenstromwert 47 von dem Massenstromsollwert 46 subtrahiert wird, so dass eine Massenstromabweichung 49 erhalten wird (Massenstromabweichung 49 = Massenstromsollwert 46 – gemessener Massenstrom 47).
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Die Massenstromabweichung 49 einem PID-Regler 51 und zwar einem so genannten langsamen PID-Regler 51 (Slow-PID Controller) zugeführt, welcher aus dem Korrekturwert 44a den Korrekturwert 44 generiert. Die Closed-Loop-Regelung 45 ist aufgrund des langsamen PID-Reglers 51 eine so genannte langsame Closed-Loop-Regelung 45.
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Wie bereits gesagt, wird der Korrekturwert 44 auf den eingestellten Öffnungsbetrag 39 addiert, so dass sich ein neu einzustellender Öffnungsbetrag 52 ergibt. Dieser wird einem Block 53 zugeführt und in Bezug auf einen maximalen Öffnungsbetrag 54 und einen minimalen Öffnungsbetrag 56 des Turbinenventils 15 überprüft. Die Kalibrierung der Öffnungsbeträge 54 und 56 ist dahingehend sinnvoll, als damit z.B ein zu großer Abgasgegendruck, welcher einen erhöhten Kraftstoffverbrauch bewirken könnte, vermeidbar ist. Liegt der neu einzustellende Öffnungsbetrag 52 innerhalb des festgelegten Bereiches, wird das Turbinenventil 15 entsprechend neu eingestellt. Der neu eingestellte Öffnungsbetrag 52 fließt bei einem erneuten Durchlauf entsprechend in das Verfahren als Turbinenventil-Rückmeldung ein.
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In dem Bi-Turbomodus (3) sind, wie gesagt, die Ventile 23 und 15 geöffnet, wobei sich das Turbinenventil 15 um den ermittelten Korrekturwert 44 beispielsweise schließen kann, so dass sich der Abgasdruck erhöht. Die Closed-Loop-Regelung 45 zur Ermittlung des Korrekturwertes 44 muss langsam sein, damit ein Überlappen der Regelung des Abgasrückführventils 29 und des Turbinenventils 15 vermieden werden kann.
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Wie der 6 zu entnehmen ist, steigt beispielsweise bei einem Teillastbetrieb eines beispielhaften V6, 3L Dieselmotors der Abgasdruck 57 bei jeweils gleicher Drehzahl an, wenn das Turbinenventil 15 von einem Öffnungsbetrag von 100% bis zu beispielsweise 60% geschlossen wird.
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Der Graph 58 zeigt einen Druckanstieg des primären Turboladers 3 bei einer Drehzahl von 2750 U/min mit abnehmendem Öffnungsbetrag von 100% auf ungefähr 80%. Der Graph 59 zeigt einen Druckanstieg des sekundären Turboladers 4 bei einer Drehzahl von 2750 U/min mit abnehmendem Öffnungsbetrag von 100% auf ungefähr 80%.
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Der Graph 61 zeigt einen Druckanstieg des primären Turboladers 3 bei einer Drehzahl von 3000 U/min mit abnehmendem Öffnungsbetrag von 100% auf ungefähr 60%. Der Graph 62 zeigt einen Druckanstieg des sekundären Turboladers 4 bei einer Drehzahl von 3000 U/min mit abnehmendem Öffnungsbetrag von 100% auf ungefähr 60%.
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Der Graph 63 zeigt einen Druckanstieg des primären Turboladers 3 bei einer Drehzahl von 3500 U/min mit abnehmendem Öffnungsbetrag von 100% auf ungefähr 70%. Der Graph 64 zeigt einen Druckanstieg des sekundären Turboladers 4 bei einer Drehzahl von 3000 U/min mit abnehmendem Öffnungsbetrag von 100% auf ungefähr 70%.
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Mittels des erfindungemäßen Verfahrens kann der Bereich in dem Bi-Turbomodus, in welchem eine Abgasrückführung möglich ist so deutlich vergrößert werden. Dies ist insbesondere in Ländern von Bedeutung in denen hohe Anforderungen an eine Reduzierung, insbesondere von NOx gestellt werden. Zudem wird eine erhöhte interne Abgasrückführung zur Verfügung gestellt, welche effektiver ist als eine externe Abgasrückführung, bei welcher der Abgasgegendruck und damit die Abgasrückführung in dem Bi-Turbomodus zu gering ist, um z.B eine Reduzierung von NOx erreichen zu können.
