DE102010043897B4

DE102010043897B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010043897B4
Application number: DE102010043897.9A
Authority: DE
Inventors: Sinan Yilman; Rene Neusinger; Helge Frauenkron; Andreas Stramm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2030-11-16
Also published as: CN102465767B; CN102465767A; FR2967469A1; DE102010043897A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit einem Luftzuführungssystem (4), wobei in dem Luftzuführungssystem (4) eine Drosselklappe (7) zum Drosseln eines Luftstroms und stromabwärts dazu ein Kompressor (8) einer Aufladeeinrichtung (9) zum Pumpen von Luft angeordnet sind, wobei der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung (9) mit Hilfe eines Bypassventils (13) einstellbar ist, mit folgenden Schritten:- Ermitteln einer Soll-Füllungsangabe für den Verbrennungsmotor (2), die eine Angabe zum Einstellen einer Luftfüllung für den Verbrennungsmotor (2) darstellt;- abhängig von der Soll-Füllungsangabe, Betreiben des Verbrennungsmotors (2) in einer ersten Betriebsart oder in einer zweiten Betriebsart, wobei die einzustellende Soll-Luftfüllung zum Betreiben des Verbrennungsmotors (2) in der ersten Betriebsart maßgeblich durch ein Einstellen der Stellung der Drosselklappe (7) bei konstantem Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung (9), insbesondere bei einem Wirkungsgrad von 0, und in der zweiten Betriebsart maßgeblich durch Einstellen des Wirkungsgrades der Aufladeeinrichtung (9) bei einem Beibehalten eines vorgegebenen konstanten Druckverhältnis über der Drosselklappe (7) eingestellt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren für Motorsysteme, bei denen eine Regelklappe zum Steuern eines Luftstroms wie zum Beispiel eines Drosselklappe, stromaufwärts einer steuerbaren Aufladevorrichtung, wie zum Beispiel einem Kompressor, angeordnet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere Steuerverfahren zum Einstellen einer gewünschten Luftfüllung durch Steuern der Drosselklappe und der Aufladevorrichtung.
Stand der Technik
Bei einer Vielzahl von bekannten Motorsystemen ist eine Regelklappe zum Steuern eines Luftstroms, wie zum Beispiel einer Drosselklappe, stromabwärts der Kompressoreinheit einer Aufladevorrichtung angeordnet. Hierbei wirkt die Drosselklappe als Hauptfüllungssteller. Alternativ hierzu gibt es auch Motorsysteme, bei welchen die Drosselklappe stromaufwärts der Kompressoreinheit der Aufladevorrichtung angeordnet ist. In diesen Motorsystemen ist eine besondere Regelstrategie erforderlich, um ein ausreichend dynamisches Verhalten beim Betrieb eines solchen Motorsystems zu erreichen.
Hierzu ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2008 022 214 B3 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Drosselklappe und einer Bypassklappe in einem Luftzuführungssystem eines Verbrennungsmotors bekannt. Abhängig von einem Sollwert eines Ladedrucks stromabwärts der Aufladevorrichtung wird entweder die Drosselklappe oder eine zum variablen Steuern der Kompressoreinheit der Aufladevorrichtung verwendeten Umluftklappe so angesteuert, so dass ein vorgegebener Luftmassenstrom in die Zylinder des Verbrennungsmotor entsteht. Es wird ein Sollwert des Drosselklappendruckverhältnisses als Verhältnis der Drücke stromaufwärts und stromabwärts der Drosselklappe und die Umluftklappe abhängig von einem Sollwert eines Umluftklappendruckverhältnisses als Verhältnis der Drücke stromaufwärts und stromabwärts der Aufladevorrichtung angesteuert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Drosselklappe und einer Aufladevorrichtung in einem Luftzuführungssystem eines Verbrennungsmotors zur Verfügung zu stellen, wobei der Luftmassenstrom in die Zylinder des Verbrennungsmotors genauer gesteuert werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem verbesserten dynamischen Verhalten vorzusehen.
Die DE 44 17 647 A1 und die US 7 426 828 B2 offenbaren jeweils Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Drosselklappe und einer Aufladeeinrichtung. In einer erste Betriebsart wird die Luftfüllung durch die Drosselklappe und in einer zweiten Betriebsart durch die Aufladeeinrichtung eingestellt. In der US 8 136 357 B2 wird ein weiteres Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Drosselklappe und einer Aufladeeinrichtung beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Luftzuführungssystem vorgesehen, wobei in dem Luftzuführungssystem eine Drosselklappe zum Drosseln eines Luftstroms und stromabwärts dazu ein Kompressor einer Aufladeeinrichtung zum Pumpen von Luft angeordnet sind, wobei der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung mit Hilfe eines Bypassventils einstellbar ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Ermitteln einer Soll-Füllungsangabe für den Verbrennungsmotor, die eine Angabe zum Einstellen einer Luftfüllung für den Verbrennungsmotor darstellt;
- abhängig von der Soll-Füllungsangabe, Betreiben des Verbrennungsmotors in einer ersten Betriebsart oder in einer zweiten Betriebsart,

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, einen Verbrennungsmotor abhängig von einer Soll-Füllungsangabe in verschiedenen Betriebsarten zu betreiben, wobei je nach geforderter Luftfüllung der Verbrennungsmotor entweder in einem Saugbetrieb oder in einem aufgeladenen Betrieb betrieben wird. Der Sollwert der Luftfüllung, wie z.B. der Sollwert des Luftmassenstroms oder des Saugrohrdrucks, ergibt sich aus einer externen Vorgabe sowie abhängig von Umgebungsbedingungen und Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors. Je nach Höhe der Soll-Luftfüllung wird der Verbrennungsmotor in einem Saugbetrieb betrieben, bei dem die Luftfüllung bei im Wesentlichen deaktivierter Aufladevorrichtung, d.h. maßgeblich durch Einstellung der Drosselklappe eingestellt wird, oder in einer aufgeladenen Betriebsart betrieben, bei der die Drosselklappe auf ein festgelegtes Drosselklappendruckverhältnis bzw. Drossel-Druck ausgangsseitig der Drosselklappe eingestellt wird, und die Luftfüllung maßgeblich durch das Einstellen des Wirkungsgrades der Aufladeeinrichtung eingestellt wird. Durch eine derartige Aufteilung in verschiedenen Betriebsarten ist es möglich, den Luftmassenstrom in die Zylinder des Verbrennungsmotors genauer zu steuern. Mit dem beschriebenen Verfahren können auch die Drosselverluste der Drosselklappe gering gehalten werden, was den Kraftstoffverbrauch optimiert.
Darüber hinaus ermöglicht das obige Verfahren die Erfüllung von Gesetzesanforderungen, speziell in Bezug auf die Tankentlüftung mit einfachen Mitteln, da zwischen der Drosselklappe und der Aufladevorrichtung ein bezüglich des Umgebungsdrucks bei nahezu allen Betriebsbereichen verringerter Druck vorherrscht. Eine bei derartigen Motortopologien vorgesehene doppelte Einleitstelle der Tankentlüftung kann dadurch entfallen.
Weiterhin wird durch das obige Verfahren zusätzlich das dynamische Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors beim Lastwechsel verbessert. Dies wirkt sich besonders positiv bei einem Lastwechsel von kleinen Lasten und kleinen Drehzahlen hin zu großen Lasten aus. Weiterhin wird die Geräuschentwicklung des Kompressors der Aufladevorrichtung gedämpft, da die Drosselklappe über einen großen Teil des Betriebsbereichs des Verbrennungsmotors nicht vollständig geöffnet ist.
Wenn als Hauptfüllungssensor ein Heißfilmmassensensor verwendet wird, wird dessen Signal in der aufgeladenen Betriebsart nicht oder nur sehr gering beeinflusst, da die Drosselklappe nicht voll geöffnet ist und somit auftretende Pulsationen gedämpft werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Füllungsangabe einem Soll-Saugrohrdruck entspricht, der in einem Abschnitt des Luftzuführungssystems stromabseitig des Kompressors einzustellen ist.
Bei der ersten Betriebsart kann die Drosselklappe so gestellt werden, um ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiges Drosselklappendruckverhältnis bzw. ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiger Drossel-Druck als Druck ausgangsseitig der Drosselklappe einzustellen, wobei bei der zweiten Betriebsart die Drosselklappe so gestellt wird, um ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiges Drosselklappendruckverhältnis bzw. ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiger Drossel-Druck als Druck stromabwärts der Drosselklappe einzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei einer Soll-Füllungsangabe, die innerhalb eines vorgegebenen Volllast-Bereichs liegt, der zwischen einem vorgegebenen Volllast-Saugrohrdruck und einem maximalen Saugrohrdruck definiert ist, der Verbrennungsmotor in einer dritten Betriebsart betrieben werden, bei der eine Erhöhung der Soll-Füllungsangabe zu einem Erhöhen des Drosselklappendruckverhältnisses bzw. des Drossel-Drucks und zu einem Erhöhen des Wirkungsgrades der Aufladeeinrichtung führt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Übergang zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart durch Vorgabe eines Schwellenwerts für das Drosselklappendruckverhältnis oder eines Schwellenwerts für den Drossel-Druck oder eines Saugrohrdruckschwellenwerts bestimmt wird.
Weiterhin kann bei einer Änderung der Soll-Füllungsangabe, die einen Wechsel von einem Betriebspunkt in der ersten Betriebsart zu einem Betriebspunkt in der zweiten Betriebsart angibt, der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung solange unverändert beibehalten werden, bis das Verhältnis bzw. die Differenz zwischen einem Istwert eines Drucks ausgangsseitig des Kompressors und einem Sollwert eines Drucks eingangsseitig des Kompressors, einen für den aktuellen Betriebspunkt vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Luftzuführungssystem vorgesehen, wobei in dem Luftzuführungssystem eine Drosselklappe zum Drosseln eines Luftstroms und stromabwärts dazu ein Kompressor einer Aufladeeinrichtung zum Pumpen von Luft angeordnet sind, wobei der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung mit Hilfe eines Bypassventils einstellbar ist; wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

- eine Soll-Füllungsangabe für den Verbrennungsmotor zu ermitteln, die eine Angabe zum Einstellen einer Luftfüllung für den Verbrennungsmotor darstellt;
- um abhängig von der Soll-Füllungsangabe den Verbrennungsmotor in einer ersten Betriebsart oder in einer zweiten Betriebsart zu betreiben,

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und mit der obigen Vorrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, dem Luft über ein Luftzuführungssystem zugeführt wird;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems gemäß 1; und
3 ein Diagramm zur Darstellung der Steuerstrategie der Auflageeinrichtung in der Drosselklappe in dem Motorsystem der 1.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylinder 3 aufweist. Die Anzahl der Zylinder 3 ist jedoch für die vorliegende Erfindung von nebengeordneter Bedeutung, und es können somit auch Verbrennungsmotoren mit einer anderen Anzahl von Zylindern 3 vorgesehen werden.
Dem Verbrennungsmotor 3 wird Luft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt. Das Luftzuführungssystem 4 umfasst einen Luftkanal 5, in den über eine Ansaugöffnung 6 Umgebungsluft angesaugt wird. Die Umgebungsluft wird zunächst über eine Drosselklappe 7 und anschließend über einen Kompressor 8 einer Aufladevorrichtung 9 an die Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 geleitet. Mit anderen Worten weist das Motorsystem 1 eine Topologie auf, bei der die Drosselklappe 7 stromaufwärts der Aufladevorrichtung 9 angeordnet ist.
Der Kompressor 8 der Aufladevorrichtung 9 kann z.B. mechanisch durch direkte Ankopplung an eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 2 angetrieben werden. Dabei wird Nutzleistung des Verbrennungsmotors abgezweigt, um Bewegungsenergie zum Antreiben des Kompressors 8 bereitzustellen. Die Eingangsseite und die Ausgangsseite des Kompressors 8 sind über eine Umgehungsleitung 12 miteinander verbunden, in der eine variabel steuerbare Bypassklappe 13 angeordnet ist, um den Wirkungsgrad der Aufladevorrichtung 9 einzustellen, d.h. durch Einstellen der Bypassklappe 13 kann die effektive Kompressionsleistung der Aufladevorrichtung 9 bzw. dessen Wirkungsgrad eingestellt werden. Obwohl der Kompressor 8 fest mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, wird ein Teil des durch den Kompressor aufgebauten Druckes über die Umgehungsleitung 12 wieder auf die Eingangsseite des Kompressors 8 zurückgeführt, so dass die Luft teilweise zirkuliert. Der Anteil der zirkulierenden Luft zu der Luftmenge, die zum Aufbau des Saugrohrdrucks vorgesehen ist, wird durch die Bypassklappe 13 eingestellt.
Der Verbrennungsmotor 2 ist vorzugsweise als Ottomotor ausgebildet, so dass das vom Verbrennungsmotor 2 bereitzustellende Drehmoment über die in den Zylindern 3 vorhandene Luftfüllung gesteuert wird. Entsprechend der Luftfüllung wird bei Vorgabe eines gewünschten Kraftstoff-/Luft-Verhältnis, insbesondere unter der Vorgabe eines stöchiometrischen Kraftstoffverhältnisses von Lambda = 1, die den Zylindern 3 zuzuführende Kraftstoffmenge bemessen und eingespritzt. Kraftstoff kann den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 3 durch Direkteinspritzung oder durch eine Saugrohreinspritzung in einem Abschnitt des Luftzuführungssystems 4 zwischen dem Kompressor 8 und den Einlassventilen (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 2 zugeführt werden. Die Luftfüllung entspricht im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 einem permanenten Luftmassenstrom, der durch das Luftzuführungssystem 4 dem Verbrennungsmotor 2 zugeleitet wird.
Zur Steuerung des Motorsystems 1 ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die abhängig von Zustandsgrößen und externen Vorgaben, wie zum Beispiel eine Vorgabe eines Fahrerwunschmomentes, die Luftzufuhr in den Verbrennungsmotor 2 einstellt. Die Zustandsgrößen, mit dessen Hilfe die Steuereinheit 15 die entsprechenden Einstellungen der Drosselklappe 7 und der Bypassklappe 13 ermittelt, können neben anderen der Umgebungsdruck, der Druck in dem Abschnitt des Luftzuführungssystems 4 zwischen der Drosselklappe 7 und dem Kompressor 8 sowie dem Druck in einem Saugrohrabschnitt stromabwärts des Kompressors 8, d.h. in dem Abschnitt des Luftzuführungssystems 4 zwischen dem Kompressor 8 und den Einlassventilen der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 sein. Weiterhin können als Zustandsgrößen die Drehzahl, die Last und andere berücksichtigt werden.
Zum Messen der Drücke wie zum Beispiel des Umgebungsdruckes pu und des Saugrohrdrucks im Saugrohrabschnitt des Luftzuführungssystems 8 stromabwärts des Kompressors 8 sind Drucksensoren, nämlich der Umgebungsdrucksensor 16 und der Saugrohrdrucksensor 17 vorgesehen. Zum Detektieren des momentanen Luftmassenstroms kann stromaufwärts der Drosselklappe 7 ein Heißfilm-Luftmassensensor 18 vorgesehen sein.
In 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Motorsystems 1 der 1 dargestellt. Gemäß dem vorgestellten Verfahren wird er Verbrennungsmotor 2 so gesteuert, dass er in zwei Betriebsarten betrieben werden kann. Eine erste Betriebsart wird Saugbetriebsart genannt und der dem Verbrennungsmotor 2 bereitzustellende Luftmassenstrom wird vollständig, d.h. maßgeblich durch Einstellen der Drosselklappe 7 bei vollständig oder nahezu vollständig geöffneter Bypassklappe 13 eingestellt. Durch das vollständige Öffnen der Bypassklappe 13 besteht keine nennenswerte Druckdifferenz zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Kompressors 8. Im Wesentlichen wird der Verbrennungsmotor 2 im Saugbetrieb wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor betrieben.
In einer zweiten Betriebsart, die einer aufgeladenen Betriebsart entspricht, wird durch vollständiges oder teilweises Schließen der Bypassklappe 13 der Luftmassenstrom größtenteils durch die Förderleistung des Kompressors 8 bewirkt. Dabei drosselt die nicht vollständig geöffnete Drosselklappe 7 die Förderleistung, indem sie der Ansaugwirkung des Kompressors 8 entgegenwirkt. Die Drosselklappe 7 wird während der aufgeladenen Betriebsart so eingestellt, dass der eingangsseitige Druck an dem Kompressor 8 im Wesentlichen konstant bleibt.
Im Detail wird in Schritt S1 abgefragt, ob ein gewünschter Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll}, d.h. der Druck zwischen dem Kompressor 8 und den Einlassventilen der Zylinder 3, kleiner als ein vorgegebener Saugrohrdruckschwellenwert p_{thr_Saugrohr} ist. Der Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} ergibt sich durch einen gewünschten Luftmassenstrom in die Zylinder 3, der von der Steuereinheit entsprechend einem Soll-Moment in bekannter Weise ermittelt wird.
Ist der Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} kleiner als der vorgegebene Saugrohrdruckschwellenwert p_{thr_Saugrohr} (Alternative: Ja), so wird in Schritt S2 der Verbrennungsmotor gemäß der Saugbetriebsart betrieben. In der Saugbetriebsart ist der Kompressor 8 im Wesentlichen deaktiviert, indem die Bypassklappe 13 vollständig geöffnet ist, so dass der Kompressor 8 keinen Druck im Saugrohrabschnitt aufbauen kann. Der für die Füllung der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 benötigte Luftmassenstrom wird in dieser Betriebsart ausschließlich durch die Stellung der Drosselklappe 7 eingestellt, wie dies von einem herkömmlichen Ottomotor bekannt ist.
Erreicht oder übersteigt der geforderte Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} den Saugrohrdruckschwellenwert p_{thr_Saugrohr} (Alternative: Nein), so wird der Verbrennungsmotor in einem aufgeladenen Betrieb betrieben. Der aufgeladene Betrieb wird gemäß Schritt S3 so durchgeführt, dass ein Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} konstant gehalten wird und die Bypassklappe 13 zum Einstellen des Wirkungsgrades der Aufladeeinrichtung 9 so eingestellt wird, dass der geforderte Luftmassenstrom dem Verbrennungsmotor 2 bereitgestellt wird. Das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} entspricht einem Verhältnis des Drucks stromaufwärts der Drosselklappe 7, der im Wesentlichen einem Umgebungsdruck pu entspricht, zu einem Drossel-Druck pndk stromabwärts der Drosselklappe 7. Der Drossel-Druck pndk ausgangsseitig der Drosselklappe 7 entspricht in der Saugrohrbetriebsart im Wesentlichen dem Saugrohrdruck p_Saugrohr, da der Kompressor 8 der Aufladevorrichtung 9 im Wesentlichen passiv geschaltet ist, indem die Bypassklappe 13 vollständig geöffnet ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann in einem Volllastbereich, der sich an den Bereich des aufgeladenen Betriebs anschließt, wobei die Bypassklappe 13 vollständig geschlossen ist, die Drosselklappe 7 von der Stellung, die das vorgegebene Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} bestimmt, vollständig geöffnet werden, um die maximale Leistung zu erzielen. Der Bereich der aufgeladenen Betriebsart, in dem die Drosselklappe 7 vollständig geöffnet wird, ist kalibrierbar, insbesondere ist der Saugrohrdruckschwellenwert p_{thr_Saugrohr} anwendungsspezifisch vorgebbar.
Die Abfrage des Schritts S1 wird zyklisch wiederholt und in entsprechender Weise die Saugrohrbetriebsart und die aufgeladene Betriebsart abhängig von dem Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} ausgewählt.
In 3 ist eine schematische Darstellung der Saugbetriebsart, der aufgeladenen Betriebsart und einer Volllastbetriebsart abhängig von dem Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll}, der die Füllung der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 angibt, dargestellt.
In einem Bereich S der Saugbetriebsart wird abhängig von dem einzustellenden Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} eingestellt, um einen Druck pndk ausgangsseitig der Drosselklappe 7 einzustellen.
Die Beziehung des vorgegebenen Drosselklappendruckverhältnisses V_{Drosselklappe} über dem einzustellenden Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} ist in der Regel linear, kann jedoch auch andere Verläufe aufweisen. Die gestrichelte Linie K2 gibt die Stellung der Drosselklappe 7 an, um das entsprechende Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe}, das mit der Kurve K1 dargestellt ist, einzustellen. Die Kurve K1 gibt den Drossel-Druck pndk ausgangsseitig der Drosselklappe 7 an und beginnt mit einem minimal einstellbaren Druck pndk_min, der betriebspunktabhängig ist und insbesondere vom Luftmassenstrom abhängt. Der maximale Drossel-Druck pndk_max entspricht dem Druck pvd vor der Drosselklappe und wird bei vollständig geöffneter Drosselklappe 7 eingenommen. Insbesondere kann der Druck pvd vor der Drosselklappe ermittelt werden abhängig von dem Umgebungsdruck pu und dem Druckabfall an einem (nicht gezeigten) Luftfilter.
Übersteigt der geforderte Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} den Saugrohrdruckschwellenwert p_{thr_Saugrohr}, der beispielsweise fest vorgegeben sein kann oder abhängig vom Druck pvd vor der Drosselklappe und von einem vorgegebenen Boost-Faktor F_Boost abhängig sein kann, wie zum Beispiel 0,95 × pvd × F_Boost, so wird in dem Verbrennungsmotor 2 in der aufgeladenen Betriebsart weiter betrieben. In der aufgeladenen Betriebsart wird das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} , d.h. der Drossel-Druck pndk ausgangsseitig der Drosselklappe 7, im Wesentlichen eingefroren und auf einem konstanten Wert gehalten. Das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} kann dann z.B. dem Wert des Drosselklappendruckverhältnisses V_{Drosselklappe} bei Erreichen eines Saugrohrdrucks entsprechen, der dem Saugrohrdruckschwellenwert p_{thr_Saugrohr} entspricht. Im in 3 dargestellten Beispiel entspricht das Drosselklappendruckverhältnis 0,95.
Die Kurve K3 gibt die Stellung der Bypassklappe 13 in der Umgehungsleitung 12 des Kompressors 8 an. Man erkennt, dass beim Übergang in den Bereich A der aufgeladenen Betriebsart begonnen wird, die Bypassklappe 13 von ihrem vollständig geöffneten Zustand in Richtung ihrer Schließstellung zu bewegen, so dass die Förderleistung des Kompressors 8 erhöht wird, da der Anteil der zirkulierenden Luftmenge reduziert wird. Die Stellung der Bypassklappe 13 ergibt sich daraus, welcher Luftmassenstrom zum Bereitstellen der Sollfüllung der Zylinder 3 benötigt wird. Gleichzeitig wird das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} während der aufgeladenen Betriebsart konstant gehalten, was zu einer entsprechenden sich verändernden Einstellung der Stellung der Drosselklappe 7 (Kurve K2) führt. Die Kurve K2 gibt im Bereich A der aufgeladenen Betriebsart die der geforderten Luftfüllung (die im Wesentlichen dem Luftmassenstrom bzw. Saugrohrdruck zugeordnet ist) zugeordnete Stellung der Drosselklappe 7 an. Man erkennt, dass, obwohl das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} konstant ist, sich die Stellung der Drosselklappe 7 hin zu größeren Soll-Saugrohrdrücken p_{Saug_Soll} ändert, da der geförderte Luftmassenstrom ansteigt.
In einem Bereich V einer Volllastbetriebsart, der sich hin zu größeren Saugrohrdrücken p_Saugrohr über einen vorgegebenen Volllast-Saugrohrdruck an den Bereich A der aufgeladenen Betriebsart anschließt, kann das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} nun von dem konstanten Wert ausgehend weiter erhöht werden, zum Beispiel linear bis hin zur vollständig geöffneten Drosselklappe 7. Weiterhin kann auch die Bypassklappe 13 weiter geschlossen werden, um den maximalen Luftmassenstrom bereitzustellen. Zu welchem Zeitpunkt im Bereich V der Volllastbetriebsart das Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} von dem beim Übergang von dem Bereich A der aufgeladenen Betriebsart zu dem Bereich V der Volllastbetriebsart vorgegebenen Volllast-Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe} auf 1 oder nahezu 1 erhöht wird, ist im Wesentlichen frei applizierbar. Anstelle des vorgegebenen Volllast-Saugrohrdrucks kann der Übergang zu dem Bereich V auch durch ein vorgegebenes Volllast-Drosselklappendruckverhältnis V_{Drosselklappe_Volllast} vorgegeben werden.
Anstelle des Saugrohrdruckschwellenwertes p_{thr_Saugrohr}, der den Übergang zwischen dem Bereich S der Saugrohrbetriebsart und dem Bereich A der aufgeladenen Betriebsart definiert, kann der Schwellenwert auch als Schwellenwert für das Drosselklappendruckverhältnis V_{thr_Drosselklappe} vorgegeben werden. Der Schwellenwert für das Drosselklappendruckverhältnis V_{thr_Drosselklappe} kann abhängig vom maximalen Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} ausgangsseitig des Kompressors 8, insbesondere abhängig von einem Druck vor einem (nicht gezeigten) Ladeluftkühler stromabwärts des Kompressors 8 und abhängig von einem Sollwert des Drucks ausgangsseitig des Kompressors 8 vorgegeben werden. Insbesondere kann der Sollwert des Drucks vor dem Ladeluftkühler ermittelt werden abhängig von dem Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} und einem Druckabfall an dem Ladeluftkühler. Weiterhin kann anstelle des Saugrohrdruckschwellenwertes p_{thr_Saugrohr} der Übergang zwischen den Bereichen der Betriebsarten auch Schwellenwerte für andere die Luftfüllung bestimmende Größen, wie z.B. ein Luftmassenstrom verwendet werden.
Der Druckabfall an dem Ladeluftkühler kann beispielsweise abhängig von einem Luftmassenstrom über den Ladeluftkühler bzw. einer davon abhängigen Größe ermittelt werden. Als Angabe des Luftmassenstroms über den Ladeluftkühler kann sowohl der Sollwert des Luftmassenstroms über den Ladeluftkühler als auch dessen Ist-Wert verwendet werden. Die Angabe über den Luftmassenstrom über den Ladeluftkühler kann bei einem stationären Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch den Ist-Wert des Luftmassenstroms über den Ladeluftkühler und die erste Größe bei einem instationären Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch den Sollwert des Luftmassenstroms über den Ladeluftkühler ermittelt werden.
Weiterhin kann der Schwellenwert des Drosselklappendruckverhältnisses V_{thr_Drosselklappe} abhängig von zusätzlichen weiteren motorischen Größen, insbesondere einer Anforderung eines Mindestluftmassenstroms, gewählt werden, der für eine ordnungsgemäße Tanklüftung in den Abschnitt des Luftzuführungssystems 4 zwischen der Drosselklappe 7 und dem Kompressor 8 benötigt wird. Normalerweise wird als der Schwellenwert für das Drosselklappendruckverhältnis V_{thr_Drosselklappe} ein Wert in einem Bereich von 0,9 bis 0,99 und insbesondere wie oben beschrieben ein Wert von 0,95 gewählt.
Um einen großen Massenstrom der Tankentlüftung zu erzielen, ist ein kleinerer Schwellenwert des Drosselklappendruckverhältnisses V_{thr_Drosselklappe} notwendig. Im Bereich A der aufgeladenen Betriebsart kann man dazu die Drosselklappe 7 weiter als notwendig schließen, das heißt weiter androsseln, als dies beim festgelegten Übergang zwischen dem Bereich S der Saugbetriebsart zu dem Bereich A der aufgeladenen Betriebsart der Fall ist. Gleichzeitig kann der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung 9 mit Hilfe der Bypassklappe 13 so eingestellt werden, dass sich der Sollwert des Luftmassenstroms über die Drosselklappe 7 und der Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} einstellen kann. Es entsteht also ein geringerer Drossel-Druck pndk stromabwärts der Drosselklappe 7, der einen größeren Massenstrom für die Tankentlüftung ermöglicht.
Der maximale Sollwert des Drucks ausgangsseitig des Kompressors 8 kann abhängig von einem maximalen Soll-Saugrohrdruck p_{Saug_Soll} und einem Druckabfall an einem Ladeluftkühler ermittelt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der für den aktuellen Betriebspunkt vorgegebene Sollwert eines Bypassklappendruckverhältnisses V_{Bypass_soll} abhängig von einem Sollwert eines Drossel-Drucks pndksoll nach der Drosselklappe 7 und einem Druck pvd vor der Drosselklappe 7 vorgegeben werden. Das Bypassklappendruckverhältnis V_Bypass kann das Verhältnis des Drossel-Drucks pndk und dem Druck stromabwärts des Kompressors 8 angeben.
Der Sollwert des Luftmassenstroms durch den Kompressor 8 kann abhängig von einem Sollwert des Volumenstroms über den Kompressor 8 ermittelt werden. Der Sollwert des Volumenstroms über dem Kompressor 8 kann mithilfe der Drehzahl des Kompressors und einem Sollwert des Bypassklappendruckverhältnisses V_{Sypass_soll}, der beispielsweise aus dem Sollwert des Drucks stromaufwärts des Ladeluftkühlers, d.h. unmittelbar ausgangsseitig des Kompressors 8 und dem Sollwert des Drossel-Drucks pndksoll bestimmt werden kann, ermittelt werden. Die Angabe über die Drehzahl des Kompressors 8 kann einen Sollwert und/oder einen Ist-Wert der Drehzahl des Kompressors 8 betreffen.
Der Saugrohrdruck p_Saugrohr wird gemäß einer Regelung eingestellt und der Sollwert des Luftmassenstroms kann abhängig von einem langsamen Adaptionsanteil und einem schnellen Regleranteil ermittelt werden. Der Regleranteil ist vorzugsweise mittels eines PID- Reglers aus der Differenz eines Saugrohrdrucks p_Saugrohr und eines Sollwerts des Saugrohrdrucks p_{Saug_Soll} bestimmt. Der Adaptionsanteil wird bevorzugt durch den Integratoranteil des Regleranteils realisiert, wobei der Adaptionsanteil abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 gebildet werden kann. Der Betriebszustand kann beispielsweise mithilfe der Drehzahl und des Soll-Saugrohrdrucks p_{Saug_Soll} angegeben werden.
Bei dem Übergang vom Bereich S der Saugbetriebsart in den Bereich A der aufgeladenen Betriebsart kann bei einem instationären Betriebszustand, d.h. bei einem schnellen Wechsel von einem Betriebspunkt in dem Bereich S der Saugbetriebsart zu einem Betriebspunkt im Bereich A der aufgeladenen Betriebsart, die Bypassklappe 13 zunächst weiter geöffnet bleiben, als dieses bei dem gewünschten Betriebspunkt im Bereich A der aufgeladenen Betriebsart vorgesehen ist. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass diese Ausgestaltung des Übergangs vom Bereich der Saugbetriebsart in den Bereich A der aufgeladenen Betriebsart jedoch nur solange wirksam ist, bis das Verhältnis bzw. die Differenz zwischen einem Istwert des Kompressorausgangsdrucks und einem Sollwert eines Kompressoreingangsdrucks, d.h. des Drossel-Drucks pndk stromabwärts der Drosselklappe 7, einen für den aktuellen Betriebspunkt vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Hierdurch ist im dynamischen Fall, bei dem ein Wechsel von dem Bereich S der Saugbetriebsart zu dem Bereich A der aufgeladenen Betriebsart notwendig ist, eine Luftströmung über die Bypassklappe 13 in entgegengesetzter Richtung möglich. Dadurch erfolgt eine schnellere Füllung, wodurch das dynamische Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors 2 gesteigert werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit einem Luftzuführungssystem (4), wobei in dem Luftzuführungssystem (4) eine Drosselklappe (7) zum Drosseln eines Luftstroms und stromabwärts dazu ein Kompressor (8) einer Aufladeeinrichtung (9) zum Pumpen von Luft angeordnet sind, wobei der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung (9) mit Hilfe eines Bypassventils (13) einstellbar ist, mit folgenden Schritten: - Ermitteln einer Soll-Füllungsangabe für den Verbrennungsmotor (2), die eine Angabe zum Einstellen einer Luftfüllung für den Verbrennungsmotor (2) darstellt; - abhängig von der Soll-Füllungsangabe, Betreiben des Verbrennungsmotors (2) in einer ersten Betriebsart oder in einer zweiten Betriebsart, wobei die einzustellende Soll-Luftfüllung zum Betreiben des Verbrennungsmotors (2) in der ersten Betriebsart maßgeblich durch ein Einstellen der Stellung der Drosselklappe (7) bei konstantem Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung (9), insbesondere bei einem Wirkungsgrad von 0, und in der zweiten Betriebsart maßgeblich durch Einstellen des Wirkungsgrades der Aufladeeinrichtung (9) bei einem Beibehalten eines vorgegebenen konstanten Druckverhältnis über der Drosselklappe (7) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Füllungsangabe einem Soll-Saugrohrdruck entspricht, der in einem Abschnitt des Luftzuführungssystems stromabseitig des Kompressors (8) einzustellen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei bei der ersten Betriebsart die Drosselklappe (7) so gestellt wird, um ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiges Drosselklappendruckverhältnis bzw. ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiger Drossel-Druck (pndk) als Druck ausgangsseitig der Drosselklappe (7) einzustellen, wobei bei der zweiten Betriebsart die Drosselklappe (7) so gestellt wird, um ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiges Drosselklappendruckverhältnis bzw. ein von der Soll-Füllungsangabe abhängiger Drossel-Druck (pndk) als Druck stromabwärts der Drosselklappe (7) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei einer Soll-Füllungsangabe, die innerhalb eines vorgegebenen Volllast-Bereichs liegt, der zwischen einem vorgegebenen Volllast-Saugrohrdruck und einem maximalen Saugrohrdruck definiert ist, der Verbrennungsmotor (2) in einer dritten Betriebsart betrieben wird, bei der eine Erhöhung der Soll-Füllungsangabe zu einem Erhöhen des Drosselklappendruckverhältnisses bzw. des Drossel-Drucks (pndk) und zu einem Erhöhen des Wirkungsgrades der Aufladeeinrichtung (9) führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei der Übergang zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart durch Vorgabe eines Schwellenwerts für das Drosselklappendruckverhältnis oder eines Schwellenwerts für den Drossel-Druck (pndk) oder eines Saugrohrdruckschwellenwerts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei einer Änderung der Soll-Füllungsangabe, die einen Wechsel von einem Betriebspunkt in der ersten Betriebsart zu einem Betriebspunkt in der zweiten Betriebsart angibt, der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung (9) solange unverändert beibehalten wird, bis das Verhältnis bzw. die Differenz zwischen einem Istwert eines Drucks ausgangsseitig des Kompressors (8) und einem Sollwert eines Drucks eingangsseitig des Kompressors (8), einen für den aktuellen Betriebspunkt vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit einem Luftzuführungssystem(4), wobei in dem Luftzuführungssystem (4) eine Drosselklappe (7) zum Drosseln eines Luftstroms und stromabwärts dazu ein Kompressor (8) einer Aufladeeinrichtung (9) zum Pumpen von Luft angeordnet sind, wobei der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung (9) mit Hilfe eines Bypassventils (13) einstellbar ist; wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: - eine Soll-Füllungsangabe für den Verbrennungsmotor (2) zu ermitteln, die eine Angabe zum Einstellen einer Luftfüllung für den Verbrennungsmotor (2) darstellt; - um abhängig von der Soll-Füllungsangabe den Verbrennungsmotor (2) in einer ersten Betriebsart oder in einer zweiten Betriebsart zu betreiben, wobei die einzustellenden Luftfüllung zum Betreiben des Verbrennungsmotors (2) in der ersten Betriebsart maßgeblich durch ein Einstellen der Stellung der Drosselklappe (7) bei konstantem Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung (9), insbesondere bei einem Wirkungsgrad von 0, und in der zweiten Betriebsart maßgeblich durch Einstellen des Wirkungsgrades der Aufladeeinrichtung (9) bei Einstellen der Drosselklappe (7), so dass ein konstantes Druckverhältnis über der Drosselklappe (7) beibehalten wird, eingestellt wird.
Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit einer Vorrichtung nach Anspruch 7.
Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführt.