DE102017213068A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Ladedrucks für einen aufgeladenen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor (2), wobei das Motorsystem (1) eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung (6) mit einer Turbine (61), einen mit der Turbine (61) rotatorisch gekoppelten Verdichter (62) und einem variabel einstellbaren Ladersteller (64) aufweist, wobei die variable Einstellung des Laderstellers (64) durch seine Drosselwirkung im Abgasstrom des Verbrennungsmotors (2) durch eine effektive Querschnittsfläche $\left(A_{eff}^T\right)$

der Turbine (61) beschreibbar ist, mit folgenden Schritten:
- Durchführen einer Ladedruckregelung basierend auf einer Flächenabweichung zwischen einer effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) und einer effektiven Ist-Querschnittsfläche (A_{eff_ist}), die sich aus einem vorgegebenen Soll-Ladedruck $\left(p_{DS\_Soll}^c\right)$

bzw. einem Ist-Ladedruck $\left(p_{DS\_Ist}^c\right)$

in einem Ladedruckabschnitt des aufgeladenen Verbrennungsmotors (2) gemäß einem vorgegebenen Aufladungsmodell ergeben, wobei das Aufladungsmodell ein Beschleunigungsverhalten der rotatorischen Kopplung zwischen Verdichter (62) und Turbine (61) berücksichtigt;
- Anpassen der effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) abhängig von einer angepassten Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_{Soll_korr}) durch Berücksichtigung beim Beschleunigungsverhalten im Aufladungsmodell, wobei eine Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_Solll) abhängig von einer Ladedruckabweichung $\left(\Delta p_{DS}^c\right)$

angepasst wird, die einen Unterschied zwischen dem vorgegebenen Soll-Ladedruck $\left(p_{DS\_Soll}^c\right)$

und dem Ist-Ladedruck $\left(p_{DS\_Ist}^c\right)$

angibt, um die angepasste Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_{Soll_korr}) zu erhalten.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft aufgeladene Verbrennungsmotoren, bei der ein Ladedruck mithilfe einer Ladedruckregelung über eine variable Ansteuerung eines Laderstellers eingestellt wird.
• Technischer Hintergrund
• Bei Verbrennungsmotoren mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung, einem so genannten Turbolader, wird Umgebungsluft mithilfe der Aufladeeinrichtung angesaugt und unter einem erhöhten Druck, dem sogenannten Ladedruck, im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors bereitgestellt. Die Aufladeeinrichtung kann durch eine Turbine angetrieben werden, die im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist, um Abgasenthalpie des Verbrennungsabgases in kinetische Energie zum Antrieb eines Verdichters der Aufladeeinrichtung bereitzustellen.
• Zur Regelung des Ladedrucks ist die Aufladeeinrichtung mit einem Ladersteller versehen, der variabel ansteuerbar ist, um den Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung bzw. den Anteil, der aus der Abgasenthalpie gewonnenen mechanischen Leistung, die zum Antrieb des Verdichters verwendet wird, einzustellen. Insbesondere können abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen zur variablen Einstellung des Wirkungsgrads eine steuerbare variable Turbinengeometrie, ein steuerbares Waste-Gate-Ventil oder dergleichen bzw. eine Kombination solcher Einrichtungen aufweisen.
• Die Druckschrift DE 10 2009 055 236 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor ein Abgasrückführungssystem aufweist und der Abgasturbolader eine einstellbare Abgasturbine umfasst, wird mindestens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors erfasst, aufgrund dessen eine Solldrehzahl des Abgasturboladers ermittelt wird. Es wird weiterhin eine Ist-Drehzahl des Abgasturboladers erfasst, wobei aufgrund der Ist-Drehzahl und der Soll-Drehzahl eine Steuergröße zur Einstellung der Abgasturbine ermittelt und die Abgasturbine entsprechend der ermittelten Steuergröße eingestellt wird.
• Die Druckschrift DE 10 2006 032 836 A1 offenbart ein Verfahren zur Ladedruckregeleinrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei eine Ladedruckregeleinrichtung eine Bypasseinrichtung, vorzugsweise im Abgasstrom der Brennkraftmaschine, aufweist und wobei die Bypasseinrichtung eine Stelleinrichtung aufweist, die die Bypasseinrichtung bei Erreichen eines vorgegebenen Stelleinrichtungs-Sollwertes freigibt. Es wird in Abhängigkeit von vorgegebenen und/oder erfassten Brennkraftmaschinenparametern ein Adaptionsbetrag als Korrekturwert ermittelt, mittels dem der betriebspunktabhängig vorgegebene Sollwert der Stelleinrichtung für eine vorgegebene Regelabweichung zwischen einem Ladedruck-Istwert und einem Ladedruck-Sollwert adaptiert wird.
• Die Druckschrift DE 198 12 691 A1 offenbart eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine, wobei ein innerer Regelkreis zum Regeln der Stellung eines Stellglieds vorgesehen ist, das den Querschnitt eines Abgaskanals vor einer Abgasturbine beeinflusst. Dazu wird eine Rückmeldung des Stellglieds über seine Stellung mit einem Sollwert für die Stellgliedstellung verglichen und ein entsprechendes Stellsignal für das Stellglied erzeugt.
• Offenbarung der Erfindung
• Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Regeln eines Ladedrucks in einem aufgeladenen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
• Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Regeln eines Ladedrucks in einem Motorsystem mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei das Motorsystem eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung mit einer Turbine, einer mit der Turbine rotatorisch gekoppelten Verdichter und einem variabel einstellbaren Ladersteller aufweist, wobei die variable Einstellung des Laderstellers durch seine Drosselwirkung im Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch eine effektive Querschnittsfläche beschreibbar ist, mit folgenden Schritten:
• - Durchführen einer Ladedruckregelung basierend auf einer Flächenabweichung zwischen einer effektiven Soll-Querschnittsfläche und einer effektiven Ist-Querschnittsfläche, die sich aus einem vorgegebenen Soll-Ladedruck bzw. einem Ist-Ladedruck in einem Ladedruckabschnitt des aufgeladenen Verbrennungsmotors gemäß einem vorgegebenen Aufladungsmodell ergeben, wobei das Aufladungsmodell ein Beschleunigungsverhalten der rotatorischen Kopplung zwischen Verdichter und Turbine berücksichtigt;
• - Anpassen der effektiven Soll-Querschnittsfläche abhängig von einer angepassten Soll-Beschleunigungsvorgabe durch Berücksichtigung beim Beschleunigungsverhalten im Aufladungsmodell, wobei die Soll-Beschleunigungsvorgabe abhängig von einer Ladedruckabweichung angepasst wird, die einen Unterschied zwischen dem vorgegebenen Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck angibt.
• Ein häufig angewandtes Verfahren für eine Ladedruckregelung berechnet nun für eine Steuerung als auch für eine Regelung des Ladedrucks ausgehend von Systemzustandsgrößen eine effektive Querschnittsfläche des Laderstellers, die je nach Art des verwendeten Laderstellers in eine Stellgröße zum Ansteuern des betreffenden Laderstellers umgesetzt wird. Die effektive Querschnittsfläche kann also einen Strömungsquerschnitt eines eine Turbine der Aufladevorrichtung kurzschließenden Waste-Gate-Ventils oder einen Anstellwinkel von Turbinenschaufels eines VTG-Stellers repräsentieren.
• Das der Ermittlung der effektiven Querschnittsfläche zugrundeliegende Aufladungsmodell stellt eine Beziehung zwischen einem vorgegebenen Ladedruck und der entsprechenden effektiven Querschnittsfläche zur Verfügung und berücksichtigt auch das Verhalten der Aufladeeinrichtung im dynamischen Betrieb. Dieses Aufladungsmodell kann für einen Soll-Ladedruck als auch für einen Ist-Ladedruck im stationären und instationären Betrieb des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden. Die Regelung basiert auf einer Berechnung eines Unterschieds zwischen einer effektiven Ist-Querschnittsfläche und einer effektiven Soll-Querschnittsfläche abhängig von dem Ist-Ladedruck und dem Soll-Ladedruck. Eine darauf basierende Reglerstruktur hat den Vorteil, dass die Regelstrecke linearisiert werden kann, obwohl der Zusammenhang zwischen Ladedruck und effektiver Querschnittsfläche nichtlinear ist. Folglich kann daher ein einfacher Regler, z.B. ein PID-Regler, mit konstanten Regelparametern verwendet werden, so dass die Reglerauslegung vereinfacht ist. Dies stellt ein Vorteil dar, da bisherige Ansätze eine Regelung des Ladedrucks direkt auf einer Abweichung zwischen dem Soll-Ladedruck und Ist-Ladedruck durchführen, die eine komplizierte betriebspunkt- und zustandsabhängige Reglerparametrierung erforderlich machen.
• Wenn jedoch nicht direkt auf die Abweichung zwischen Soll-Ladedruck und Ist-Ladedruck geregelt wird, ist eine direkte Beeinflussung der Dynamik des Abbaus der Regelabweichung des Ladedrucks anhand der Reglerparameter nicht möglich. Da in der modellbasierten Berechnung des Aufladungsmodells sowohl die Drehzahl der Aufladeeinrichtung als auch die Beschleunigung der Aufladeeinrichtung eingeht, kommt es zudem in bestimmten Situationen zu einer Abweichung von der effektiven Soll-Querschnittsfläche und der effektiven Ist-Querschnittsfläche, die sehr gering ist, obwohl eine signifikante Abweichung zwischen dem Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck besteht. Da jedoch die obige Reglerstruktur vorsieht, die Regelung basierend auf der Abweichung zwischen der effektiven Soll-Querschnittsfläche und der effektiven Ist-Querschnittsfläche zu regeln, kann nicht adäquat auf die Abweichung zwischen dem Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck reagiert werden, woraus ein asymptotisches Einregelverhalten resultiert.
• Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Dynamik des Abbaus der Ladedruckabweichung (zwischen einem vorgegebenen Soll-Ladedruck und einem Ist-Ladedruck) direkt zu beeinflussen, ohne in die Linearisierung des Reglers einzugreifen. Das Aufladungsmodell ermittelt aus einem vorgegebenen Ladedruck eine effektive Querschnittsfläche unter Berücksichtigung der momentanen Drehzahl und Beschleunigung der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung. Bei einer Ladedruckregelung, die auf der Flächenabweichung zwischen der effektiven Soll-Querschnittsfläche und der effektiven Ist-Querschnittsfläche basiert, kann es aufgrund der Beschleunigungsleistung, die in dem Aufladungsmodell berücksichtigt ist, dazu kommen, dass die Flächenabweichung sehr gering ist, während die Ladedruckabweichung deutlich von null verschieden ist. In diesem Fall wird die Ladedruckabweichung asymptotisch ausgeregelt, und zwar basierend auf der Zeitkonstanten der Regelung, die in der Regel eine geringe Dynamik aufweist.
• Um das Ansprechverhalten der Regelung zu verbessern, wird nun vorgeschlagen, den Einfluss der Beschleunigungsleistung in einem Dynamikfall abhängig von der tatsächlichen Ladedruckabweichung zu manipulieren und so die fehlende Dynamik in den obigen Betriebsfällen auszugleichen. Auf diese Weise ist es möglich, die Qualität der Modellierung zu verbessern und insbesondere in Fällen, in denen die Beschleunigungsleistung eine Flächenabweichung zumindest teilweise kompensiert, die Dynamik der Regelung zu erhöhen.
• Weiterhin kann die effektive Ist-Querschnittsfläche abhängig von einer angepassten Ist-Beschleunigungsangabe durch Berücksichtigung beim Beschleunigungsverhalten im Aufladungsmodell angepasst werden, wobei die angepasste Ist-Beschleunigungsangabe abhängig von der Ladedruckabweichung angepasst wird.
• Gemäß einer Ausführungsform kann das Anpassen der effektiven Soll-Querschnittsfläche und/oder der effektiven Ist-Querschnittsfläche durch additives oder multiplikatives Beaufschlagen mit einer Korrekturgröße durchgeführt werden, die sich aus der einer Drehzahlabweichung zwischen einer sich aus dem Aufladungsmodel für den Soll-Ladedruck ergebenden Soll-Drehzahl und einer sich für den Ist-Ladedruck ergebenden Ist-Drehzahl insbesondere unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Zeitkonstanten ergibt.
• Weiterhin kann die Ladedruckregelung eine Vorsteuerung aufweisen, die auf der angepassten effektiven Soll-Querschnittsfläche beruht.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Ladedruckregelung eine Regelung aufweist, um eine Regelungsgröße zur Beaufschlagung auf die Vorsteuerung bereitzustellen, wobei die Regelungsgröße abhängig von der angepassten effektiven Soll-Querschnittsfläche und abhängig von der angepassten effektiven Ist-Querschnittsfläche ermittelt wird, wobei die Regelungsgröße insbesondere abhängig von einem Vorzeichen eines Unterschieds zwischen der angepassten effektiven Soll-Querschnittsfläche und der angepassten effektiven Ist-Querschnittsfläche inkrementiert oder dekrementiert wird.
• Insbesondere kann die Regelung als lineare Regelung, insbesondere als PI oder PID - Regelung, durchgeführt werden.
• Weiterhin kann das Aufladungsmodell ein mathematisches Verdichtermodell und ein mathematisches Turbinenmodell berücksichtigen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor, wobei das Motorsystem eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung mit einer Turbine, einen mit der Turbine rotatorisch gekoppelten Verdichter und einem variabel einstellbaren Ladersteller aufweist, wobei die variable Einstellung des Laderstellers durch seine Drosselwirkung im Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch eine effektive Querschnittsfläche der Turbine beschreibbar ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
• - eine Ladedruckregelung basierend auf einer Flächenabweichung zwischen einer effektiven Soll-Querschnittsfläche und einer effektiven Ist-Querschnittsfläche durchzuführen, die sich aus einem vorgegebenen Soll-Ladedruck bzw. einem Ist-Ladedruck in einem Ladedruckabschnitt des aufgeladenen Verbrennungsmotors gemäß einem vorgegebenen Aufladungsmodell ergeben, wobei das Aufladungsmodell ein Beschleunigungsverhalten der rotatorischen Kopplung zwischen Verdichter und Turbine berücksichtigt;
• - die effektive Soll-Querschnittsfläche abhängig von einer angepassten Soll-Beschleunigungsvorgabe durch Berücksichtigung beim Beschleunigungsverhalten im Aufladungsmodell anzupassen, wobei eine Soll-Beschleunigungsvorgabe abhängig von einer Ladedruckabweichung angepasst wird, die einen Unterschied zwischen dem vorgegebenen Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck angibt, um die angepasste Soll-Beschleunigungsvorgabe zu erhalten.
• Figurenliste
• Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung; und
• 2 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung einer Regelung eines Ladedrucks in dem Motorsystem der 1.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2. Der Verbrennungsmotor kann in Form eines kraftstoffgeführten (Dieselmotor) oder luftgeführten Verbrennungsmotors (Ottomotor) ausgebildet sein.
• Der Verbrennungsmotor 2 kann eine Anzahl von Zylindern 3, im vorliegenden Fall vier Zylinder, aufweisen. Dem Verbrennungsmotor 2 wird Luft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt. Im Luftzuführungssystem 4 ist weiterhin eine Drosselklappe 7 angeordnet. Verbrennungsabgase, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2 entstehen, werden aus den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 über ein Abgassystem 5 abgeführt.
• Es ist eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen, die eine Turbine 61 aufweist. Die Turbine 61 ist in dem Abgassystem 5 angeordnet, so dass das Verbrennungsabgas, das von den Zylindern 3 beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2 ausgestoßen wird, diese antreibt, wobei die Abgasenthalpie des Verbrennungsabgases in mechanische Rotationsenergie umgesetzt wird.
• Die Turbine 61 ist mit einem Verdichter 62 über eine Kopplungswelle 63 verbunden, um die durch die Turbine 61 bereitgestellte mechanische Energie dem Verdichter 62 zur Verfügung zu stellen und zur Verdichtung von aus der Umgebung entnommenen Frischluft zu verwenden. Dazu saugt der Verdichter 62 Frischluft aus der Umgebung des Motorsystems 1 an und stellt diese ausgangsseitig des Verdichters 62 in einem Ladedruckabschnitt 41 unter einem Ladedruck zur Verfügung. Stromabwärts an den Ladedruckabschnitt 41 schließt sich ab der Drosselklappe 7 ein Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems an. Der Saugrohrabschnitt 42 ist unmittelbar mit Einlassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 3 verbunden.
• Es kann ein Ladersteller 64 an oder in der Turbine 61 vorgesehen sein, mit dem der Anteil der Abgasenthalpie, der in mechanische Energie umgesetzt wird, eingestellt werden kann. Der Ladersteller 64 kann in Form eines Waste-Gate-Ventils, eines VTG-Stellers oder dergleichen ausgebildet sein.
• Weiterhin ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die das Motorsystem 1 betreibt. Die Steuereinheit 10 erfasst dazu Zustandsgrößen in dem Motorsystem 1 und erhält eine Vorgabegröße, die beispielsweise ein Fahrerwunschmoment oder eine Fahrpedaleinstellung angeben kann. Basierend auf der Vorgabegröße und dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 werden dann Stellgeber in dem Verbrennungsmotor 2, wie beispielsweise der Ladersteller 64, eine (nicht gezeigte) Kraftstoffeinspritzung und die Drosselklappe 7 mithilfe einer oder mehrerer Stellgrößen gestellt, um so eine gewünschte Antriebsleistung des Verbrennungsmotors 2 bereitzustellen. In der Regel wird aus der Vorgabegröße ein Ladedruck bestimmt, der mit Hilfe einer Ladedruckregelung den Ladedruck durch eine Verstellung des Laderstellers 64 eingestellt wird. Die Einstellung erfolgt auf Grundlage einer Regelung, die den Ladedruck auf einen vorgegebenen Soll-Ladedruck regelt. Die Bestimmung des Soll-Ladedrucks erfolgt in an sich bekannter Weise basierend auf der Vorgabegröße und sonstigen Betriebszustandsgrößen des Verbrennungsmotors 2.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Reglerstruktur zum Bestimmen einer Stellgröße S für den Ladersteller 64 der abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung. In einem ersten Aufladungsmodellblock 21 wird eine effektive Soll-Querschnittsfläche A_{eff_soll} entsprechend einem implementierten Aufladungsmodell basierend auf einem vorgegebenen Soll-Ladedruck $p_{D{S}_{soll}}^c$

  

  ermittelt. Der vorgegebene Soll-Ladedruck $p_{D{S}_{soll}}^c$

  

  kann sich aus einer an sich bekannten Momentenpfadberechnung in dem Steuergerät 10 des Motorsystems 1 bestimmen, auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Der vorgegebene Soll-Ladedruck $p_{D{S}_{soll}}^c$

  

  steht in direkter Abhängigkeit zu einem angeforderten Motormoment, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeug von einem Fahrer als Fahrerwunschmoment, zum Beispiel die Stellung eines Fahrpedals, angegeben werden kann. Die Berechnung des Aufladungsmodells führt zu der effektiven Soll-Querschnittsfläche A_{eff_soll} .
• In einem zweiten Aufladungsmodellblock 22 wird eine entsprechende Berechnung basierend auf einem tatsächlich gemessenen oder modellierten Ist-Ladedruck $p_{D{S}_{ist}}^c$

  

  ermittelt, und es wird eine effektive Ist-Querschnittsfläche A_{eff_ist} bestimmt. Die Berechnungen in den Aufladungsmodellblöcken 21, 22 erfolgt gemäß folgendem Gleichungssystem.
• Es wird zunächst die Drehzahl ω der Aufladeeinrichtung bestimmt. $$P^C={\dot{m}}^{air}\left[c_p^{air}{T}_{Us}^C\left({\left(\frac{p_{Ds}^C}{p_{Us}^C}\right)}^{\frac{R}{c_p^{air}}}-1\right)\frac{1}{{\eta }^C}\right]={\dot{m}}^{air}\left[c_0{\omega }^2-c_1\frac{{\dot{m}}^{air}}{\rho }\omega \right],$$

  
• Daraus ergibt sich die Beschleunigungsleistung P^acc und die Reibleistung P^fric $$P^{acc}=I\cdot \omega \cdot \dot{\omega };P^{fric}=M\cdot \omega ,$$

  
• Als Abgasmassenstrom ṁ^exh $$P^T=\left[P^C+P^{acc}+P^{fric}\right]/{\eta }_{mech}={\dot{m}}^{exh}\left[c_p^{exh}{T}_{Us}^T\left(1-{\left(\frac{p_{Ds}^T}{p_{Us}^T}\right)}^{\frac{R}{c_p^{exh}}}\right)\right]{\eta }^T,$$

  

  und daraus die effektive Querschnittsfläche $A_{eff}^T$

  

  $${\dot{m}}^{exh}=\frac{p_{Us}^T{A}_{eff}^T}{\sqrt{R\cdot T_{Us}^T}}\mathrm{\Psi }\left(\frac{p_{Ds}^T}{p_{Us}^T}\right).$$

  
• Dabei entsprechen:

ṁ^air/exh

Frischluft-/Abgasmassenstrom



Spezifische Wärme für Frischluft/Abgas



Temperatur vor Verdichter (C)/Turbine (T)



Druck vor (Us)/nach (Ds) Verdichter/Turbine

η^C/T

Verdichter-/Turbinenwirkungsgrad. Wirkungsgrade können vom Zustand des Systems abhängen.

η_mech

Mechanischer Wirkungsgrad

c₀, c₁

die Verdichtergeometrie charakterisierende Konstanten

ρ

Dichte der Luft vor Verdichter

ω/ω̇

Winkelgeschwindigkeit/Winkelbeschleunigung der Turboladerdrehzahl

M

Reibmoment

R

Spezifische Gaskonstante für Luft

Ψ

Durchflusskennlinie einer Drossel



Effektive Querschnittsfläche der Turbine.

P^C

Verdichterleistung; Leistung, die bei gegebenem Luftmassenstrom ṁ^air, Temperatur $T_{Us}^C$



vor Verdichter und Verdichterwirkungsgrad η^C vom Verdichter konsumiert wird, um ein Druckverhältnis $p_{Ds}^C/p_{Us}^C$



aufzubauen. Alternativ kann die Verdichterleistung bei geeigneter Wahl der Parameter c₀ und c₁ und bekannter Dichte der Luft vor Verdichter ρ durch die Turboladerdrehzahl (hier Winkelgeschwindigkeit) ω ausgedrückt werden. Gl. (1) wird auch als Drehzahlmodell bezeichnet, da eine Relation zwischen Laderdrehzahl und Druckverhältnis hergestellt wird.

P^acc

Beschleunigungsleistung; Leistung, die benötigt wird, um ein Laufzeug mit Trägheitsmoment I, das mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, mit einer Winkelbeschleunigung ω̇ zu beschleunigen.

P^fric

Reibleistung; Leistung, die zur Überwindung der Reibung aufgebracht werden muss.

P^T

Turbinenleistung; Leistung, die von der Turbine aufgebracht werden muss; Summe aller konsumierten Leistungsbeiträge, korrigiert durch einen effektiven mechanischen Wirkungsgrad η_mech. Die Turbinenleistung berechnet sich aus Abgasmassenstrom ṁ_̇ ^exh , Temperatur vor Turbine $T_{Us}^T,$



Druckverhältnis über die Turbine $p_{Ds}^T/p_{Us}^T$



und Turbinenwirkungsgrad η^T

ṁ^exh

Abgasmassenstrom. ṁ^exh kann mit Hilfe einer Drosselgleichung, der die Durchflusscharakteristik $\mathrm{\Psi }\left(\frac{p_{Ds}^T}{p_{Us}^T}\right)$



zugrunde liegt, berechnet werden. Die Drosselgleichung stellt eine Relation zur effektiven Querschnittsfläche $A_{eff}^T,$



und damit zur Turbinenstellgröße, her.

• In der gezeigten Regelung kann die effektive Soll-Querschnittsfläche A_{eff_soll} als Vorsteuergröße verwendet und einem Summierglied 23 zugeführt werden. Weiterhin wird die effektive Soll-Querschnittsfläche A_{eff_soll} sowie die effektive Ist-Querschnittsfläche A_{eff_ist} einem Regelungsblock 24 zugeführt. Der Regelungsblock analysiert aus einer Regelabweichung zwischen der effektiven Soll-Querschnittsfläche A_{eff_soll} und der effektiven Ist-Querschnittsfläche A_{eff_ist} und inkrementiert bzw. dekrementiert einen entsprechenden Regelungsanteil ΔR, der dem Summierglied 23 zugeführt wird. Die Summe aus der Vorsteuergröße, nämlich der effektiven Soll-Querschnittsfläche A_{eff_soll} oder einer davon abhängigen Größe, und der Regelungsgröße ΔR ergibt die effektive Regelquerschnittsfläche A_{eff_Reg} , die einem Kennfeldblock 25 zugeführt wird.
• Die Kennfeldblock 25 ordnet der effektiven Regelquerschnittsfläche A_{eff_Reg} eine entsprechende Turbinenstellgröße S für den Ladersteller 64 zu, da es für $A_{eff}^T$

  

  einen streng monotonen Zusammenhang zu einer Turbinenstellgröße gibt, beispielsweise einem Tastverhältnis. Dieses Kennfeld ist entsprechend appliziert und berücksichtigt die Besonderheiten des jeweilig verwendeten Laderstellers 64. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise in einer Kennlinie im Steuergerät gespeichert sein.
• Es besteht bei dieser Regelung ein Dynamikproblem darin, dass aufgrund der Berücksichtigung der Beschleunigungsleistung der Aufladeeinrichtung 6 der Fall auftreten kann, dass bei einer bestehenden Ladedruckabweichung $\Delta p_{Ds}^c$

  

  zwischen dem Soll-Ladedruck und dem Ist-Ladedruck $\Delta p_{Ds}^c=p_{DS\_Soll}^c-p_{DS\_Ist}^c$

  

  durch eine entsprechende Beschleunigungsleistung aufgehoben wird, so dass sich nur eine geringe Abweichung zwischen den effektiven Querschnittsflächen ergibt. Dies führt zu einem sehr geringen Regelungseinfluss, so dass die Dynamik zum Ausgleich der bestehenden Abweichung zwischen dem Soll-Ladedruck $p_{D{S}_{soll}}^c$

  

  und dem Ist-Ladedruck $p_{D{S}_{ist}}^c$

  

  sehr gering ist.
• Um dieses Problem zu beheben, kann das Aufladungsmodell dahingehend modifiziert werden, dass die zu berücksichtigende Beschleunigungsleistung p^ACC abhängig von einer Ladedruckabweichung angepasst wird. Insbesondere kann die in dem Aufladungsmodell berücksichtigte Beschleunigungsleistung p^ACC korrigiert werden, indem für die Beschleunigungsleistung p^ACC als gewünschte Beschleunigung ω̇_Soll eine korrigierte Beschleunigung ω̇_{Soll_korr} berücksichtigt wird: $${\dot{\omega }}_{Soll\_korr}={\dot{\omega }}_{Soll}+\Delta \dot{\omega }.$$

  

  ω̇_Soll entspricht dabei einem Wunschgradienten der Drehzahltrajektorie, die in vorbestimmten Grenzen gewählt werden kann. Zudem kann der Wunschgradient durch eine Korrektur mit Δω̇ korrigiert werden, die sich abhängig von der Ladedruckabweichung ergibt. Somit wird der Soll-Drehzahlgradient ω̇_Soll abhängig von Ladedruckabweichungen $\Delta p_{DS}^c$

  

  angepasst.
• Diese Korrektur wirkt sich direkt auf den Vorsteuerwert, nämlich die effektive Soll-Querschnittsfläche A_{eff_soll} aus. Da die Korrekturgröße Δω̇. in geeigneter Weise abhängig von der Ladedruckabweichung gewählt wird, ergibt sich damit ein zusätzlicher Regelkreis. Um einer durch die Korrekturgröße Δω̇ hervorgerufenen künstlichen Flächenabweichung entgegenzuwirken, wird dieselbe Korrekturgröße Δω̇ zusätzlich bei der Berechnung des Aufladungsmodells für den Ist-Ladedruck berücksichtigt. $${\dot{\omega }}_{Ist\_korr}={\dot{\omega }}_{Ist}+\Delta \dot{\omega }.$$

  

  ω̇_Ist entspricht dabei einem Drehzahlgradienten ${\dot{\omega }}_{Ist}=\frac{d{\omega }_{Ist}}{dt}$

  
• Durch die Korrekturgröße Δω̇ kann die Ladedruckabweichung $\Delta p_{DS}^c$

  

  abgebildet werden. Dies kann durch Vorgabe eines funktionalen Zusammenhangs erfolgen, der einen strengen monotonen, z.B. linearen Zusammenhang zwischen der Korrekturgröße und der Ladedruckabweichung definiert. Außerdem muss bei einer Ladedruckabweichung $\Delta p_{DS}^c$

  

  von null die Korrekturgröße Δω̇ ebenfalls null sein.
• Das Drehzahlmodell der Gleichung 1 kann dazu benutzt werden, um aus der Ladedruckabweichung eine Drehzahlabweichung Δω = ω_Soll - ω_Ist zu bestimmen. Berechnet man nun die Korrekturgrößer als $\Delta \dot{\omega }=\frac{\Delta \omega }{\tau \omega }$

  

  mit einer geeignet gewählten Zeitkonstanten τ_ω, ist diese von der Ladedruckabweichung abhängig und die o.a. Bedingung erfüllt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102009055236 A1 [0004]
• DE 102006032836 A1 [0005]
• DE 19812691 A1 [0006]

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor (2), wobei das Motorsystem (1) eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung (6) mit einer Turbine (61), einen mit der Turbine (61) rotatorisch gekoppelten Verdichter (62) und einem variabel einstellbaren Ladersteller (64) aufweist, wobei die variable Einstellung des Laderstellers (64) durch seine Drosselwirkung im Abgasstrom des Verbrennungsmotors (2) durch eine effektive Querschnittsfläche $\left(A_{eff}^T\right)$

   

   der Turbine (61) beschreibbar ist, mit folgenden Schritten: - Durchführen einer Ladedruckregelung basierend auf einer Flächenabweichung zwischen einer effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_soll}) und einer effektiven Ist-Querschnittsfläche (A_{eff_ist}), die sich aus einem vorgegebenen Soll-Ladedruck $\left(p_{DS\_Soll}^c\right)$

   

   bzw. einem Ist-Ladedruck $\left(p_{DS\_Ist}^c\right)$

   

   in einem Ladedruckabschnitt des aufgeladenen Verbrennungsmotors (2) gemäß einem vorgegebenen Aufladungsmodell ergeben, wobei das Aufladungsmodell ein Beschleunigungsverhalten der rotatorischen Kopplung zwischen Verdichter (62) und Turbine (61) berücksichtigt; - Anpassen der effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) abhängig von einer angepassten Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_{Soll_korr}) durch Berücksichtigung beim Beschleunigungsverhalten im Aufladungsmodell, wobei eine Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_Solll) abhängig von einer Ladedruckabweichung $\left(\Delta p_{DS}^c\right)$

   

   angepasst wird, die einen Unterschied zwischen dem vorgegebenen Soll-Ladedruck $\left(p_{DS\_Soll}^c\right)$

   

   und dem Ist-Ladedruck $\left(p_{DS\_Ist}^c\right)$

   

   angibt, um die angepasste Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_{Soll_korr}) zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die effektive Ist-Querschnittsfläche (A_{eff_Ist}) abhängig von einer angepassten Ist-Beschleunigungsangabe (ω̇_Ist) durch Berücksichtigung beim Beschleunigungsverhalten im Aufladungsmodell angepasst wird, wobei die angepasste Ist-Beschleunigungsangabe (ω̇_Ist) abhängig von der Ladedruckabweichung $\left(\Delta p_{DS}^c\right)$

   

   angepasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Anpassen der effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) und/oder der effektiven Ist-Querschnittsfläche (A_{eff_Ist}) durch additives oder multiplikatives Beaufschlagen mit einer Korrekturgröße durchgeführt wird, die sich aus der einer Drehzahlabweichung zwischen einer sich aus dem Aufladungsmodel für den Soll-Ladedruck $\left(p_{DS\_Soll}^c\right)$

   

   ergebenden Soll-Drehzahl und einer sich für den Ist-Ladedruck $\left(p_{DS\_Ist}^c\right)$

   

   ergebenden Ist-Drehzahl insbesondere unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Zeitkonstanten (τ_ω) ergibt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ladedruckregelung eine Vorsteuerung aufweist, die auf der angepassten effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) beruht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ladedruckregelung eine Regelung aufweist, um eine Regelungsgröße zur Beaufschlagung auf die Vorsteuerung bereitzustellen, wobei die Regelungsgröße abhängig von der angepassten effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) und abhängig von der angepassten effektiven Ist-Querschnittsfläche (A_{eff_Ist}) ermittelt wird, wobei die Regelungsgröße insbesondere abhängig von einem Vorzeichen eines Unterschieds zwischen der angepassten effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) und der angepassten effektiven Ist-Querschnittsfläche (A_{eff_Ist}) inkrementiert oder dekrementiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Regelung als lineare Regelung, insbesondere als PI oder PID - Regelung, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Aufladungsmodell ein Verdichtermodell und ein Turbinenmodell berücksichtigt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Motorsystem abhängig von einer Stellgröße der Ladedruckregelung betrieben wird.
9. Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor (2), wobei das Motorsystem (1) eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung (6) mit einer Turbine (61), einen mit der Turbine (61) rotatorisch gekoppelten Verdichter (62) und einem variabel einstellbaren Ladersteller (64) aufweist, wobei die variable Einstellung des Laderstellers (64) durch seine Drosselwirkung im Abgasstrom des Verbrennungsmotors (2) durch eine effektive Querschnittsfläche $\left(A_{eff}^T\right)$

   

   der Turbine (61) beschreibbar ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: - eine Ladedruckregelung basierend auf einer Flächenabweichung zwischen einer effektiven Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_soll}) und einer effektiven Ist-Querschnittsfläche (A_{eff_Ist}) durchzuführen, die sich aus einem vorgegebenen Soll-Ladedruck $\left(p_{DS\_Soll}^c\right)$

   

   bzw. einem Ist-Ladedruck $\left(p_{DS\_Ist}^c\right)$

   

   in einem Ladedruckabschnitt des aufgeladenen Verbrennungsmotors (2) gemäß einem vorgegebenen Aufladungsmodell ergeben, wobei das Aufladungsmodell ein Beschleunigungsverhalten der rotatorischen Kopplung zwischen Verdichter (62) und Turbine (61) berücksichtigt; - die effektive Soll-Querschnittsfläche (A_{eff_Soll}) abhängig von einer angepassten Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_{Soll_korr}) durch Berücksichtigung beim Beschleunigungsverhalten im Aufladungsmodell anzupassen, wobei eine Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_Solll) abhängig von einer Ladedruckabweichung $\left(\Delta p_{DS}^c\right)$

   

   angepasst wird, die einen Unterschied zwischen dem vorgegebenen Soll-Ladedruck $\left(p_{DS\_Soll}^c\right)$

   

   und dem Ist-Ladedruck $\left(p_{DS\_Ist}^c\right)$

   

   angibt, um die angepasste Soll-Beschleunigungsvorgabe (ω̇_{Soll_korr}) zu erhalten.
10. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch10 gespeichert ist.

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