DE102014210028A1

DE102014210028A1 - Verfahren und Steuerung zum Steuern eines Aufladungssystems für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102014210028A1
Application number: DE102014210028.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Jeschke; Thorsten Rebohl; Oliver Cassebaum
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Aufladungssystems (3) für eine Verbrennungskraftmaschine (2), wobei das Aufladungssystem (3) wenigstens eine erste (5a) und eine zweite Aufladungsstufe (5b) mit jeweils einem Verdichter (6a, 6b) aufweist, die hintereinander gekoppelt sind und zusammen einen Soll-Gesamtladedruck (p3) für Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine (2) bereitstellen, umfasst die Schritte: Ermitteln (21) eines Ziel-Soll-Gesamtladedrucks; Ermitteln (22) eines Soll-Zwischenladedrucks (p2) zwischen dem ersten (6a) und dem zweiten Verdichter (6b); und Steuern (23) der ersten (5a) und der zweiten (5b) Aufladungsstufe auf Grundlage des Soll-Zwischenladedrucks (p2) derart, dass die erste (5a) und die zweite (5b) Aufladungsstufe zusammen den Ziel-Soll-Gesamtladedruck bereitstellen

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Aufladungssystems für eine Verbrennungskraftmaschine und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.
Allgemein sind Aufladungssysteme für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, bekannt, um Zylinder der Verbrennungskraftmaschine mit Luft mit Überdruck für die Verbrennung von Kraftstoff zu versorgen.
Zur Bereitstellung der Luft mit Überdruck sind bspw. Turbolader und Kompressoren bekannt. Turbolader haben einen Verdichter und sie können mit einem eigenen Antrieb für den Verdichter ausgestattet sein, z.B. einem Elektromotor, oder sie werden z.B. mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine betrieben, wobei sie in diesem Fall auch als Abgasturbolader bezeichnet werden.
Ferner sind Turbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt, die verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln aufweisen. Durch Verstellung des Anstellwinkels der Leitschaufeln kann der Gasdurchsatz verändert werden. Typischerweise wird der Anstellwinkel der Leitschaufeln so geregelt, dass bei wenig Gasdurchsatz und hohem Leistungsbedarf die Leistung des Turboladers durch Verringerung des Strömungsquerschnitts erhöht und bei hohem Gasdurchsatz und niedrigem Leistungsbedarf durch Vergrößerung des Strömungsquerschnitts erhöht wird.
Außerdem sind Aufladungssysteme mit mehr als einer Aufladungsstufe, d.h. z.B. mit zwei hintereinandergeschalteten Turboladern bekannt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 006 612 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Aufladungssystem bekannt, bei dem zwei Verdichter seriell hintereinander geschaltet sind, während Turbinen zum Betreiben der Verdichter parallel geschaltet sind. Mittels einer Drosseleinrichtung ist ein Strömungsquerschnitt stromauf oder stromab einer der Turbinen einstellbar, sodass eine im Abgastrakt angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem entsprechenden Temperaturbereich betreibbar ist.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 2004 056 894 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern, wobei ein Soll-Ladedruck schnell und ohne Überschwingung einstellbar ist. Der Ladedruck der einzelnen Abgasturbolader wird über Stellglieder eingestellt, die wiederum in Abhängigkeit eines am Ausgang der Brennkraftmaschine herrschenden Abgasgegendrucks eingestellt werden.
Nachteilig an dem oben genannten Stand der Technik ist, dass das jeweilige Aufladungssystem nicht flexibel nutzbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Aufladungssystems und eine entsprechende Steuerung zum Steuern eines Aufladungssystems bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die Steuerung nach Anspruch 10 gelöst.
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Aufladungssystems für eine Verbrennungskraftmaschine bereit, wobei das Aufladungssystem wenigstens eine erste und eine zweite Aufladungsstufe mit jeweils einem Verdichter aufweist, die hintereinander gekoppelt sind und zusammen einen Soll-Gesamtladedruck für Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine bereitstellen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Ermitteln eines Ziel-Soll-Gesamtladedrucks;
Ermitteln eines Soll-Zwischenladedrucks, der zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter vorhanden ist; und
Steuern der ersten und der zweiten Aufladungsstufe auf Grundlage des Soll-Zwischenladedrucks derart, dass die erste und die zweite Aufladungsstufe zusammen den Ziel-Soll-Gesamtladedruck bereitstellen.
Nach einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung eine Steuerung für ein Aufladungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug bereit, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach dem ersten Aspekt auszuführen
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Wie eingangs erwähnt, sind Aufladungssysteme mit mehreren Verdichtern bekannt. Es wurde nun erkannt, dass bei solchen Aufladungssystemen mit mehreren Aufladungsstufen ein weiterer Systemfreiheitsgrad vorhanden ist, der in den zu liefernden Ladedruckanteilen der einzelnen Verdichter der Aufladungsstufen liegt, die zum Soll-Gesamtladedruck beitragen.
Dadurch wird es möglich, zum Beispiel in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt einer Verbrennungskraftmaschine, den jeweiligen Ladedruckanteil einer Aufladungsstufe zu steuern.
Dementsprechend umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Aufladungssystems für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei das Aufladungssystem wenigstens eine erste und eine zweite Aufladungsstufe mit jeweils einem Verdichter aufweist, die hintereinander gekoppelt sind und zusammen einen Soll-Gesamtladedruck für Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine bereitstellen, die Schritte:
Ermitteln eines Ziel-Soll-Gesamtladedrucks;
Ermitteln eines Soll-Zwischenladedrucks zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter; und
Steuern der ersten und der zweiten Aufladungsstufe auf Grundlage des Soll-Zwischenladedrucks derart, dass die erste und die zweite Aufladungsstufe zusammen den Ziel-Soll-Gesamtladedruck bereitstellen.
Die Verbrennungskraftmaschine kann ein Benzin- oder Dieselmotor oder dergleichen sein und sie kann eine beliebige Anzahl von Zylindern aufweisen, z.B. drei, vier, fünf, sechs, acht, zwölf, etc. Sie kann in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen angeordnet sein.
Das Aufladungssystem verdichtet Luft, die den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine für die Verbrennung zugeführt wird und stellt einen Soll-Gesamtladedruck an der Verbrennungskraftmaschine bzw. ihren Zylindern bereit.
Die erste und zweite Aufladungsstufe weisen jeweils wenigstens einen Verdichter auf, wobei die Verdichter hintereinander gekoppelt sind, d.h. seriell angeordnet sind, sodass der Auslass eines Verdichters, z.B. des Verdichters der zweiten Aufladungsstufe, mit dem Einlass des anderen Verdichters, z.B. des Verdichters der ersten Aufladungsstufe, gekoppelt sind.
Weist das Aufladungssystem mehr als zwei Aufladungsstufen auf, so sind diese bzw. ihre Verdichter analog seriell miteinander gekoppelt.
Der Soll-Gesamtladedruck, den das Aufladungssystem bereitstellt, ergibt sich aus der Summe des jeweiligen Ladedruckanteils, den eine Aufladungsstufe bzw. ihr Verdichter bereitstellt.
Die Aufladungsstufen des Aufladungssystems können wenigstens teilweise den bereitgestellten Ladedruck verändern, d.h. es können alle Aufladungsstufen oder nur eine Untermenge der vorgesehenen Aufladungsstufen ihren Ladedruck verändern.
Die Aufladungsstufen können als (Abgas-)Turbolader ausgestaltet sein, die bspw. mit einer variablen Turbinengeometrie versehen sind, als Verdichter mit bspw. einem Elektromotor, der den Verdichter antreibt oder dergleichen.
In einem ersten Schritt ermittelt das Verfahren einen Ziel-Soll-Gesamtladedruck. Dieser kann bspw. in Abhängigkeit eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden, wie es grundsätzlich bekannt ist. So wird bspw. bei einer hohen Leistungs- bzw. hohen Drehmomentanforderung an die Verbrennungskraftmaschine ein hoher Ziel-Soll-Gesamtladedruck ermittelt und es wird bei einer niedrigen Leistungs- bzw. Drehmomentanforderung an die Verbrennungskraftmaschine ein niedriger Ziel-Soll-Gesamtladedruck ermittelt. Außerdem kann der Ziel-Soll-Gesamtladedruck auch von anderen Betriebsparametern abhängen, z.B. davon, ob die Verbrennungskraftmaschine gerade in einem speziellen Betriebszustand ist (z.B. Reinigung eines Abgasreinigungssystems), oder davon, ob die Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich der Leistung, des Verbrauches, des Schadstoffausstoßes oder dergleichen optimiert werden soll.
Der Ziel-Soll-Gesamtladedruck kann einem momentanen Soll-Gesamtladedruck entsprechen oder er kann niedriger oder höher als ein momentaner Soll-Gesamtladedruck sein.
In einem zweiten Schritt wird ein Soll-Zwischenladedruck zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter ermittelt. Sind mehr als zwei Verdichter vorhanden, kann der Soll-Zwischenladedruck zwischen jeweils zwei benachbarten Verdichtern ermittelt werden.
Der Soll-Zwischenladedruck kann in Abhängigkeit von verschieden Parametern berechnet werden, wie weiter unten im Detail ausgeführt wird.
Die erste und die zweite Aufladungsstufe werden auf Grundlade des Soll-Zwischenladedrucks derart gesteuert, dass sie zusammen den Ziel-Soll-Gesamtladedruck bereitstellen.
Durch diese Steuerung wird für die erste und zweite Aufladungsstufe jeweils ein Ladedruckanteil ermittelt, den die jeweilige Aufladungsstufe bereitstellt. Damit wird folglich der bereitzustellende Ziel-Soll-Gesamtladedruck in Abhängigkeit des Soll-Zwischenladedrucks auf die einzelnen Aufladungsstufen aufgeteilt. Bei mehr als zwei Aufladungsstufen gilt dies analog.
Je niedriger der Soll-Zwischenladedruck ist, desto weniger Ladedruckanteil stellt die Aufladungsstufe bereit, die weiter entfernt von der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist (stromaufwärts) und desto mehr stellt die Aufladungsstufe bereit, die näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist (stromabwärts) und umgekehrt, d.h. je höher der Soll-Zwischenladedruck ist, desto mehr Ladedruckanteil stellt die Aufladungsstufe bereit, die weiter entfernt von der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist (stromaufwärts) und desto weniger stellt die Aufladungsstufe bereit, die näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist (stromabwärts).
Die oben genannten Schritte müssen nicht in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden, sondern die Reihenfolge kann grundsätzlich beliebig sein.
Durch die Steuerung der Aufladungsstufen auf Grundlage des Soll-Zwischenladedrucks zwischen den Aufladungsstufen ist eine einfache Steuerung und Aufteilung bzw. Veränderung der Ladedruckanteile auf die einzelnen Aufladungsstufen möglich.
Die Aufteilung der Ladedruckanteile auf die Aufladungsstufen kann unter Berücksichtigung der Anordnung, der Trägheit, des Ansprechverhaltens und/oder der Effizienz oder anderer Betriebsparameter der Aufladungsstufen erfolgen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen unterscheiden sich die erste und die zweite Aufladungsstufe in wenigstens einem Betriebsparameter, wie z.B. hinsichtlich ihres Wirkungsgrads, Ansprechverhaltens, ihrer thermodynamischen Eigenschaften und/oder Trägheit. Aufladungsstufen, die bspw. einen Elektromotor zum Betreiben des Verdichters umfassen, haben ein sehr schnelles Ansprechverhalten, benötigen aber im Gegensatz zu Abgasturboladern zusätzlich elektrische Energie und haben damit unter Umständen einen schlechteren Wirkungsgrad als Abgasturbolader. Aufladungsstufen können sich auch hinsichtlich ihrer Bauart, Leistung, Strömungsquerschnitt und dergleichen unterscheiden.
Außerdem können sich die thermodynamischen Eigenschaften der Verdichter und/oder der Turbinen der Aufladungsstufen unterscheiden.
Dadurch kann je nach Anforderung, z.B. eine Aufladungsstufe mit einem besseren Ansprechverhalten und/oder geringerer Trägheit (zunächst, schnell) einen größeren Ladedruckanteil bereitstellen, wenn die Verbrennungskraftmaschine schnell ein hohes Drehmoment liefern soll, d.h. wenn der Ziel-Soll-Gesamtladedruck schnell aufgebaut werden soll, als eine Aufladungsstufe, die bspw. einen besseren Wirkungsgrad, dafür aber ein schlechteres Ansprechverhalten und/oder eine größere Trägheit hat und umgekehrt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der Soll-Zwischenladedruck entsprechend in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der ersten und der zweiten Aufladungsstufe ermittelt. Wie oben ausgeführt kann über den Soll-Zwischenladedruck der Ladedruckanteil der jeweiligen Aufladungsstufe ermittelt werden. Damit kann auch der Soll-Zwischenladedruck von der Anordnung der einzelnen Aufladungsstufe abhängen, da je nach Höhe des Soll-Zwischenladedrucks die näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnete oder die weiter von der Verbrennungskraftmaschine entfernte Aufladungsstufe mehr bzw. weniger Ladedruckanteil bereitstellen muss, wie auch schon oben ausgeführt wurde.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der Soll-Zwischenladedruck auch zeitlich variiert. Dadurch kann der Ladedruckanteil der von einer Aufladungsstufe bereitgestellt wird in Abhängigkeit von der zeitlichen Veränderung des Soll-Zwischenladedrucks auf eine andere Aufladungsstufe übertragen werden. Zum Beispiel kann am Anfang eine Aufladungsstufe mit schnellem Ansprechverhalten mehr Ladedruckanteil für einen schnellen Drehmomentaufbau der Verbrennungskraftmaschine bereitstellen und zu einem späteren Zeitpunkt kann der Ladedruckanteil kontinuierlich auf eine zweite Aufladungsstufe mit schlechterem Ansprechverhalten, aber z.B. besseren Wirkungsgrad durch die entsprechende Veränderung des Soll-Zwischenladedrucks übertragen werden (oder umgekehrt).
Dadurch kann der Ladedruckanteil optimal zu jedem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine auf die unterschiedlichen Aufladungsstufen über die entsprechende Anpassung des Soll-Zwischenladedrucks ermittelt und die Aufladungsstufen entsprechend gesteuert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der Soll-Zwischenladedruck in Abhängigkeit des Ziel-Soll-Gesamtladedrucks ermittelt. Zum Beispiel kann bei einem hohen Ziel-Soll-Gesamtladedruck angenommen werden, dass der Ziel-Soll-Gesamtladedruck schnell erreicht werden soll, sodass der Soll-Zwischenladedruck so eingestellt wird, dass die Aufladungsstufe, die dazu eingerichtet ist, Ladedruck schnell aufzubauen, (zunächst, schnell) einen höheren Ladedruckanteil bereitstellt als eine Aufladungsstufe, die bspw. einen hohen Wirkungsgrad und ein schlechteres (langsameres) Ansprechverhalten hat.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist entsprechend die erste Aufladungsstufe dazu eingerichtet, einen Soll-Ladedruck schneller aufzubauen als wie zweite Aufladungsstufe. Die erste (schnellere) Aufladungsstufe kann bspw. mit einem Elektromotor ausgestattet sein, sodass sie schnell und unabhängig vom Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine den Ladedruck aufbauen kann. Die zweite Aufladungsstufe kann bspw. ein Abgasturbolader mit einem hohen Wirkungsgrad sein, der über dem Wirkungsgrad der ersten Aufladungsstufe liegt. Dementsprechend kann je nach Anforderung der Ladedruckanteil der von der ersten bzw. zweiten Aufladungsstufe bereitgestellt werden soll, optimal bspw. in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden. Zum Beispiel kann für den schnellen Ladedruckaufbau die erste Aufladungsstufe einen größeren Ladedruckanteil bereitstellen als die zweite Aufladungsstufe. Bei einem stabilen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, bei dem die Drehmomentanforderung und damit auch die Soll-Gesamtladedruck statisch sind, kann hingegen die zweite Aufladungsstufe den größeren Ladedruckanteil bereitstellen bzw. den Ladedruck alleine bereitstellen.
Die Änderung Δp_ges des Soll-Gesamtladedrucks, die notwendig ist, um den Ziel-Soll-Gesamtladedruck zu erreichen, ergibt sich bei manchen Ausführungsbeispielen aus der Summe des Druckunterschieds zwischen dem Eingangsdruck p_ein und dem Zwischendruck p_zw zwischen der ersten und der zweiten Aufladungsstufe und des Druckunterschiedes zwischen dem Ausgangsdruck p_aus und dem Zwischendruck p_zw: Δp_ges = [p_aus – p_zw] + [p_zw – p_ein], (1) wobei p_ein den Druck angibt, der am Eingang des Verdichters der von der Verbrennungskraftmaschine entferntesten Aufladungsstufe vorliegt, p_zw den Zwischenladedruck, der zwischen den Verdichtern der ersten und der zweiten Aufladungsstufe anliegt, und p_aus den Druck, der am Ausgang des Verdichters der Aufladungsstufe anliegt, die am nächsten an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, womit p_aus dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck entspricht und bei manchen Ausführungsbeispielen auch als p_{ges_soll} bezeichnet wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die erste (schnelle) Aufladungsstufe näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet als die zweite Aufladungsstufe und der Soll-Ladedruck (p_{fast_soll}) für die erste Aufladungsstufe wird auf Grundlage der Differenz zwischen dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck und dem aktuellen Zwischenladedruck ermittelt und der Soll-Ladedruck (p_{slow_soll}) für die zweite (langsame) Aufladungsstufe wird auf Grundlage der Differenz zwischen dem Soll-Zwischendruck und dem aktuellen Druck vor der zweiten Aufladungsstufe ermittelt.
Dementsprechend ergibt sich der Ladedruckunterschied Δp_{fast_soll} an der ersten (schnellen) Aufladungsstufe, die näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, und der Ladedruckunterschied Δp_{slow_soll} der zweiten (langsamen) Aufladungsstufe, die weiter entfernt von der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, nach folgenden Gleichungen: Δp_{fast_soll} = p_{ges_soll} – p_{zw_akt} (2a) Δp_{slow_soll} = p_{zw_soll} – p_{ein_akt} (2b) wobei, p_{ges_soll} den Ziel-Soll-Gesamtladedruck angibt, p_{zw_akt} den aktuellen Zwischenladedruck zwischen der ersten und der zweiten Aufladungsstufe, p_{zw_soll} den Soll-Zwischenladedruck zwischen der ersten und der zweiten Aufladungsstufe und p_{ein_akt} den aktuellen Eingangsdruck am Verdichter der am weitesten von der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Aufladungsstufe, d.h. in diesem Fall vor der zweiten (langsamen) Aufladungsstufe.
Der Soll-Zwischenladedruck p_{zw_soll} kann entsprechend geführt werden, d.h. z.B. zeitlich durch eine Kennfeldlinie oder dergleichen variiert werden.
Für einen besonders schnellen, dynamischen Aufbau des Soll-Gesamtladedrucks, kann der Soll-Zwischenladedruck gleich dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck gesetzt werden, das heißt p_{zw_soll} = p_{ges_soll}.
Wird der Soll-Zwischenladedruck niedrig gewählt, können Ladungswechselverluste des Aufladungssystems verringert werden, da die langsamere (zweite) Aufladungsstufe einen niedrigeren Abgasgegendruck erzeugt, wenn die schnellere (erste) Aufladungsstufe einen Elektromotor oder dergleichen zum Betreiben des Verdichters umfasst.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die zweite (langsame) Aufladungsstufe näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet als die erste (schnelle) Aufladungsstufe und der Soll-Ladedruck für die erste Aufladungsstufe wird auf Grundlage der Differenz zwischen dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck und dem aktuellen Gesamtladedruck und der Differenz zwischen dem Soll-Zwischenladedruck und dem aktuellen Druck vor der ersten Aufladungsstufe ermittelt und der Soll-Ladedruck für die zweite Aufladungsstufe wird auf Grundlage der Differenz zwischen dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck und dem Soll-Zwischendruck ermittelt.
Dementsprechend ergibt sich der Ladedruckunterschied Δp_{fast_soll} an der ersten (schnellen) Aufladungsstufe, die weiter entfernt von der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, und der Ladedruckunterschied Δp_{slow_soll} der zweiten (langsamen) Aufladungsstufe, die näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, nach folgenden Gleichungen: Δp_{fast_soll} = [p_{ges_soll} – p_{ges_akt}] + p_{zw_soll} – p_{ein_akt} (3a) Δp_{slow_soll} = p_{ges_soll} – p_{zw_soll} (3b) wobei, p_{ges_soll} den Ziel-Soll-Gesamtladedruck angibt, p_{zw_soll} den Soll-Zwischenladedruck zwischen der ersten und der zweiten Aufladungsstufe und p_{ein_akt} den aktuellen Eingangsdruck am Verdichter der am weitesten von der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Aufladungsstufe, d.h. in diesem Fall vor der ersten (schnellen) Aufladungsstufe.
Der Soll-Zwischenladedruck p_{zw_soll} kann entsprechend geführt werden, d.h. z.B. zeitlich durch eine Kennfeldlinie oder dergleichen variiert werden.
Für einen besonders schnellen, dynamischen Aufbau des Soll-Gesamtladedrucks, kann der Soll-Zwischenladedruck in diesem Fall gleich dem aktuellen Druck p_{ein_akt} am Eingang des Verdichters, der am weitesten von der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Aufladungsstufe, d.h. in diesem Fall vor der ersten (schnellen) Aufladungsstufe, gesetzt werden, das heißt p_{zw_soll} = p_{ein_akt}.
Wie erwähnt kann der Soll-Zwischenladedruck über eine Kennlinie oder ein Kennfeld entsprechend vorgegeben sein, z.B. in Abhängigkeit von Wirkungsgrad, Ansprechverhalten, thermodynamischen Eigenschaften und/oder Trägheit der einzelnen Aufladungskomponenten.
Die Daten anhand derer der Soll-Zwischenladedruck ermittelt wird, können in einem Speicher, z.B. einer Steuerung, wie einem Motorsteuergerät oder dergleichen abgelegt sein. Außerdem kann der Soll-Zwischenladedruck bei manchen Ausführungsbeispielen auch online in der Steuerung, zum Beispiel einem Motorsteuergerät, anhand von Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen eine Steuerung für ein Aufladungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Die Steuerung kann bspw. ein Motorsteuergerät sein und sie kann bspw. einen Prozessor und einen Speicher aufweisen.
Außerdem betreffen manche Ausführungsbeispiele eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Aufladungssystem und/oder eine Steuerung die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Manche Ausführungsbeispiele betreffen ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Steuerung, Verbrennungskraftmaschine und/oder einem Aufladungssystem wie oben beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einem Motor, einem Aufladungssystem und einer Steuerung darstellt; und
2 ein Ablaufschema eines Verfahrens darstellt, das bspw. die Steuerung von 1 ausführt.
Ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1 mit einem Ottomotor 2 und einem Aufladungssystem 3, das von einer Steuerung 10 gesteuert wird, die als Motorsteuergerät ausgestaltet ist, ist in 1 veranschaulicht. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Motortyp beschränkt.
Der Ottomotor 2 hat vier Zylinder 4a, 4b, 4c und 4d, die von dem Aufladungssystem 3 mit aufgeladener (Verbrennungs)-Luft versorgt werden.
Das Aufladungssystem 3 hat eine erste Aufladungsstufe 5a und eine zweite Aufladungsstufe 5b, die seriell hintereinander angeordnet sind, wobei die erste Aufladungsstufe 5a näher an dem Ottomotor 2 als die zweite Aufladungsstufe 5b angeordnet ist. Die erste 5a und die zweite Aufladungsstufe 5b sind mit der Steuerung 10 gekoppelt.
Die erste Aufladungsstufe 5a hat einen Verdichter 6a, der über eine Welle 7a mit einem Elektromotor 8a betrieben wird. Die zweite Aufladungsstufe 5b ist ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie und sie hat einen Verdichter 6b, der über eine Welle 7b mit einer Abgasturbine 8b betrieben wird, wobei die Abgasturbine 8b mit Abgas aus dem Ottomotor 2 versorgt und damit betrieben wird.
Die erste Aufladungsstufe 5a kann aufgrund des Betriebs mit dem Elektromotor 8a schneller einen gewünschten Ladedruck aufbauen, als die zweite Aufladungsstufe 5b, die auf Abgas aus dem Ottomotor 2 angewiesen ist.
An dem Einlass des Verdichter 6b der zweiten Aufladungsstufe 5b wird Luft mit einem Luftdruck p1 angesaugt und verdichtet, wobei der Luftdruck p1 durch einen Drucksensor 9 ermittelt wird, der vor dem Einlass des Verdichters 6b angeordnet und mit der Steuerung 10 gekoppelt ist. Der Auslass des Verdichters 6b der zweiten Aufladungsstufe 5b ist mit dem Einlass des Verdichters 6a der ersten Aufladungsstufe 5a verbunden, wobei zwischen der ersten Aufladungsstufe 5a und der zweiten Aufladungsstufe 5b bzw. dem Verdichter 6a der ersten Aufladungsstufe 5a und dem Verdichter 6b der zweiten Aufladungsstufe 5b ein Zwischenladedruck p2 herrscht.
Der Verdichter 6a der ersten Aufladungsstufe 5a verdichtet die angesaugte Luft weiter und stellt an seinem Auslass Luft mit einem gesamten Ladedruck p3 zu Verfügung, die den Zylindern 4a bis 4d des Ottomotors 2 zugeführt wird. Der Ladedruck p3 wird mittels eines Drucksensors 11 bestimmt, der ebenfalls mit der Steuerung 10 gekoppelt ist.
Grundsätzlich kann zwar aus der Kenntnis der Bauweise und der Betriebsdaten der ersten 5a und zweiten 5b Aufladungsstufe ermittelt werden, um welche Druckdifferenz die jeweilige Aufladungsstufe den Ladedruck erhöht, allerdings kann es aufgrund von Undichtigkeiten im Aufladungssystem und zur Feststellung von Fehlern oder Abweichungen sinnvoll sein, wenigstens den Eingangsdruck p1, der vor dem Aufladungssystem 3 herrscht und den bereitgestellten Gesamtladedruck p3, der nach dem Aufladungssystem 3 herrscht und mit dem die Verbrennungsluft dem Ottomotor 2 zugeführt wird, zu messen, wie es bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, ohne dass die vorliegende Erfindung darauf beschränkt ist.
Der aktuelle Eingangsdruck p1 entspricht dem Druck p_{ein_akt}, wie er oben im Zusammenhang mit den Gleichungen (1) bis (3b) erläutert wird, der aktuelle Zwischenladedruck p2 entspricht dem obigen Zwischenladedruck p_{zw_akt} und der aktuelle Gesamtladedruck p3 entspricht dem obigen aktuellen Soll-Gesamtladedruck p_{ges_akt}.
Die Steuerung 10 führt das oben beschriebene bzw. das im Folgenden im Zusammenhang mit 2 erläuterte Verfahren 20 zum Steuern des Aufladungssystems 3 aus.
Bei der folgenden Beschreibung wird zur Veranschaulichung von einem stabilen Betriebszustand des Ottomotors 2 ausgegangen, d.h. das Aufladungssystem 3 stellt einen aktuellen Soll-Gesamtladedruck p3 bzw. p_{ges_akt} bereit, wobei jeweils die erste 5a und die zweite 5b Aufladungsstufe einen bestimmten Ladedruckanteil liefern und ein aktueller Zwischenladedruck p2 bzw. p_{zw_akt} zwischen dem Verdichter 6a der ersten Aufladungsstufe 5a und dem Verdichter 6b der zweiten Aufladungsstufe 5b vorliegt. Der aktuelle Gesamtladedruck p3 wird über den Drucksensor 11 ermittelt und der aktuelle Eingangsdruck p1 über den Drucksensor 9. Der aktuelle Zwischendruck p2 wird durch Kenntnis der Aufladungssystems 3 und insbesondere der zweiten Aufladungsstufe 5b mathematisch ermittelt.
In einem Schritt 21 ermittelt das Verfahren, z.B. aufgrund einer Drehmomentanforderung an den Ottomotor 2, die bspw. durch Betätigen eines Gaspedals des Kraftfahrzeugs 1 ausgelöst wird, einen Ziel-Soll-Gesamtladedruck, der oben auch als p_{ges_soll} bezeichnet wurde.
Um den Ziel-Soll-Gesamtladedruck p_{ges_soll} zu erreichen, müssen die ersten und/oder die zweite Aufladungsstufe 5a bzw. 5b den bereitgestellten Ladedruck um die Differenz zwischen dem aktuellen Soll-Gesamtladedruck und dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck erhöhen (siehe auch Gleichung (1), oben).
Dies geschieht, wie oben ausgeführt, durch Erhöhen des Zwischenladedrucks und bei Schritt 22 ermittelt das Verfahren 20, das in der Steuerung 10 abläuft, einen entsprechenden Soll-Zwischenladedruck (p_{zw_soll}, siehe auch oben Gleichungen (2a) und (2b) aus denen sich auch der jeweilige Ladedruckanteil für die erste und die zweite Aufladungsstufe in Abhängigkeit des Soll-Zwischenladedrucks ergibt).
Wie erwähnt, kann der Soll-Zwischenladedruck zeitlich variieren oder er kann als Zielgröße festgelegt werden, indem er bspw. gleich dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck p_{ges_soll} gesetzt wird, d.h. p_{zw_soll} = p_{ges_soll}, um eine maximale Dynamik zu erreichen.
Das Verfahren 20, das in der Steuerung 10 abläuft, steuert in einem Schritt 23 beide Aufladungsstufen 5a und 5b entsprechend auf Grundlage des ermittelten Soll-Zwischenladedrucks an, das heißt es steuert den Elektromotor 8a und die die variable Turbinengeometrie der Abgasturbine 8b derart an, dass jeweils der Ladedruck entsprechend erhöht wird, um den Ziel-Soll-Gesamtladedruck p_{ges_soll} zu erreichen. Der jeweilige Ladedruckanteil ergibt sich aus den Gleichungen (2a) und (2b), wie oben beschrieben.
Da die erste Aufladungsstufe 5a aufgrund des Betriebs mit dem Elektromotor 8a deutlich schneller anspricht, als die zweite Aufladungsstufe 5b, stellt im Wesentlichen zunächst die erste Aufladungsstufe 5a die Erhöhung des Ladedrucks bereit, d.h. der Zwischenladedruck p2 steigt zunächst aufgrund der Trägheit der zweiten Aufladungsstufe 5b gar nicht oder nur langsam an, während der Gesamtladedruck p3 nach der ersten Aufladungsstufe 5a schnell ansteigt und schnell den Ziel-Soll-Gesamtladedruck erreicht.
Sobald die zweite, langsame Aufladungsstufe 5b anspricht, steigt der Zwischenladedruck p2 entsprechend an und der Ladedruckanteil, den die zweite Aufladungsstufe 5b bereitstellt nimmt zu, während der Ladedruckanteil, den die erste Aufladungsstufe 5a bereitstellt, entsprechend abnimmt (siehe auch Gleichungen (2a) und (2b)).
Am Ende stellt bei dem Szenario, bei dem der Soll-Zwischenladedruck gleich dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck p_{ges_soll} gesetzt ist, d.h. p_{zw_soll} = p_{ges_soll}, die zweite Aufladungsstufe 5b den gesamten Ziel-Soll-Gesamtladedruck bereit, während die erste Aufladungsstufe keinen Ladedruckanteil mehr bereitstellt.
Bei den Fällen, bei denen der der Soll-Zwischenladedruck kleiner als der Ziel-Soll-Gesamtladedruck p_{ges_soll} gesetzt ist, stellt die erste Aufladungsstufe 5a noch einen entsprechenden Ladedruckanteil bereit (Siehe auch Gleichung (2a)).
Wie erwähnt, kann der Soll-Zwischenladedruck auch zeitlich variieren und bspw. anhand einer Kennlinie bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Soll-Zwischenladedruck nur leicht erhöht werden, wenn die Steuerung 10 bspw. erkennt, dass der Gesamtladedruck nur kurzzeitig erhöht werden soll (z.B. weil ein Diagnoseverfahren oder dergleichen ausgeführt wird). In solchen Fällen kann es bspw. sinnvoll sein, nur oder mit einem großen Anteil die schnelle und in diesem Ausführungsbeispiel durch Elektromotor 8a betriebene Aufladungsstufe 5a für die Ladedruckerhöhung zu verwenden, um Ladungswechselverluste zu verringern.
Die Kennlinie anhand derer der Soll-Zwischenladedruck variiert wird, kann auch so gestaltet sein, dass der Soll-Zwischenladedruck erst nach einer vorgegebenen Zeitdauer erhöht wird, um den Ladedruckanteil von der ersten (5a) auf die zweite Aufladungsstufe (5b) zu verlagern. Damit können bspw. das Ansprechen und die damit einhergehenden Ladewechselverluste der zweiten Aufladungsstufe 5b vermieden werden, wenn die Drehmomentanforderung an den Ottomotor 2 nur von kurzer Dauer ist.
Außerdem können bei manchen Ausführungsbeispielen für unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine unterschiedliche Kennlinien vorgegeben und gespeichert sein, sodass für jeden Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ein optimaler Soll-Zwischenladedruck und damit eine optimale Verteilung der von der ersten und zweiten Aufladungsstufe bereitgestellten Ladedruckanteile erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Ottomotor (Verbrennungskraftmaschine)
3: Aufladungssystem
4a–d: Zylinder von 2
5a: Erste Aufladungsstufe
5b: Zweite Aufladungsstufe
6a: Verdichter der ersten Aufladungsstufe
6b: Verdichter der zweiten Aufladungsstufe
7a: Welle von 5a
7b: Welle von 5b
8a: Elektromotor von 5a
8b: Turbine von 5b
9 D: rucksensor (Eingangsdruck vor 3)
10: Steuerung
11: Drucksensor (Ausgangsladedruck nach 3)
p1: Eingangsdruck (vor Aufladungssystem 3)
p2: Zwischenladedruck zwischen 6a und 6b
p3: Ausgangsladedruck nach Aufladungssystem (entspricht Gesamtladedruck)
20: Verfahren zum Steuern eines Aufladungssystems
21: Ermitteln eines Ziel-Soll-Gesamtladedrucks
22: Ermitteln eines Soll-Zwischenladedrucks
23: Steuern der ersten und der zweiten Aufladungsstufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012006612 A1 [0006]
DE 2004056894 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Aufladungssystems (3) für eine Verbrennungskraftmaschine (2), wobei das Aufladungssystem (3) wenigstens eine erste (5a) und eine zweite Aufladungsstufe (5b) mit jeweils einem Verdichter (6a, 6b) aufweist, die hintereinander gekoppelt sind und zusammen einen Soll-Gesamtladedruck (p3) für Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine (2) bereitstellen, umfassend die Schritte: Ermitteln (21) eines Ziel-Soll-Gesamtladedrucks; Ermitteln (22) eines Soll-Zwischenladedrucks (p2) zwischen dem ersten (6a) und dem zweiten Verdichter (6b); und Steuern (23) der ersten (5a) und der zweiten (5b) Aufladungsstufe auf Grundlage des Soll-Zwischenladedrucks (p2) derart, dass die erste (5a) und die zweite (5b) Aufladungsstufe zusammen den Ziel-Soll-Gesamtladedruck bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die erste (5a) und die zweite (5b) Aufladungsstufe in wenigstens einem Betriebsparameter unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich die erste (5a) und die zweite (5b) Aufladungsstufe hinsichtlich ihres Wirkungsgrads, Ansprechverhaltens, ihrer thermodynamischen Eigenschaften und/oder Trägheit unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Soll-Zwischenladedruck (p2) in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters der ersten (5a) und der zweiten (5b) Aufladungsstufe ermittelt wird und/oder in Abhängigkeit der Anordnung der Aufladungsstufen (5a, 5b).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Soll-Zwischenladedruck (p2) zeitlich variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Soll-Zwischenladedruck (p2) in Abhängigkeit des Ziel-Soll-Gesamtladedrucks ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Aufladungsstufe (5a) einen Soll-Ladedruck schneller aufbaut als die zweite Aufladungsstufe (5b).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Aufladungsstufe (5a) näher an der Verbrennungskraftmaschine (2) angeordnet ist als die zweite Aufladungsstufe (5b) und wobei der Soll-Ladedruck für die erste Aufladungsstufe (5a) auf Grundlage der Differenz zwischen dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck und dem aktuellen Zwischenladedruck ermittelt wird und der Soll-Ladedruck für die zweite Aufladungsstufe (5b) auf Grundlage der Differenz zwischen dem Soll-Zwischendruck und dem aktuellen Druck vor der zweiten Aufladungsstufe (5b) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Aufladungsstufe näher an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist als die erste Aufladungsstufe und wobei der Soll-Ladedruck für die erste Aufladungsstufe auf Grundlage der Differenz zwischen dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck und dem aktuellen Gesamtladedruck und der Differenz zwischen dem Soll-Zwischenladedruck und dem aktuellen Druck vor der ersten Aufladungsstufe ermittelt wird und der Soll-Ladedruck für die zweite Aufladungsstufe auf Grundlage der Differenz zwischen dem Ziel-Soll-Gesamtladedruck und dem Soll-Zwischendruck ermittelt wird.
Steuerung für ein Aufladungssystem (3) für eine Verbrennungskraftmaschine (2) für ein Kraftfahrzeug (1), wobei die Steuerung (10) dazu eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.