-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren mit abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen, insbesondere Verfahren zur Ansteuerung eines Laderstellers der Aufladeeinrichtung bei einer angeforderten Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors.
-
Stand der Technik
-
Zur Regelung eines Ladedrucks bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren, werden abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen, wie zum Beispiel ein Turbolader, verwendet. Der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung bzw. der Anteil der aus der Abgasenthalpie gewonnenen mechanischen Leistung, die zum Antrieb eines Verdichters verwendet wird, ist mit Hilfe eines Laderstellers einstellbar. Insbesondere können abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen zur variablen Einstellung des Wirkungsgrads der Aufladeeinrichtung eine steuerbare variable Turbinengeometrie, ein steuerbares Wastegate-Ventil oder dergleichen aufweisen.
-
Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren führt eine erhebliche Änderung einer Lastanforderung zu einer entsprechend sprunghaften Änderung eines Soll-Ladedrucks, die von dem Verdichter umgesetzt werden soll. Um den Soll-Ladedruck schnellstmöglich bereitzustellen, steuert eine entsprechende Ladedruckregelung den Ladersteller für einen schnellen Aufbau des Abgasgegendrucks an, was zu erhöhten Ladungswechselverlusten führt. Bei einer deutlichen Erhöhung der Lastanforderung kann der Fall auftreten, dass zunächst die vom Verbrennungsmotor bereitgestellte Leistung bzw. die Drehzahl abfällt, bevor eine Leistungssteigerung erreicht werden kann. Dieser Effekt wird Turboloch genannt.
-
Weiterhin ist bei einem hohen Lastsprung bei geringen Drehzahlen der Ladedruckaufbau die dominierende Größe, da die Kraftstoffmenge – und damit das Moment – zu jedem Zeitpunkt entlang der Rauchgrenze bzw. Rußgrenze ausschließlich durch die Luftmasse und damit wiederum durch den Ladedruck begrenzt wird. Außerhalb der Rauchgrenze ist der Ladedruck dann nicht der begrenzende Faktor.
-
Zur Optimierung der Beschleunigung wird der Ladedruckaufbau daher zu jedem Zeitpunkt begrenzt, wobei sichergestellt wird, dass immer eine ausreichende Motorbeschleunigung zur Verfügung steht, da der Motorhochlauf gleichzeitig auch maßgeblich für den Ladedruckaufbau bestimmend ist. Deshalb wird in sehr vielen Fahrversuchen das maximale Tastverhältnis der Turbine der Aufladeeinrichtung für jeden einzelnen Betriebspunkt festgelegt. Jede Beschleunigung ist charakterisiert durch einen Startpunkt und einen Endpunkt in der Betriebsebene. Für die maximale Beschleunigung ist eine beste Trajektorie durch die Betriebsebene zu finden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines aufgeladenen Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie die Steuereinheit und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
-
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen einer Laderstellgröße für einen variabel einstellbaren Ladersteller der Aufladeeinrichtung, um einen Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung bezüglich einer Abgasenthalpie von vom Verbrennungsmotor bereitgestellten Verbrennungsabgas einzustellen;
- – Ermitteln einer Angabe zu einem Abgasgegendruck-Begrenzungswert basierend auf einem vorgegebenen maximalen Verhältnis aus einer Ladungswechselarbeit und einer Gesamtarbeit des Verbrennungsmotors bei einem aktuellen Betriebspunkt;
- – Begrenzen der Laderstellgröße abhängig von der Angabe über den Abgasgegendruck-Begrenzungswert.
-
Eine Anforderung einer Leistungs- bzw. Lasterhöhung führt in der Regel zunächst zu einer entsprechenden Erhöhung eines Sollladedrucks, um den von dem Verdichter bereitgestellten Ladedruck zu erhöhen. Der Sollladedruck wird üblicherweise mithilfe einer Ladedruckregelung eingestellt, die zum Regeln des Ladedrucks den Ladersteller der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung über eine geeignete Stellgröße entsprechend ansteuert.
-
Durch das Stellen des Laderstellers zum Erhöhen des Ladedrucks wird der Abgasgegendruck erhöht. Der erhöhte Abgasgegendruck ermöglicht es, eine höhere mechanische Leistung aus der Turbine der Aufladeeinrichtung zu gewinnen, die zum Verdichten der Luft und zum Bereitstellen des erhöhten Ladedrucks verwendet wird. Bei einer deutlichen, insbesondere sprunghaften Leistungs- bzw. Lasterhöhung wird entsprechend der Ladersteller mit einem hohen Stellgradienten angesteuert, um eine schnelle Erhöhung der mechanischen Leistung zu erreichen, so dass der Ladedruck schnell aufgebaut werden kann.
-
Einerseits ist es für einen schnellen Aufbau des Ladedrucks notwendig, den Ladersteller möglichst weitgehend zu schließen, dass der Abgasgegendruck schnell zur Verfügung steht. Jedoch erhöht ein steigender Abgasgegendruck die Gaswechselverluste des Verbrennungsmotors. Dies wirkt der Leistungserhöhung des Verbrennungsmotors entgegen, da der Verbrennungsmotor das Verbrennungsabgas gegen einen erhöhten Abgasdruck ausstoßen muss. Andererseits führt aufgrund der Dynamik des Luftsystems eine Ladedruckerhöhung nicht unmittelbar zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors. Daher kann ein zu schnelles Erhöhen des Abgasgegendrucks bei einer Leistungserhöhung zunächst zu einer Leistungsminderung führen.
-
Da eine solcher Abfall der vom Verbrennungsmotor bereitgestellten Leistung vermieden werden soll, muss bei einer Anforderung nach einer Erhöhung der Leistung bzw. der Last des Verbrennungsmotors ein Kompromiss aus den Geschwindigkeiten des Ladedruckaufbaus und des Aufbaus des Abgasgegendrucks (mit der entsprechend resultierenden Leistungsverminderung) gefunden werden. Dieser Kompromiss wird bislang durch einen Begrenzungswert für die Änderung der Laderstellgröße für den Ladersteller appliziert. Dieser Begrenzungswert wird in der Regel mit Hilfe eines Kennfelds basierend auf der Motordrehzahl und einer Einspritzmenge für den Verbrennungsmotor ermittelt.
-
Das obige Verfahren sieht nun vor, die Laderstellgröße als Stellgröße für den Ladersteller bei einer angeforderten Leistungs- bzw. Lasterhöhung mithilfe einer Angabe für einen maximalen Abgasgegendruck zu begrenzen. Der entsprechende Abgasgegendruck-Begrenzungswert ergibt sich aus physikalischen Größen und hängt nur von Applikationsgrößen ab, die für Gaswechselverluste charakteristisch sind.
-
Daraus lässt sich die Begrenzung anhand der für eine Lasterhöhung bzw. Beschleunigung des Verbrennungsmotors relevanten Größen vorgeben. Dadurch wird die Applikation der Begrenzung der Ansteuerung des Laderstellers vereinfacht. Weiterhin kann die Begrenzung mit Hilfe des Abgasdruck-Begrenzungswert Umgebungsbedingungen und verschiedene Betriebsarten besser abbilden als die unmittelbare Begrenzung der Laderstellgröße. Wird das Modell der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung durch zusätzliche Sensorik adaptiert, kann auch bei Veränderungen der Aufladeeinrichtung, insbesondere durch Alterung, eine optimale Lasterhöhung bzw. Beschleunigung des Verbrennungsmotors erreicht werden.
-
Weiterhin kann ein Steller-Begrenzungswert abhängig von dem Abgasgegendruck-Begrenzungswert mithilfe eines vorgegebenen Drosselmodells oder eines vorgegebenen VTG-Turbinen-Modells ermittelt werden, wobei die Laderstellgröße durch den Lader-Begrenzungswert begrenzt wird.
-
Aus dem Motorprozess können Kenngrößen wie verfügbare Gesamtarbeit und Ladungswechselarbeit ermittelt werden. Zum Erreichen einer optimierten Beschleunigung wird ein Begrenzungswert für das Verhältnis der Kenngrößen ermittelt oder vorgegeben. Anstelle der üblichen Ermittlung der Begrenzung der Laderstellgröße abhängig von Betriebszustandsgrößen wird durch den Abgasdruck-Begrenzungswert der maximale Abgasgegendruck bestimmt. Aus diesem kann dann wiederum die maximal zulässige Laderstellgröße abgeleitet werden. Der maximale Abgasgegendruck kann an der Rauchgrenze als Führungsgröße verstanden werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Abgasgegendruck-Begrenzungswert basierend auf einem mit einer vorgegebenen Aufteilungsgröße, insbesondere mit einem Aufteilungsfaktor beaufschlagten Verhältnis aus einer statischen Ladungswechselarbeit und einer Gesamtarbeit bei einem momentanen, als statisch angenommenen Betriebspunkt ermittelt wird.
-
Insbesondere kann der momentane, als statisch angenommene Betriebspunkt als ein Betriebspunkt angenommen werden, bei dem keine Änderung der Laderstellgröße vorliegt.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann der Aufteilungsfaktor abhängig von einer Drehzahl, einer Last, einer momentanen Ladedruckregelabweichung einer Ladedruckregelung, die die Laderstellgröße bereitstellt, vorgegeben werden.
-
Weiterhin kann die Gesamtarbeit eines Arbeitszyklus entsprechend einem Carnot-Prozess abhängig von einem Produkt einer Gasmasse in einem Hubvolumen des Verbrennungsmotors zu Beginn des Arbeitstaktes und einer Temperaturdifferenz zwischen einer Abgastemperatur und einer Temperatur der angesaugten Luft bestimmt werden.
-
Alternativ kann die Gesamtarbeit eines Arbeitszyklus über eine in dem Arbeitszyklus eingespritzte Kraftstoffmenge und einem für den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors vorgegebenen thermischen Wirkungsgrad bestimmt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – eine Laderstellgröße für einen variabel einstellbaren Ladersteller der Aufladeeinrichtung bereitzustellen, um einen Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung bezüglich einer Abgasenthalpie von vom Verbrennungsmotor bereitgestellten Verbrennungsabgas einzustellen;
- – eine Angabe zu einem Abgasgegendruck-Begrenzungswert basierend auf einem vorgegebenen maximalen Verhältnis aus einer Ladungswechselarbeit und einer Gesamtarbeit des Verbrennungsmotors bei einem aktuellen Betriebspunkt zu ermitteln; und
- – die Laderstellgröße abhängig von der Angabe über den Abgasgegendruck-Begrenzungswert zu begrenzen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung vorgesehen, wobei die obige Vorrichtung vorgesehen ist, um einen Ladersteller der Aufladeeinrichtung entsprechend der begrenzten Laderstellgröße anzusteuern.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte des obigen Verfahrens auszuführen.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung;
-
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Begrenzen der Ansteuerung eines Laderstellers der Aufladeeinrichtung; und
-
3 eine energetische Darstellung eines Motorkreisprozesses.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
In 1 ist ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 gezeigt. Der Verbrennungsmotor 2 ist als ein Viertaktmotor ausgebildet und kann insbesondere ein Diesel- oder Ottomotor sein. Der Verbrennungsmotor 2 weist (beispielsweise vier) Zylinder 3 auf, denen Luft durch einen Luftzuführungsabschnitt 4 zugeführt wird. Im Luftzuführungsabschnitt 4 ist eine Drosselklappe 5 angeordnet, mit der eine dem Zylinder 3 zugeführte Luftmenge eingestellt werden kann. Verbrennungsabgase werden aus dem Verbrennungsmotor 2 über einen Abgasabführungsabschnitt 6 abgeführt.
-
Zur Leistungsverbesserung ist das Motorsystem 1 mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung 7 versehen, die im Abgasabführungsabschnitt 6 eine Turbine 71 und im Luftzuführungsabschnitt 4 einen Verdichter 72 aufweist. Die Turbine 71 ist mit dem Verdichter 72 mechanisch gekoppelt, zum Beispiel über eine Welle 73. Die Turbine 71 der Aufladeeinrichtung 7 weist einen Ladersteller 74 auf, mit dem der Wirkungsgrad der Aufladung eingestellt werden kann, d.h. der Anteil der vorhandenen Abgasenthalpie, der in mechanische Energie umgesetzt wird.
-
Der Ladersteller 74 kann beispielsweise als VTG-Steller (VTG: Variable Turbine Geometry), als Wastegate-Ventil oder dergleichen ausgebildet sein. Im Betrieb bestimmt sich die von der Aufladeeinrichtung 7 bereitgestellte mechanische Leistung aus der Druckdifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite der Turbine 71, dem Abgasmassenstrom durch die Turbine 71 sowie der Stellung des Laderstellers 74. Der Druck eingangsseitig der Turbine 71 wird Abgasgegendruck genannt, und ausgangsseitig befindet sich im Wesentlichen Luft unter Umgebungsdruck bzw. annähernd Umgebungsdruck, wenn nachfolgend Einrichtungen zur Abgasbehandlung, wie z.B. ein Katalysator vorgesehen sind. Der Abgasmassenstrom ergibt sich im Wesentlichen aus der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, d.h. aus der Menge der durch die Zylinder 3 bewegten Gasmenge.
-
Der Verdichter 72 saugt Luft aus der Umgebung, insbesondere über einen (nicht gezeigten) Luftfilter, an und stellt diesen als Ladeluft in einem Ladeluftabschnitt 41 ausgangsseitig des Verdichters 72 zwischen Verdichter 72 und der Drosselklappe 5 unter einem Ladedruck zur Verfügung.
-
Der Betrieb des Verbrennungsmotors 2 wird mit Hilfe einer Steuereinheit 10 gesteuert, die basierend auf einer Vorgabe einer Lastanforderung V und basierend auf Zustandsgrößen, wie beispielsweise einer Drehzahl n und dergleichen, die Drosselklappe 5 und den Ladersteller 74 in geeigneter Weise ansteuert.
-
Ausgehend von einem bestimmten Abgasgegendruck p3 auf der Eingangsseite der Turbine 71 wird bei einer erhöhten Leistungs- bzw. Lastanforderung, d.h. einer Anforderung nach einem höheren Drehmoment bzw. nach einer höheren Drehzahl, der Ladersteller 74 so angesteuert, dass ein größerer Anteil der bereitgestellten Abgasenthalpie in mechanische Leistung umgesetzt wird. Ein entsprechendes Stellen des Laderstellers 74 bewirkt im Prinzip zunächst eine Erhöhung des Abgasgegendrucks p3, so dass die Druckdifferenz über der Turbine 71 ansteigt. Dies wird bei einem Ladersteller 74, der in Form einer variablen Turbinengeometrie ausgebildet ist, durch Verkippen bzw. Verstellen von Turbinenschaufeln erreicht. Bei einem Ladersteller 74, der in Form eines Wastegate-Ventils ausgebildet ist, das in einer Umgehungsleitung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Turbine 71 angeordnet ist, wird dies durch eine Verringerung des Strömungsquerschnittes in der Umgehungsleitung erreicht.
-
Durch den Aufbau des Abgasgegendrucks p3 steigen zunächst die Ladungswechselverluste des Verbrennungsmotors 2 an, bevor sich durch eine sich aufgrund des ansteigenden Ladedrucks pLD erhöhende Luftzufuhr in dem Verbrennungsmotor 2 die dort umgesetzte Leistung erhöht. Dies führt bei einer schnellen bzw. sprunghaften Leistungs- bzw. Lasterhöhung zu einem kurzzeitigen Abfall der von dem Verbrennungsmotor 2 bereitgestellten Leistung.
-
Eine Möglichkeit diesen Effekt zu vermeiden, besteht darin, den Abgasgegendruck p3 zu begrenzen und für eine optimale Lasterhöhung des Verbrennungsmotors 2 ein Kompromiss zwischen der Geschwindigkeit der Ladedruckerhöhung im Ladeluftabschnitt 41 (die zur Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors führt) bzw. einer Erhöhung des Saugrohrdrucks p2 in einem stromabwärts der Drosselklappe 5 angeordneten Saugrohrabschnitt 42 und dem Abgasgegendruck p3 (dessen Erhöhung zunächst eine Leistungsverminderung bewirkt) einzustellen. Dabei muss insbesondere weiterhin eine Rauchgrenze des Verbrennungsmotors 2 berücksichtigt werden.
-
Die Steuereinheit 10 führt eine Vielzahl von Funktionen aus. Insbesondere wird in der Steuereinheit 10 eine Ladedruckregelung 11 durchgeführt, die basierend auf einem gemessenen oder modellierten Ladedruck pLD in dem Ladeluftabschnitt 41 Es ist nun vorgesehen, eine Laderstellgröße S zu begrenzen. Die Laderstellgröße S wird üblicherweise als Tastverhältnis entsprechend einem Stellgrößenwert zwischen 0 und 1 vorgesehen.
-
Der bisherige Ansatz, einen entsprechenden Steller-Begrenzungswert Slim für die Laderstellgröße aus einem Kennfeld zu ermitteln, das als Eingangsgrößen die Einspritzmenge von eingespritztem Kraftstoff und die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 aufweist, erfordert einen erheblichen Applikationsaufwand. Zudem ist die notwendige Bedatung ist immer abhängig von den aktuell vorhandenen Betriebsbedingungen. Diese Einflüsse werden entweder nicht berücksichtigt oder erfordern erheblichen zusätzlichen Applikationsaufwand. Es ist daher vorgesehen, den Steller-Begrenzungswert so zu wählen, dass dieser durch physikalische Größen bestimmt ist und nur von Applikationsgrößen abhängt, die für Ladungswechselverluste charakteristisch sind.
-
Die Ermittlung des Steller-Begrenzungswerts Slim für die Laderstellgröße S erfolgt basierend auf einem maximalen Abgasgegendruck, der aus dem jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors ermittelt wird.
-
Dazu werden aus dem Motorprozess Kenngrößen wie verfügbare Gesamtarbeit ET und Ladungswechselarbeit EA ermittelt. Das Kenngrößenverhältnis rA als Verhältnis zwischen der Gesamtarbeit ET und Ladungswechselarbeit EA wird durch einen vorgegebenen Kenngrößen-Begrenzungswert rAlim begrenzt, so dass ein dem Kenngrößenbegrenzungswert entsprechender Abgasgegendruck-Begrenzungswert p3lim bestimmt werden kann. Aus dem Abgasgegendruck-Begrenzungswert p3lim kann über ein geeignetes Drosselmodell oder ein VTG-Modell (VTG: Variable Turbinengeometrie) der Steller-Begrenzungswert Slim zur Begrenzung der Laderstellgröße bestimmt werden. Der Abgasgegendruck-Begrenzungswert kann an der Rauchgrenze als Führungsgröße verstanden werden.
-
In Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 wird nun ein Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2 beschrieben.
-
Zur Optimierung der Motorbeschleunigung bzw. des Ladedruckaufbaus wird die abgegebene Arbeit des Motorkreisprozesses bestimmt. Dazu ist in 3 der Motorkreisprozess energetisch als Diagramm des Zylinderdrucks p über einem Brennraumvolumen V dargestellt, wobei insbesondere ein Hubvolumen VUT–VOT zwischen einem Volumen VOT an einem oberen Totpunkt der Zylinderbewegung und einem Volumen VUT an einem unteren Totpunkt der Zylinderbewegung dargestellt ist. Der Motorkreisprozess umfasst den Arbeitstakt, der die Gesamtarbeit ET einer einzelnen Verbrennungen liefert, und den Ladungswechsel-Kreisprozess mit der negativen Ladungswechselarbeit EA. Die Gesamtarbeit ET, die Ladungswechselarbeit EA und die Expansionsverluste EV sind als Flächen in dem Diagramm der 3 dargestellt.
-
Die Motorarbeit EM oder die an den Motor abgegebene Arbeit bestimmt sich in erster Näherung als die Differenz der Gesamtarbeit ET des Arbeitstaktes und der Ladungswechselarbeit EA, wobei Expansionsverluste und andere Verluste unberücksichtigt bleiben können.
-
In Schritt S1 wird die Gesamtarbeit ET bestimmt. Die Gesamtarbeit ET des Arbeitstakts kann entsprechend einem Carnot-Prozess als Produkt der Gasmasse m im Hubvolumen zu Beginn des Arbeitstaktes und der Temperaturerhöhung (d.h. der Temperaturdifferenz T3 – T2 zwischen der Abgastemperatur T3 und der Temperatur T2 der angesaugten Luft) dieser Gasmasse abgeschätzt werden (unter Berücksichtigung der Gaskonstanten R). Es gilt. ET ≈ mR(T3 – T2)
-
Anstelle der physikalischen Bestimmung der Gesamtarbeit ET eines Arbeitszyklus über den Carnot-Prozess kann die Gesamtarbeit ET auch über die eingetragene Energie (in Form der Einspritzmenge) und dem thermischen Wirkungsgrad im Arbeitspunkt bestimmt werden. Insbesondere im Steuergerät bietet sich dieser Ansatz an, da alle notwendigen Größen bereits vorhanden sind.
-
In Schritt S2 wird eine Ladungswechselarbeit EA bestimmt. Die Ladungswechselarbeit EA ist durch den Ladungswechsel-Kreisprozess beschrieben. Als Abschätzung kann die Ladungswechselarbeit EA als Produkt aus Hubvolumen V und Spülgefälle, d.h. einer Druckdifferenz zwischen dem Abgasgegendruck p3 und dem Saugrohrdruck p2 angegeben werden. Es gilt. EA ≈ (p3 – p2)V
-
In Schritt S3 wird eine Ladedruckregelung ausgeführt, die basierend auf vorgegebenen einem Sollladedruck eine Laderstellgröße S für den Ladersteller 74 ermittelt und diese bereitstellt.
-
In Schritt S4 wird für den momentanen Betriebspunkt ein Abgasgegendruck-Begrenzungswert p3lim ermittelt.
-
Für den statischen Betriebsfall, in dem keine Beschleunigung des Verbrennungsmotors 2 vorliegt, wird die Turbine 71 der Aufladeeinrichtung 7 nicht beschleunigt. Um diesen Betriebspunkt zu halten, ist damit die im stationären Betriebspunkt erforderliche Ladungswechselarbeit EAStat über die aktuell notwendige Turbinenleistung bestimmt. Es kann also das Kenngrößenverhältnis rA der Ladungswechselarbeit EAStat zur Gesamtarbeit ET bestimmt werden (rA = EAStat/ET). Das Verhältnis rM = 1 – rA, entspricht dann dem Verhältnis der an die Kurbelwelle abgegebene Motorarbeit und der Gesamtarbeit im stationären Betriebsfall. Diese reduzierte Betrachtung gilt näherungsweise für Betriebsbereiche bis mittlere Fahrzeug-Geschwindigkeiten und damit verhältnismäßig geringen stationären Verlusten (z.B. Windwiderstands, Rollwiderstand, etc.).
-
Für die Beziehung der Kompressionsarbeit zur Gesamtarbeit gilt dann als Abschätzung: (p3 – p2)VT ≈ rAET
-
Wird eine Beschleunigung durch den Fahrer gewünscht und ist für diese Beschleunigung eine Erhöhung des Ladedrucks erforderlich, wird dies u.a. durch eine auftretende Ladedruckregelabweichung deutlich (Differenz zwischen dem Sollladedruck und dem gemessenen oder modellierten Istladedruck). Um die Regelabweichung zu reduzieren, ist eine höhere Ladungswechselarbeit EA als die stationäre Ladungswechselarbeit EAStat erforderlich. Diese erhöhte Ladungswechselarbeit EA bzw. die Erhöhung der Ladungswechselarbeit ΔEA sollte so bemessen werden, dass die dem Verbrennungsmotor zugeführte Motorarbeit EM ausreicht, um den Verbrennungsmotor in verbesserter Weise (optimierter Weise) zu beschleunigen. Dazu wird ET in einem applizierbaren Verhältnis (eventuell auch abhängig von Motorkenngrößen wie die aktuelle Drehzahl, Last und dergleichen – hier Betriebspunkt op) aufgeteilt. Diese Aufteilung bestimmt sich aus der aktuellen stationären Aufteilung rA und einem konstanten oder betriebspunktabhängigen Aufteilungsfaktor k als k·rA. Der Aufteilungsfaktor k kann abhängig von einer Drehzahl, einer Last, der momentanen Ladedruckregelabweichung vorgegeben werden. Der Aufteilungsfaktor k steht dabei für den Anteil der Gesamtarbeit ET, der zusätzlich für die Kompressionserhöhung von der dem Verbrennungsmotor 2 zur Verfügung stehenden Gesamtarbeit ET abgenommen wird.
-
Aus der Begrenzung für ein limitiertes Leistungsverhältnis zwischen EALim = k·rA·ET errechnet sich mit EALim = (p3Lim – p2)V ein maximales Spülgefälle p3lim – p2, so dass sich p3lim ≈ (k·rAET)/V + p2 als Abgasgegendruck-Begrenzungswert p3lim ergibt.
-
Damit kann der maximale Abgasgegendruck-Begrenzungswert bis auf den Aufteilungsfaktor k bestimmt werden. Der Aufteilungsfaktor k kann vorgegeben sein und insbesondere zwischen 1,05 und 1,3, vorzugsweise zwischen 1,1 und 1,2 liegen.
-
Aus dem Abgasgegendruck-Begrenzungswert p3lim wird in Schritt S5 mithilfe eines geeigneten Drosselmodells oder eines VTG-Modells (VTG: Variable Turbinengeometrie) ein Steller-Begrenzungswert Slim zur Begrenzung der Laderstellgröße S ermittelt.
-
In Schritt S6 wird die von der Ladedruckregelung bereitgestellte Laderstellgröße S auf den Steller-Begrenzungswert Slim begrenzt und als begrenzte Laderstellgröße an den Ladersteller 74 bereitgestellt.
-
Mit aus der Literatur bekannten Berechnungsverfahren für die Gesamtarbeit ET eines Arbeitstaktes (ausschließlich beschreibbar durch bekannte Größen der Verbrennung, wie z.B. einer Masse im Brennraum, einer Temperaturerhöhung, einem Motorvolumen, einem Verdichtungsverhältnis und einem Wirkungsrad der Umsetzung) ist als einzige Größe der Aufteilungsfaktor k zur Bestimmung des optimal limitierenden Aufteilungsverhältnisses notwendig, um die Beschleunigung effektiv bedaten zu können. Die Berechnung der Begrenzung der Laderstellgröße wird damit unabhängig von der aktuellen Drehzahl, dem Motorvolumen und dem damit zusammenhängendem Massenstrom.
