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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit zwei im Ansaugtrakt stromabwärts hintereinander
angeordneten steuerbaren Drosselorganen.
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Bei
den Bestrebungen der Automobilhersteller, den Kraftstoffverbrauch
von Kraftfahrzeugen weiter zu reduzieren spielt das sogenannte „Downsizing”-Konzept
eine wichtige Rolle. Durch die Reduzierung des Hubraums bei gleichzeitigen
Verbau eines Abgasturboladers oder eines Kompressors soll einerseits
der Kraftstoffverbrauch vermindert, andererseits die Leistungsabgabe
der Brennkraftmaschine trotzdem auf einem hohen Niveau gehalten
werden. Ein unerwünschter
Effekt bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist das verzögerte Ansprechverhalten
bei Lastsprüngen
im unteren oder mittleren Lastbereich (Turboloch).
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Es
sind jedoch Konzepte bekannt, mittels denen die Drehzahl des Verdichters
auch im unteren Lastbereich, das heißt im nicht aufgeladenen Betriebsbereich
(Saugbetrieb), auf hohem Niveau gehalten werden kann. Die Idee besteht
darin, das Dichterrad im Saugbetrieb als Kaltluftturbine zu betreiben.
Bei diesem Konzept, welches unter den Begriff „Delay Optimized Turbocharger” (DOT)
bekannt ist, ist der Turbolader auf Seiten des Verdichters mit einem
zusätzlichen
Drosselorgan ausgestattet, mittels dem die durch den Verdichter
strömende
Frischluftmenge und auch die Anströmung des Verdichterrads gesteuert
werden kann.
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Neben
dem DOT umfassen diese aufgeladenen Brennkraftmaschinen meist auch
noch ein weiteres Drosselorgan, die sogenannte Drosselklappe, mittels
der die den Brennräumen
zugeführte
Frischluftmenge eingestellt werden kann. Dadurch sind im Ansaugtrakt
einer solchen Brennkraftmaschine zwei Drosselorgane vorgesehen,
mittels denen eine Laststeuerung der Brennkraftmaschine möglich ist.
Durch die gegenseitige Beeinflussung kann es zu unerwünschtem
Reglerverhalten und Komforteinbußen kommen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Steuern einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben
genannten Art bereit zu stellen, welche ein stabiles Reglerverhalten
und einen hohen Fahrkomfort gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein
Verfahren gemäß dem Anspruch
1 eignet sich zum Steuern einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,
in deren Ansaugtrakt stromabwärts
hintereinander ein Verdichter mit einem ersten steuerbaren Drosselorgan
und ein zweites steuerbares Drosselorgan angeordnet sind. Gemäß dem Verfahren
erfolgt in Abhängigkeit
von einem Kriterium die Regelung eines Lastparameters der Brennkraftmaschine
entweder durch das erste steuerbare Drosselorgan oder durch das
zweite steuerbare Drosselorgan.
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Aufgrund
der Konfiguration von zwei in Reihe geschalteten Drosselorganen
im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine kann es aufgrund der gegenseitigen
Beeinflussung zu einem unerwünschten
Fahrverhalten und zu einem Aufschwingen des Reglers kommen. Gemäß der Erfindung
erfolgt die Regelung der Last der Brennkraftmaschine, beispielsweise
des Saugrohrdrucks oder der angesaugten Frischluftmasse, in Abhängigkeit
von einem Kriterium entweder nur durch das erste Drosselorgan oder
durch das zweite Drosselorgan. Auf diese Weise wird die für die Regelung
des Lastparameters herangezogene Stellgröße in Abhängigkeit von dem Kriterium
klar definiert. Zur Regelung des Lastparameters wird in Abhängigkeit
von dem Kriterium immer nur eines der beiden Drosselorgane herangezogen.
Das jeweils andere Drosselorgan ist passiv oder wird vorgesteuert.
Auf diese Weise wird eine gegenseitige Beeinflussung, welche bei
gleichzeitiger Ansteuerung beider Drosselorgane zur Regelung des
Lastparameters auftreten würde,
und die damit einhergehenden Nachteile vermieden. Ein unerwünschtes
Reglerverhalten, Einbußen
auf dem Fahrkomfort und gegebenenfalls auch eine Verringerung der
Leistungsfähigkeit
der Brennkraftmaschine werden dadurch sicher vermieden.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird ein erster
Sollwert für
den Druck im Ansaugtrakt stromabwärts des zweiten Drosselorgans
ermittelt. Ferner wird ein zweiter Sollwert für den Druck im Ansaugtrakt
zwischen dem Verdichter und dem zweiten Drosselorgan ermittelt.
Die Regelung des Lastparameters erfolgt durch das zweite Drosselorgan,
falls der zweite Sollwert größer ist
als der erste Sollwert, wobei ansonsten die Regelung des Lastparameters
durch das erste Drosselorgan erfolgt.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung basiert das Kriterium für die Regelung des Lastparameters
auf einem Vergleich zweier Sollwerte für den Druck im Ansaugtrakt.
Die Sollwerte für
diese Drücke
werden in der Regel von einer Steuervorrichtung (ECU) berechnet
und sind verfügbar.
Der Vergleich dieser beiden Sollwerte der Drucke an zwei unterschiedlichen
Stellen im Ansaugtrakt stellt daher ein einfaches Kriterium für die Regelung
des Lastparameters dar.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 ist die Regelgüte der Regelung
des Lastparameters durch das erste Drosselorgan und das zweite Drosselorgan
unterschiedlich. In zumindest einem vorgegebenen Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine, in welchem eine hohe Regelgüte des Lastparameters
erforderlich ist, erfolgt die Regelung des Lastparameters durch
das Drosselorgan mit der höheren
Regelgüte.
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Bei
einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 handelt es sich
bei dem Betriebsbereich um den Leerlaufbetriebsbereich der Brennkraftmaschine.
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Da
gerade im Leerlauf mit Hinblick auf eine stabile Verbrennung und
aufgrund der sehr geringen angesaugten Frischluftmenge eine sehr
hohe Regelgüte
der Last notwendig ist, wird gemäß dieser
Ausgestaltungen das Kriterium für
die Regelung des Lastparameters derart beeinflusst, dass in diesen Betriebsbereichen
die Regelung zwangsmäßig durch das
Drosselorgan mit der höheren
Regelgüte
erfolgt. Auf diese Weise werden in den kritischen Betriebsbereichen
ein stabiles Regelverhalten, eine stabile Verbrennung und ein höherer Fahrkomfort
erreicht.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird in dem Fall,
das die Regelung des Lastparameters durch das erste Drosselorgan
erfolgt, das zweite Drosselorgan vorgesteuert. In dem Fall, dass
die Regelung des Lastparameters durch das zweite Drosselorgan erfolgt,
wird das erste Drosselorgan vorgesteuert.
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Durch
die Vorsteuerung des jeweils nicht zu Regelung herangezogenen Drosselorgans
kann eine günstige
Voreinstellung dieses Drosselorgans erzielt werden, wodurch durch
das jeweils andere Drosselorgan nur noch eine Feinregelung notwendig
wird. Dadurch kann der jeweilige Lastpunkt deutlich schneller eingestellt
werden.
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In
einer Ausgestaltung eines Verfahrens nach Anspruch 6 handelt es
sich bei dem zweiten Drosselorgan um eine Drosselklappe und bei
dem ersten Drosselorgan um eine Einrichtung, mittels der die Anströmung eines
Verdichterrads des Verdichters variierbar ist.
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Dabei
handelt es sich beispielsweise um einen sogenannten „Delay
Optimized Turbocharger” (DOT).
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Eine
Steuervorrichtung gemäß dem Anspruch
7 ist derart ausgebildet, dass sie ein Verfahren den Ansprüchen 1 bis
6 ausführen
kann.
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Es
wird auf die Ausführungen
zu den Ansprüchen
1 bis 6 verwiesen. Die sich dadurch ergebenen Vorteile gelten hier
in analoger Weise.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug
auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert.
In den Figuren sind:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine;
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2a, 2b schematische
Darstellungen eines Turboladers mit einer Einrichtung zur Veränderung
der Anströmung
des Verdichterrads in unterschiedlichen Stellungen;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
eines Steuerverfahrens in Form eines Ablaufdiagramms.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt. Aus Gründen der
besseren Übersichtlichkeit
ist die Darstellung stark vereinfacht ausgeführt.
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Die
Brennkraftmaschine 1 umfasst mindestens einen Zylinder 2 und
einen in dem Zylinder 2 auf und ab bewegbaren Kolben 3.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner einen Ansaugtrakt 40,
in dem stromabwärts
einer Ansaugöffnung 4 zum
Ansaugen von Frischluft ein steuerbarer Turbolader 5, eine Drosselklappe 6,
sowie ein Saugrohr 7 angeordnet sind. Ferner sind im Saugrohr
zwischen dem Verdichter 5 und der Drosselklappe 6,
sowie stromabwärts der
Drosselklappe 6 Drucksensoren 14, 15 zur
Erfassung des Drucks im Abgastrakt an diesen Positionen angeordnet.
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Der
Ansaugtrakt 40 mündet
in einem durch den Zylinder 2 und den Kolben 3 begrenzten
Brennraum 30. Die zur Verbrennung nötige Frischluft wird über den
Ansaugtrakt 40 in den Brennraum 30 eingeleitet,
wobei die Frischluftzufuhr durch Öffnen und Schließen eines
Einlassventils 8 gesteuert wird. Bei der hier dargestellten
Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1 mit
Kraftstoffdirekteinspritzung, bei der der für die Verbrennung nötige Kraftstoff über ein
Einspritzventil 9 unmittelbar in den Brennraum 30 eingespritzt wird.
Zur Auslösung
der Verbrennung dient eine ebenfalls in dem Brennraum 30 ragende
Zündkerze 10.
Die Verbrennungsabgase werden über
ein Auslassventil 11 in einen Abgastrakt 16 der
Brennkraftmaschine 1 abgeführt und mittels eines im Abgastrakt
angeordneten Abgaskatalysators 12 gereinigt. Die Kraftübertragung an
den Antriebsstrang (nicht dargestellt) geschieht über eine
mit dem Kolben 3 gekoppelte Kurbelwelle 13.
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Die
Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Kraftstoffversorgungssystem,
welches einen Kraftstofftank 17 sowie eine darin angeordnete
Kraftstoffpumpe 18 aufweist. Der Kraftstoff wird mittels
der Kraftstoffpumpe 18 über
eine Versorgungsleitung 19 einem Druckspeicher 20 zugeführt. Dabei
handelt es sich um einen gemeinsamen Druckspeicher 20,
von dem aus die Einspritzventile 9 für mehrere Zylinder 2 mit
druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt werden. In der Versorgungsleitung 19 ist
ferner eine Hochdruckpumpe 22 angeordnet. Die Hochdruckpumpe 22 dient
dazu, den durch die Kraftstoffpumpe 18 mit relativ niedrigem
Druck (ca. 3–5
bar) geförderten Kraftstoff
dem Druckspeicher 20 mit hohem Druck zuzuführen (typischerweise
bis zu 200 bar).
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Der
Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuervorrichtung 26 zugeordnet,
welche über
Signal- und Datenleitungen mit allen Aktuatoren und Sensoren der
Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. In der Steuervorrichtung 26 sind
kennfeldbasierte Motorsteuerungsfunktionen (KF1 bis KF5) softwaremäßig implementiert.
Basierend auf den Messwerten der Sensoren und den kennfeldbasierten
Motorsteuerungsfunktionen werden Steuersignale an die Aktuatoren
der Brennkraftmaschine 1 und des Kraftstoffversorgungssystems
ausgesandt. Konkret ist die Steuervorrichtung 26 über Daten-
und Signalleitungen mit der Kraftstoffpumpe 18, dem steuerbaren
Turbolader 5, den Drucksensoren 14 und 15, der
Drosselklappe 6, der Zündkerze 10 und
dem Einspritzventil 9.
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In
den 2a und 2b ist
der Aufbau des steuerbaren Turboladers 5 schematisch dargestellt. Die
folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf den ansaugseitigen
Teil des Turboladers, d. h. dem Verdichter 51 des Turboladers 5,
da nur dieser zur Erläuterung
der vorliegenden Erfindung benötigt
wird. Der abgasseitige Teil des Turboladers 5, d. h. die
Turbine, ist nur durch das stark schematisch dargestellte Turbinerad 52 angedeutet.
Der Turbolader 5 umfasst ansaugseitig den als Radialverdichter ausgebildeten
Verdichter 51 auf. Kernstück des Verdichters ist ein
Verdichterrad 54, welches über entsprechend ausgebildete
Leitschaufeln 551 verfügt und
in einem Gehäuse 56 des
Turboladers angeordnet ist. Dem Verdichter 51 wird über einen
Einlasskanal 53 Frischluft zugeführt, welche das Verdichterrad 55 durchströmt und den
Verdichter 51 über
eine Auslassöffnung 54 in
Richtung der Brennräume
verlässt. Das
Verdichterrad 55 ist über
eine drehbare Welle 57 mit dem im Abgaskanal (siehe 1)
angeordneten Turbinenrad 52 drehfest verbunden. Die den
Brennräumen 30 entweichenden
heißen
Abgase dienen zum Antrieb des Turbinenrads 52 und versetzen
dieses in Rotation. Die Rotation wird über die Welle unmittelbar auf
das Verdichterrad 55 übertragen.
Auf diese Weise ist eine Verdichtung der Ansaugluft durch das Verdichterrad 55 möglich.
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Der
Turbolader 5 weist eine Einrichtung 60 auf, mittels
der die Anströmung
des Verdichterrads 55 durch die Frischluft variierbar ist.
Das Gehäuse 51 des
Turboladers 5 ist ansaugseitig derart ausgebildet, dass
die angesaugte Frischluft dem Verdichterrad 55 durch einen
ersten Strömungskanal 58 axial und über einen
zweiten Strömungskanal 59 radial
zugeführt
werden kann. Bei einer axialen Beströmung des Verdichterrads 55 mit
Frischluft über
den ersten Strömungskanal 58 (siehe 2a)
wird die Frischluft durch die starke Rotation des Verdichterrads 55 radial
nach außen
beschleunigt und verdichtet. Dem Auslasskanal des Turboladers 5 entweicht
dann verdichtete Frischluft, welche den Brennräumen 30 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird.
Bei einer axialen Beströmung
des Verdichterrads 55 über
den ersten Strömungskanal 59 erfolgt
somit eine Verdichtung der Ansaugluft und somit eine Aufladung der Brennkraftmaschine.
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Erfolgt
die Beströmung
des Verdichterrads über
den zweiten Strömungskanal 59,
so wird die angesaugte Frischluft dem Verdichterrad radial von außen zugeführt. Die
Leitschaufeln 551 des Verdichterrads sind dabei derart
konstruiert, das es bei dieser Art der Beströmung des Verdichterrads 55 zu
einer Beschleunigung des Verdichterrads 55 kommt. Auch in
diesem Fall wird die Frischluft radial nach außen in den Ausströmkanal 54 geleitet,
wobei es hierbei jedoch zu keiner Verdichtung der Frischluft kommt.
Bei einer Beströmung
des Verdichterrads 55 über
den zweiten Strömungskanal 59 kommt
es somit zu einer Beschleunigung des Verdichterrads jedoch zu keiner Verdichtung
der Frischluft. Der Verdichter 51 wird quasi als Kaltluftturbine
betrieben.
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Die
Beströmung
des Verdichterrads 55 über den
ersten Strömungskanal 58 oder
den zweiten Strömungskanal 59 wird über einen
von der Steuervorrichtung 26 (siehe 1) gesteuerten
Aktuator 60 eingestellt. Der Aktuator verfügt über einen
Antrieb 61 und ist derart ausgebildet, das er durch den
Antrieb 61 zwischen einer ersten Position und einer zweiten
Position verschiebbar ist. In der ersten Position, wie in 2a dargestellt,
ist der erste Strömungskanal 58 freigegeben,
so dass die in den Verdichter strömende Frischluft dem Verdichterrad 55 vorzugsweise
axial zugeführt
wird. Aufgrund des oben beschriebenen Effektes kommt es daher zur
einer Verdichtung der Frischluft und zu einer Aufladung der Brennkraftmaschine 1.
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Befindet
sich der Aktuator 60 in der zweiten Position, wie in 2b dargestellt,
so ist der erste Strömungskanal 58 verschlossen.
Die dem Turbolader zugeführte
Frischluft strömt
daher durch den offenen zweiten Strömungskanal 59, und
wird daher dem Verdichterrad 55 radial zugeführt. In
dieser zweiten Position des Aktuators 60 kommt es zu einer
Beschleunigung des Verdichterrads 55 aufgrund der Beströmung der
Leitschaufeln 551 durch die Frischluft, jedoch zu keiner
Verdichtung. Neben diesen beiden Extrempositionen des Aktuators 60 können auch beliebige
Zwischenpositionen eingestellt werden, bei denen ein Anteil der
Frischluft durch den ersten Strömungskanal 58,
der andere Anteil durch den zweiten Strömungskanal 59 strömen. Je
nach Größe des Anteils
der Frischluft, der durch den ersten Strömungskanal 58 strömt, kommt
es zu einer Verdichtung oder mehr zu einer Beschleunigung der Verdichterrads 55.
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Wie
aus der vorgehenden Beschreibung hervorgeht, sind demnach im Ansaugtrakt
zwei steuerbare Drosselorgane angeordnet. Bei dem ersten Drosselorgan
handelt es sich um die steuerbare Einrichtung 60 des Verdichters,
mittels dem die Anströmung
des Verdichterrads 55 variierbar ist. Bei dem zweiten Drosselorgan
handelt es sich um die Drosselklappe 6 im Ansaugtrakt 40.
Durch beide Drosselorgane kann die den Brennräumen 30 der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Frischluftmenge
variiert werden. Die Frischluftmenge ist jedoch derart einzustellen,
dass ein von einem Kraftfahrzeugführer angefordertes Drehmoment
der Brennkraftmaschine 1 realisiert wird. Bei einer gleichzeitigen
Ansteuerung beider Drosselorgane kann es daher zu einer gegenseitigen
Beeinflussung zu einem ungewollten Reglerverhalten und zu einer
Verminderung des Fahrkomforts kommen.
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Im
Folgenden wird anhand der 3 ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Steuern einer solchen aufgeladenen Brennkraftmaschine beschrieben,
mittels dem eine exakte Einstellung der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft,
eine stabiles Reglerverhalten und ein hoher Fahrkomfort gewährleistet
wird.
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Das
Verfahren wird mit Schritt 300 beispielsweise beim Einschalten
der Zündung
der Brennkraftmaschine 1 gestartet. Im Schritt 301 wird
von der Steuereinrichtung 26 ein erster Sollwert für den Druck
im Ansaugtrakt 40 stromabwärts der Drosselklappe 6,
vorzugsweise der Sollwert für
den Druck im Saugrohr 7, ermittelt. Ferner wird ein zweiter
Sollwert für
den Druck im Ansaugtrakt 4 zwischen dem Verdichter 5 und
der Drosselklappe 6, vorzugsweise der Druck unmittelbar
vor der Drosselklappe 6, ermittelt.
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Das
Verfahren fährt
mit Schritt 302 fort, in dem überprüft wird, ob sich der aktuelle
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1, welcher beispielsweise
durch die Drehzahl und die aktuell angesaugte Frischluftmenge bestimmt
wird, innerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 befindet,
in dem eine hohe Regelgüte
des zu regelnden Lastparameters der Brennkraftmaschine erforderlich
ist. Vorzugsweise wird als Lastparameter die angesaugte Frischluftmenge
oder der Saugrohrdruck herangezogen. Insbesondere kann eine hohe Regelgüte des Lastparameters
im Leerlaufbetriebsbereich erforderlich sein, um einen stabilen
Leerlaufbetrieb zu gewährleisten.
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Bei
einem positiven Ergebnis der Abfrage im Schritt 302 führt das
Verfahren mit dem Schritt 303 fort, in dem das erste Drosselorgan
(hier die Einrichtung 60 des Verdichters 5), mit
dem die Anströmung des
Verdichterrads 5 variiert werden kann, vorgesteuert und
die tatsächliche
Regelung des Lastparameters mittels des zweiten Drosselorgans (hier
die Drosselklappe 6) vorgenommen wird. Dies hängt damit
zusammen, dass mit der Drosselklappe 6 im Vergleich zur
Einrichtung 60 des Verdichters 5 deutlich höhere Regelgüte erzielbar
ist.
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Bei
einem negativen Ergebnis der Abfrage im Schritt 302 fährt das
Verfahren mit Schritt 304 fort, in dem überprüft wird, ob der ermittelte
zweite Sollwert für
den Druck im Ansaugtrakt 40 größer ist als der ermittelte
erste Sollwert für
den Druck im Ansaugtrakt 40.
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Bei
dem positiven Ergebnis im Schritt 304 fährt das Verfahren im Schritt 303 fort.
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Bei
einem negativen Ergebnis der Abfrage im Schritt 304 fährt das
Verfahren mit Schritt 305 fort, in dem das zweite Drosselorgan
(hier die Drosselklappe 6) vorgesteuert und die tatsächliche
Regelung des Lastparameters mittels des ersten Drosselorgans, das
heißt
der Einrichtung 60 des Verdichters 5 zur Beeinflussung
der Anströmung
des Verdichterrads 55, geregelt wird.
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Nach
Durchführung
der Schritte 303 oder 305 kehrt das Verfahren
zu Schritt 301 zurück.
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Das
anhand von 3 beschriebene Verfahren zur
Steuerung der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 stellt
eine Strategie zur Koordination zweier im Ansaugtrakt 40 befindlichen
steuerbaren Drosselorgane 6, 60 dar. Das genannte
Verfahren gewährleistet
ein stabiles Reglerverhalten, eine hohe Regelgüte in sensiblen Betriebsbereichen
der Brennkraftmaschine 1, ein stabilen Lauf der Brennkraftmaschine
und einen hohen Fahrkomfort. Erfolgt die Regelung der Last durch
das eine der beiden Drosselorgane so wird das jeweils andere Drosselorgan
vorgesteuert. Durch diese Vorsteuerung ist eine sehr schnelle Einstellung
des gewünschten
Betriebspunktes möglich.
Die exakte Regelung des Lastparameters auf den Sollwert erfolgt
dann mittels des jeweils anderen Drosselorgans.
