DE102017214230A1

DE102017214230A1 - Verfahren und vorrichtung für die modellbasierte steuerung des elektrischen verstärkersystems

Info

Publication number: DE102017214230A1
Application number: DE102017214230.8A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Lei Hao; Gianmarco Brunetti
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-02-22
Also published as: US20180051638A1; CN107762643A; US10054069B2

Abstract

Ein zweistufiges Luftladesystem für einen Verbrennungsmotor weist ein erstes Luftladesystem auf, bei dem es sich um ein elektrisches Luftladesystem oder ein Luftladesystem mit Turbolader handelt. Das zweistufige Luftladesystem beinhaltet zudem ein zweites Luftladesystem, bei dem es sich um das andere des elektrischen Luftladesystems oder des Luftladesystems mit Turbolader handelt und das sich zwischen dem ersten Luftladesystem und einem Luftansaugkrümmer des Verbrennungsmotors befindet. Eine Vielzahl von Sensoren liefert Informationen zum Betrieb des zweistufigen Luftladesystems, darunter zu den Einlassbedingungen eines Kompressors des zweiten Luftladesystems. Ein Steuermodul ist so konfiguriert, dass es eine Vielzahl von Eingaben empfängt (einschließlich der Informationen zum Betrieb des zweistufigen Luftladesystems), und ist ferner so eingerichtet, dass es in Reaktion auf die Eingaben einen Systemsteuerbefehl für das zweistufige Luftladesystem bereitstellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf die Steuerung von Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Aus diesem Grund sollen die besagten Angaben keine Berechtigung als Stand der Technik darstellen.
Die Motorsteuerung beinhaltet die Regelung von Parametern beim Betrieb eines Motors auf Grundlage einer gewünschten Motorenleistung, einschließlich einer Motordrehzahl sowie einer Motorlast und des sich daraus ergebenden Betriebs, beispielsweise einschließlich von Motoremissionen. Zu den von Motorsteuerverfahren gesteuerten Parametern gehören der Luftstrom, der Kraftstoffstrom sowie Einstellungen für das Einlass- und Auslassventil.
Einem Motor kann Ladeluft bereitgestellt werden, damit der Luftstrom zum Motor in Bezug auf ein freisaugendes Einlasssystem verbessert und so die Leistung des Motors erhöht wird. Ein Turbolader nutzt Druck in einem Abgassystem des Motors, um einen Kompressor anzutreiben, der dem Motor Ladeluft bereitstellt. Beispielhafte Turbolader können Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) beinhalten, um für bestimmte Bedingungen im Abgassystem Ladeluft zu modulieren. Ein Turbolader nutzt mechanische Kraft des Motors (beispielsweise mit einem Zusatzriemen), um einen Kompressor anzutreiben und dem Motor Ladeluft bereitzustellen. Motorsteuerverfahren regeln Ladeluft, um die daraus resultierende Verbrennung im Motor und dabei entstehende Leistung des Motors zu steuern.
Beispielhafte Motoren können eine zweistufige Aufladung nutzen, worin ein zweiter Turbolader genutzt wird, um den Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Beim zweiten Turbolader kann es sich um einen elektrischen Turbolader handeln. Verfahren zur Steuerung eines Motors mit zweistufiger Aufladung unterscheiden sich von den Steuerverfahren eines Motors mit einstufiger Aufladung. Die Steuerung lässt sich durch eine spezielle modellbasierte Steuerung des elektrischen Ladesystems erreichen, wobei mindestens ein Steuerungsmodell mit Leistungsverzweigung und/oder Leistungsbilanz zum Einsatz kommt.
KURZDARSTELLUNG
Ein zweistufiges Luftladesystem für einen Verbrennungsmotor weist ein erstes Luftladesystem auf, bei dem es sich um ein elektrisches Luftladesystem oder ein Luftladesystem mit Turbolader handelt. Das zweistufige Luftladesystem beinhaltet zudem ein zweites Luftladesystem, bei dem es sich um das andere des elektrischen Luftladesystems oder des Luftladesystems mit Turbolader handelt und das sich zwischen dem ersten Luftladesystem und einem Luftansaugkrümmer des Verbrennungsmotors befindet. Eine Vielzahl von Sensoren liefert Informationen zum Betrieb des zweistufigen Luftladesystems, darunter zu den Einlassbedingungen eines Kompressors des zweiten Luftladesystems. Ein Steuermodul ist so konfiguriert, dass es eine Vielzahl von Eingaben empfängt (einschließlich der Informationen zum Betrieb des zweistufigen Luftladesystems), und ist ferner so eingerichtet, dass es in Reaktion auf die Eingaben einen Systemsteuerbefehl für das zweistufige Luftladesystem bereitstellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch einen exemplarischen Verbrennungsmotor, ein Steuermodul und ein Abgasnachbehandlungssystem veranschaulicht;
2 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische Hybridfahrzeuganordnung veranschaulicht, die einen Motor, eine elektrische Drehmomentmaschine und einen Kompressor beinhaltet;
3A gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische Architektur für einen Dieselmotor mit einem zweistufigen Ladesystem inklusive Turbolader und elektrischer Ladung veranschaulicht;
3B gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische Architektur für einen Dieselmotor mit einem zweistufigen Ladesystem inklusive konventioneller und elektrischer Ladung veranschaulicht;
4A gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische Architektur für einen Benzinmotor mit einem zweistufigen Ladesystem inklusive konventioneller und elektrischer Ladung veranschaulicht;
4B gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische Architektur für einen Benzinmotor mit einem zweistufigen Ladesystem inklusive konventioneller und elektrischer Ladung veranschaulicht;
5A gemäß der vorliegenden Offenbarung eine exemplarische Leistungsverzweigung eines zweistufigen Ladesystems mit konventioneller und elektrischer Ladung darstellt;
5B gemäß der vorliegenden Offenbarung eine exemplarische Leistungsverzweigung eines zweistufigen Ladesystems mit konventioneller und elektrischer Ladung darstellt, worin die elektrische Ladung die Verzögerung beim konventionellen Laden kompensiert;
6 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Modus mit Vorwärtssteuerung des Drehmoments darstellt;
7 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Modus zur Drehmomentsteuerung mit globaler Linearisierung darstellt;
8 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Modus zur Vorwärtssteuerung der Geschwindigkeit darstellt;
9 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Modus zur Geschwindigkeitssteuerung mit globaler Linearisierung darstellt;
10 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch eine exemplarische zweistufige Ladesteuerung mit virtuellen Interstate-Sensoren darstellt; und
11 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch ein exemplarisches Verfahren zur Steuerung eines exemplarischen zweistufigen Ladesystems darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin die Darstellungen nur dazu dienen, bestimmte exemplarische Ausführungsformen zu veranschaulichen, und nicht dazu dienen, diese zu begrenzen, zeigt 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch einen exemplarischen Verbrennungsmotor 10, ein Steuermodul 5 und ein Abgasnachbehandlungssystem 65. Der exemplarische Motor beinhaltet einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung und Selbstzünder, der über Hubkolben 22 verfügt, welche an einer Kurbelwelle 24 befestigt sind und sich in Zylindern 20, die Brennkammern mit variablem Volumen 34 definieren, bewegen können. Die Kurbelwelle 24 ist bedienbar an einem Fahrzeuggetriebe und Antriebssystem befestigt, um dort in Reaktion auf eine Drehmomentanforderung T_{O_REQ} eines Bedieners ein Traktionsdrehmoment bereitzustellen. Der Motor wird vorzugsweise im Viertaktbetrieb genutzt, worin jeder Verbrennungszyklus des Motors eine Winkeldrehung der Kurbelwelle 24 um 720 Grad beinhaltet – verteilt auf vier 180-Grad-Stufen (Einlass-Verdichtung-Expansion-Auslass), die das Hin- und Herbewegen des Kolbens 22 im Motorzylinder 20 beschreiben. Ein Zielrad in Vielzahnausführung 26 ist an der Kurbelwelle befestigt und dreht sich mit dieser. Der Motor beinhaltet Sensoren zur Überwachung des Motorbetriebs sowie Aktuatoren zur Steuerung des Motorbetriebs. Die Sensoren und Aktuatoren sind signaltechnisch oder operativ mit Steuermodul 5 verbunden.
Der Motor ist vorzugsweise ein Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der eine Brennkammer mit variablem Volumen beinhaltet, die vom sich im Zylinder zwischen dem oberen und unteren Totpunkt hin- und herbewegenden Kolben sowie einem Zylinderkopf, welcher ein Einlassventil und ein Auslassventil beinhaltet, definiert wird. Der Kolben führt in sich wiederholenden Zyklen jeden Zyklus eine Hubbewegung aus, einschließlich Einlass-, Verdichtungs-, Expansions- und Auslasstakten.
Der Motor weist vorzugsweise einen Betriebszustand mit Luft/Kraftstoff auf, der im Wesentlichen überstöchiometrisch ist. Einem Fachmann auf dem Gebiet ist bekannt, dass Aspekte der Offenbarung auf andere Motorkonfigurationen anwendbar sind, die entweder stöchiometrisch oder im Wesentlichen überstöchiometrisch betrieben werden, beispielsweise mager betriebene Fremdzündungsmotoren oder konventionelle Benzinmotoren. Im Normalbetrieb des Selbstzündermotors tritt in jedem Motorzyklus ein Verbrennungsereignis auf, wenn eine Treibstoffladung in die Brennkammer gespritzt wird, um gemeinsam mit der Einlassluft und dem rückgeführten Abgas die Zylinderfüllung zu bilden. Die Füllung wird anschließend durch die Wirkung der Verdichtung der Füllung im Verdichtungstakt verbrannt.
Der Motor lässt sich über einen weiten Temperaturbereich sowie verschiedene Zylinderfüllungen (Luft, Kraftstoff und AGR) und Einspritzvorgänge hinweg betreiben. Die hierin offenbarten Verfahren sind insbesondere zur Verwendung mit direkteinspritzenden Selbstzündermotoren geeignet, die überstöchiometrisch betrieben werden, um Parameter zu ermitteln, die in den einzelnen Brennkammern bei laufendem Betrieb mit der Wärmefreisetzung korrelieren. Die Verfahren sind ferner auch auf andere Motorkonfigurationen und deren Subsysteme, einschließlich Fremdzündungsmotoren, anwendbar, einschließlich Motoren, die für HCCI-Methoden geeignet sind (Zündung mit homogenem Gemisch). Die Verfahren sind auf Systeme anwendbar, bei denen Kraftstoffeinspritzungsereignisse mit Mehrfach-Impuls pro Zylinder und Motorzyklus zum Einsatz kommen, z. B. auf ein System mit einer Voreinspritzung zur Kraftstoffreformierung, einem Haupteinspritzungsereignis für Motorleistung und ggf. ein Kraftstoffeinspritzungsereignis mit Nachverbrennung zum Nachbehandlungsmanagement, wobei jedes Ereignis den Zylinderdruck beeinflusst.
Am oder nahe des Motors werden Sensoren installiert, um physikalische Eigenschaften zu überwachen und Signale zu erzeugen, die sich mit Motor- und Umgebungsparametern korrelieren lassen. Die Sensoren beinhalten einen Sensor für Kurbelwellendrehungen, einschließlich eines Kurbelwellensensors 44 zur Überwachung der Drehzahl der Kurbelwelle (d. h. des Motors) (in U/min.) durch Abtasten der Zahnränder des Zielrads in Vielzahnausführung 26. Der Kurbelwellensensor ist bekannt und kann z. B. einen Hall-Sensor, einen induktiven Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor beinhalten. Das Signal des Kurbelwellensensors 44 dient als Eingabe für das Steuermodul 5. Ein Verbrennungsdrucksensor 30 wurde so konzipiert, dass er den Zylinderinnendruck überwacht (COMB_PR). Der Verbrennungsdrucksensor 30 ist vorzugsweise nicht intrusiv und beinhaltet einen Kraftaufnehmer mit einem ringförmigen Querschnitt, der so konfiguriert ist, dass er sich im Zylinderkopf an einer Öffnung für eine Glühkerze 28 montieren lässt. Der Verbrennungsdrucksensor 30 wird in Verbindung mit der Glühkerze 28 installiert, sodass der Verbrennungsdruck über die Glühkerze mechanisch an den Drucksensor 30 übertragen wird. Das Ausgangssignal (COMB_PR) des Drucksensors 30 ist proportional zum Zylinderdruck. Der Drucksensor 30 beinhaltet eine piezokeramische oder andere Vorrichtung, die als solche anpassbar ist. Andere Sensoren beinhalten vorzugsweise einen Ladedrucksensor zur Überwachung des Krümmerabsolutdrucks (MAP) und des barometrischen Drucks (BARO), einen Luftmassensensor zur Überwachung der Luftmasse am Einlass (MAF) und der Ansauglufttemperatur (T_IN) sowie einen Kühlmittelsensor 35 zur Überwachung der Motorkühlmitteltemperatur (COOLANT). Das System kann einen Abgassensor zur Überwachung der Zustände von einem oder mehreren Abgasparametern beinhalten (z. B. für Temperatur, Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Bestandteile). Ein Fachmann auf dem Gebiet versteht, dass es für die Steuerung und Diagnose andere Sensoren und Verfahren geben kann. Die Bedienereingabe, die die Form einer Drehmomentanforderung des Bedieners (T_{O_REQ}) aufweist, wird üblicherweise neben anderen Vorrichtungen über ein Gaspedal und Bremspedal vorgenommen. Der Motor ist vorzugsweise mit anderen Sensoren zur Überwachung des Betriebs und zur Systemsteuerung ausgestattet. Jeder der Sensoren ist signaltechnisch mit dem Steuermodul 5 verbunden, um Signaldaten bereitzustellen, die durch das Steuermodul in Informationen verwandelt werden, welche dem jeweiligen überwachten Parameter entsprechen. Es versteht sich, dass diese Ausführungsform illustrativen Charakter hat und nicht einschränkend zu betrachten ist, einschließlich der verschiedenen Sensoren, die durch funktional äquivalente Vorrichtungen und Verfahren ersetzbar sind.
Die Aktuatoren werden am Motor montiert und durch das Steuermodul 5 in Reaktion auf Bedienereingaben zum Erreichen verschiedener Leistungsziele gesteuert. Aktuatoren beinhalten ein elektronisch gesteuertes Drosselventil, das das Öffnen der Drossel in Reaktion auf ein Steuersignal (ETC) regelt, und eine Vielzahl von Einspritzdüsen 12 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die einzelnen Brennkammern in Reaktion auf ein Steuersignal (INJ_PW); alle Steuerungen erfolgen dabei in Reaktion auf die Drehmomentanforderung des Bedieners (T_{O_REQ}). Eine Abgasrückführungsventil 32 und ein Kühler steuern den Strom des extern rückgeführten Abgases zum Einlass des Motors in Reaktion auf ein Steuersignal (AGR) aus dem Steuermodul. In jeder der Brennkammern ist eine Glühkerze 28 installiert und auf die Verwendung mit dem Verbrennungsdrucksensor 30 abgestimmt. Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen ein Ladesystem eingesetzt werden, das anhand eines gewünschten Luftdrucks am Krümmer Ladeluft zuführt.
Einspritzdüse 12 ist eine Hochdruckeinspritzdüse, die so konfiguriert ist, dass sie in Reaktion auf das Befehlssignal INJ_PW aus dem Steuermodul eine Treibstoffladung direkt in eine der Brennkammern spritzt. Jede der Einspritzdüsen 12 erhält aus einem Kraftstoffverteilungssystem verdichteten Kraftstoff und weist Betriebseigenschaften auf, zu denen eine minimale Pulsweite und eine zugehörige minimale steuerbare Kraftstofffließrate sowie eine maximale Kraftstofffließrate gehören.
Der Motor kann mit einem steuerbaren Ventiltrieb ausgestattet sein, mit dem sich Öffnungen und Schließungen der Einlass- und Auslassventile der einzelnen Zylinder anpassen lassen, einschließlich der Ventilzeitsteuerung, Verstellung (d. h. der Zeitpunkt in Relation zum Kurbelwinkel und zur Kolbenposition) und/oder Größe des Hubs der Ventilöffnungen. Ein exemplarisches System beinhaltet verschiedene Nockenverstellungen, die für Selbstzündermotoren, Fremdzündungsmotoren und HCCI-Motoren geeignet sind.
Das Steuermodul 5 führt darin gespeicherte Routinen zur Steuerung der zuvor genannten Aktuatoren aus, um den Motorbetrieb zu steuern, einschließlich Drosselklappenstellung, Masse und Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, Ventilstellung zur Steuerung der Abgasrückführung (AGR), Betrieb der Glühkerzen und Steuerung von Zeitpunkt, Verstellung und Hub von Einlass- und/oder Auslassventilen in auf diese Weise ausgerüsteten Systemen. Das Steuermodul ist so konfiguriert, dass es Eingabesignale des Bedieners empfängt (z. B. eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung), um die Drehmomentanforderung (T_{O_REQ}) zu bestimmen, und Eingabesignale der Sensoren empfängt, die Informationen über die Motordrehzahl (U/min.) sowie die Einlasslufttemperatur (Tin), die Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen liefern.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine beliebige Kombination oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektrischen Schaltungen, Zentraleinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) sowie dazugehörigem Arbeitsspeicher und Datenspeicher (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplatten usw.), die ein oder mehrere Software- bzw. Firmwareprogramme, kombinatorische Logikschaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen, entsprechende Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen sowie andere geeignete Komponenten ausführen, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, einschließlich residenter Softwareprogrammanweisungen und Kalibrierungen, die im Arbeitsspeicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Routinen werden vorzugsweise in voreingestellten Schleifenzyklen ausgeführt. Routinen werden zum Beispiel durch eine zentrale Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, die Eingaben von Sensoren und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu regeln. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Abständen (z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden) im laufenden Motor- und Fahrzeugbetrieb ausgeführt werden. Alternativ dazu können die Routinen in Reaktion auf ein auftretendes Ereignis ausgeführt werden.
1 zeigt einen exemplarischen Dieselmotor, die vorliegende Offenbarung kann jedoch für andere Motorkonfigurationen verwendet werden, beispielsweise für benzinbetriebene Motoren, mit Ethanol oder E85 betriebene Motoren bzw. ähnliche bekannte Konstruktionen. Die Offenbarung ist nicht auf die speziellen, hierin offenbarten exemplarischen Ausführungsformen beschränkt.
2 bildet schematisch eine exemplarische Hybridfahrzeugkonfiguration für ein Fahrzeug mit elektrischem Lade- oder Boostvorgang ab. Die exemplarische Hybridfahrzeugkonfiguration beinhaltet einen Motor 200 und eine elektrische Drehmomentmaschine 210. Bei der elektrischen Drehmomentmaschine kann es sich um eine Motorgeneratoreinheit (MGU) handeln. Die MGU kann als Motor genutzt werden, um bei der Beschleunigung des Fahrzeugs zu helfen. Die MGU kann auch als Generator betrieben werden. Beim Betrieb als Generator kann die MGU im Bremsvorgang Energie zurückgewinnen. Kupplungen 230 können den Motor 200 vom Getriebe 220 lösen, sodass das Fahrzeug weiterfahren kann, ohne dass der Motor gezündet wird; auf diese Weise lässt sich Kraftstoff sparen. Die MGU ist mit einem Wechselrichter 212 verbunden, der mit Batterie 214 verbunden ist. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Batterie 214 eine 48-Volt-Batterie sein. Die MGU kann aus Batterie 214 über Wechselrichter 212 Strom beziehen, wenn sie als Motor verwendet wird, oder alternativ bei Verwendung als Generator Strom über Wechselrichter 212 an Batterie 214 liefern. In der exemplarischen Ausführungsform befindet sich die MGU in Position 244 zwischen Kupplungen 230. Alternativ kann sich die MGU in Position 240 als riemenbetriebener Generatorstarter bzw. in Position 242 zwischen einem Motorschwungrad und dem Getriebe 220 befinden. Die Hybridfahrzeugkonfiguration beinhaltet ferner einen zweiten Motor 216, der Strom aus Batterie 214 bezieht. Alternativ kann der zweite Motor 216 Strom aus einer Quelle beziehen, die nicht dafür konfiguriert ist, die MGU mit Strom zu versorgen, und eine beliebige Spannung aufweist. Die elektrische Ladung wird vom elektrischen Kompressor 218 erzeugt, der vom zweiten Motor 216 angetrieben wird.
3A stellt schematisch eine exemplarische Architektur für einen Dieselmotor mit zweistufigem Ladesystem inkl. konventioneller und elektrischer Ladung dar. In dieser 3A ist eine Lufteinlassleitung 302 sichtbar, durch die Umgebungsluft auf ihrem Weg zu einem oder mehreren Motorzylindern strömt. Außerdem gibt es eine Abgasleitung 326, durch die im Normalbetrieb Abgase des Verbrennungsmotors 322 ausgestoßen werden. In dieser Ausführungsform wird ein erster Kompressor 308 bereitgestellt, der die Einlassluft verdichtet, um dessen Dichte zu erhöhen und so die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu steigern. Der erste Kompressor ist als elektrischer Ladekompressor dargestellt, der Strom aus Batterie 310 bezieht.
Ein zweiter Kompressor 314 befindet sich hinter dem ersten Kompressor 308, der dazu dient, die zugeführte Luft weiter zu verdichten, um die Dichte zu erhöhen und die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu steigern. Der zweite Kompressor 314 wird als Teil eines konventionellen Ladesystems 316 dargestellt und kann durch eine erste Turbine 324, bei der es sich um eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) handeln kann, welche sich in der Abgasleitung befindet, wellenbetrieben werden, wie Fachleuten für Turboladen bekannt sein dürfte. Es kann ein VGT-Geometrie-Sensor vorhanden sein, der sich in effektivem Messkontakt mit der ersten Turbine 324 befindet, wenn es sich dabei um eine Turbine mit variabler Geometrie handelt, um Echtzeitinformation über die Geometrie der VGT bereitzustellen. Ein Ladeluftkühler 318 kann sich hinter dem zweiten Kompressor 314 des konventionellen Ladesystems 316 befinden, um die Druckluft vor dem Eintreten in einen Lufteinlass des Motors zu kühlen. Der Ladeluftkühler 318 wird vorzugsweise auf der Hochdruckseite des zweiten Kompressors 314 (so vorhanden) montiert, um auf einen Teil der Wärme, die durch die Verdichtung der Einlassluft entsteht, abzuleiten. Ferner gibt es ein Bypass-Ventil 306, das so positioniert ist, dass Einlassluft den ersten Kompressor 308 umgehen kann, und über einen Stellungssensor in effektiver Nähe verfügt, der die Position des Bypass-Ventils 306 messen kann. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Abgasrückführung (AGR) durch ein selektiv aktivierbares Ventil betätigt werden, das sich in einer Leitung befindet, die zwischen der Lufteinlassleitung 302 und der Abgasleitung 326 angeordnet ist. Solche Ausführungsformen können einen Kühler zur Verringerung der Temperatur der rückgeführten Abgase vor dem Vermischen mit der durch die Lufteinlassleitung 302 zugeführten Luft sowie einen Stellungssensor für das AGR-Ventil beinhalten. In bevorzugten Ausführungsformen befindet sich zwischen einem Abgaskrümmer des Motors und dem Punkt der Abgasleitung 326, an dem Abgase an die Umgebung abgegeben werden, ein Abgasnachbehandlungssystem. In einigen Ausführungsformen ist ein Δp-Sensor vorhanden, der Informationen über die Druckdifferenz der Abgase vor und hinter dem Abgasnachbehandlungssystem liefert. In einer Ausführungsform beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem Oxidations- und Reduktionskatalysatoren sowie einen Partikelfilter.
Der Betrieb des Motors 322, der sich zwischen dem zweiten Kompressor 314 und der Turbine 324 befindet, lässt sich vorteilhaft steuern, wenn an den dargestellten allgemeinen Stellen entlang der Lufteinlassleitung 302 Sensoren 304, 312 und 320 angebracht werden (siehe 3A). Geeignete Sensoren 312 und 320 beinhalten z. B. Sensoren, wie Lufteinlassdruck- und Temperatursensoren, die zum Messen der Temperatur des Ansaugkrümmers und des Drucks am Einlass des zweiten Kompressors 314 sowie hinter dem zweiten Kompressor 314 vor Eintritt in einen Luftansaugkrümmer des Motors dienen. Geeignete Sensoren 304 beinhalten z. B. Sensoren, wie Sensoren zur Messung des Massenluftstroms, der Temperatur der Umgebungsluft sowie des Drucks der Umgebungsluft. Sensoren 304 können außerdem Sensoren zur Messung der Motordrehzahl beinhalten, damit sich die Geschwindigkeit des ersten Kompressors 308 ermitteln lässt. In bevorzugten Ausführungsformen stellen die verschiedenen Sensoren Eingaben für mindestens ein Steuermodul bereit, das operativ mit verschiedenen Vorrichtungen zur Steuerung des Verbrennungs- und Motorbetriebs verbunden ist, darunter z. B. zur Steuerung des Ladedrucks des Kompressors, der Abgasrückführung, des Abgasdrucks, des Seitenverhältnisses eines Turboladers (so vorhanden) und in einigen Fällen der Ventilzeit.
In einem Betriebsmodus eines Verbrennungsmotors liefern die verschiedenen Sensoren 304, 312 und 320 Ausgaben, die als Eingaben für mindestens ein Steuermodul dienen. So wird eine Steuerung des Betriebs und der Position des Bypass-Ventils 306 sowie des effektiven Seitenverhältnisses von Turbine 324 möglich. Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein modellbasierter Ansatz genutzt, um den Ladedruck des ersten Kompressors 308 und des zweiten Kompressors 314 durch Modulation der Position des Bypass-Ventils 306 und der Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie 324 sowie durch Steuerung des Motors, der den elektrisch betriebenen ersten Kompressor 308 antreibt, effektiv zu steuern. Diese modellbasierte Steuerung für eine zweistufige Ladearchitektur einschließlich konventionellen und elektrischen Ladens (wie die in 3A dargestellte Architektur) ermöglicht bei Motoren mit zwei, drei oder vier Zylindern eine deutliche Verkleinerung des Motors. Die modellbasierte Steuerung erlaubt ferner eine schnelle Erhöhung des Drehmoments ohne Turboloch und kann ggf. den CO₂-Ausstoß reduzieren. Eine modellbasierte Steuerung des elektrischen Laders, einschließlich des ersten Kompressors 308, verringert die Notwendigkeit von Fahrzeugkalibrierungen.
3B stellt schematisch eine exemplarische Architektur für einen Dieselmotor mit einem zweistufigen Ladesystem inkl. konventioneller und elektrischer Ladung dar. In dieser 3B ist eine Lufteinlassleitung 332 sichtbar, durch die Umgebungsluft auf ihrem Weg zu einem oder mehreren Zylindern von Verbrennungsmotor 352 strömt. Außerdem gibt es eine Abgasleitung 356, durch die im Normalbetrieb Abgase aus dem Verbrennungsmotor 352 ausgestoßen werden.
In dieser Ausführungsform wird ein erster Kompressor 336 bereitgestellt, der die Ansaugluft verdichtet, um ihre Dichte und so die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Der erste Kompressor 336 wird als Teil eines konventionellen Ladesystems 338 dargestellt und kann durch eine erste Turbine 354, bei der es sich um eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) handeln kann, die sich in der Abgasleitung befindet, wellenbetrieben werden, wie Fachleuten der Turboladung bekannt sein dürfte. Es kann einen VGT-Geometrie-Sensor geben, der sich in effektivem Messkontakt mit der ersten Turbine 354 befindet, wenn es sich dabei um eine Turbine mit variabler Geometrie handelt, um Echtzeitinformationen über die Geometrie der VGT zu liefern. Ein zweiter Kompressor 344 befindet sich hinter dem ersten Kompressor 336, der die zugeführte Luft weiter verdichtet, um die Dichte und somit die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Der zweite Kompressor 344 wird als elektrischer Ladekompressor dargestellt, der Strom aus Batterie 346 bezieht.
Hinter dem elektrischen Ladesystem kann sich ein Ladeluftkühler 348 inkl. eines zweiten Kompressors 344 befinden, der die Druckluft vor dem Erreichen eines Lufteinlasses am Motor kühlt. Der Ladeluftkühler 348 wird vorzugsweise auf der Hochdruckseite des zweiten Kompressors 344 (so vorhanden) platziert, um einen Teil der Wärme, die durch die Verdichtung der Einlassluft entsteht, abzuleiten. Ferner gibt es ein Bypass-Ventil 342, das es erlaubt, dass Einlassluft den zweiten Kompressor 344 umgeht, und das über einen Stellungssensor in effektiver Nähe verfügt, der die Position des Bypass-Ventils 342 messen kann. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Abgasrückführung (AGR) durch ein selektiv aktivierbares Ventil betätigt werden, das sich in einer Leitung befindet, die zwischen der Lufteinlassleitung 332 und der Abgasleitung 356 angeordnet ist. Solche Ausführungsformen können einen Kühler zur Verringerung der Temperatur der rückgeführten Abgase vor dem Vermischen mit Luft, die durch die Lufteinlassleitung 332 zugeführt wird, sowie einen Stellungssensor für das AGR-Ventil beinhalten. In bevorzugten Ausführungsformen gibt es zwischen einem Abgaskrümmer des Motors und dem Punkt der Abgasleitung 356, an dem Abgase an die Umgebung abgegeben werden, ein Abgasnachbehandlungssystem. In einigen Ausführungsformen ist ein Δp-Sensor vorhanden, der Informationen über die Druckdifferenz der Abgase vor und hinter dem Abgasnachbehandlungssystem liefert. In einer Ausführungsform beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem Oxidations- und Reduktionskatalysatoren sowie einen Partikelfilter.
Der Betrieb eines Motors, der sich zwischen dem zweiten Kompressor 344 und der Turbine 354 befindet, lässt sich vorteilhaft steuern, wenn an den dargestellten allgemeinen Punkten entlang der Lufteinlassleitung 332 Sensoren 334, 340 und 350 angebracht werden. Geeignete Sensoren 340 und 350 beinhalten z. B. Sensoren, wie Einlassdruck- und Temperatursensoren, die zum Messen der Temperatur des Ansaugkrümmers und des Drucks am Einlass des zweiten Kompressors 344 sowie am Einlass zu einem Luftansaugkrümmer des Motors hinter dem zweiten Kompressor 344 dienen. Sensoren 340 können außerdem Sensoren zur Messung der Motordrehzahl beinhalten, um die Drehzahl des ersten Motors zu ermitteln, welcher den elektrisch angetriebenen zweiten Kompressor 344 antreibt. Geeignete Sensoren 334 beinhalten z. B. Sensoren, wie Sensoren zur Messung des Massenluftstroms sowie von Temperatur und Druck der Umgebungsluft. In bevorzugten Ausführungsformen stellen die verschiedenen Sensoren Eingaben für mindestens ein Steuermodul bereit, das operativ mit verschiedenen Vorrichtungen zur Steuerung des Verbrennungs- und Motorbetriebs verbunden ist, z. B. zur Steuerung des Ladedrucks des Kompressors, der Abgasrückführung, des Abgasdrucks, des Seitenverhältnisses eines Turboladers (so vorhanden) und in einigen Fällen der Ventilzeit.
In einem Betriebsmodus des Verbrennungsmotors stellen die verschiedenen Sensoren 334, 340 und 350 Ausgaben bereit, die als Eingaben für mindestens ein Steuermodul dienen. So wird eine Steuerung von Betrieb und Position des Bypass-Ventils 342 und des effektiven Seitenverhältnisses von Turbine 354 möglich. Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein modellbasierter Ansatz genutzt, um den Ladedruck des ersten Kompressors 336 und des zweiten Kompressors 344 durch Modulation der Stellung des Bypass-Ventils 342 und der Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie 354 sowie durch Steuerung des Motors, der den elektrisch angetriebenen zweiten Kompressor 344 antreibt, effektiv zu steuern. Diese modellbasierte Steuerung für eine zweistufige Ladearchitektur einschließlich konventioneller und elektrischer Ladung (z. B. die in 3B dargestellte Architektur) ermöglichen bei Motoren mit zwei, drei oder vier Zylindern eine deutliche Verkleinerung des Motors. Die modellbasierte Steuerung erlaubt ferner eine schnelle Erhöhung des Drehmoments ohne Turboloch und kann ggf. den CO₂-Ausstoß reduzieren. Eine modellbasierte Steuerung des elektrischen Laders, einschließlich des zweiten Kompressors 344, verringert den Bedarf nach Fahrzeugkalibrierungen.
4A stellt schematisch eine exemplarische Architektur für einen Benzinmotor mit zweistufigem Ladesystem inkl. konventioneller und elektrischer Ladung dar. In dieser 4A ist ein Einlasssystem inkl. einer Lufteinlassleitung 402 zu sehen, durch die Umgebungsluft auf ihrem Weg zu einem oder mehreren Zylindern von Verbrennungsmotor 422 strömt. Außerdem gibt es ein Abgassystem, das Abgasleitung 428 beinhaltet, durch die im Normalbetrieb Abgase aus dem Verbrennungsmotor 422 ausgestoßen werden. In dieser Ausführungsform wird ein erster Kompressor 408 bereitgestellt, der die zugeführte Luft verdichtet, um deren Dichte und somit die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Der erste Kompressor wird als elektrischer Ladekompressor dargestellt, der Strom vom elektrischen Antriebssystem 410 bezieht, welches ein elektrisches System beinhaltet, das eine Batterie oder andere bekannte Stromquellen beinhalten kann.
Hinter dem ersten Kompressor 408 wird ein zweiter Kompressor 414 bereitgestellt, der die zugeführte Luft weiter verdichtet, um deren Dichte und somit die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Der zweite Kompressor 414 wird als Teil eines konventionellen Ladesystems 416 dargestellt und kann durch eine erste Turbine 424, bei der es sich um eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) handeln kann, die sich in der Abgasleitung befindet, wellenbetrieben werden, wie Fachleuten der Turboladung bekannt sein dürfte. Es kann ein VGT-Geometrie-Sensor vorhanden sein, der sich in effektivem Messkontakt mit der ersten Turbine 424 befindet, falls es sich dabei um eine Turbine mit variabler Geometrie handelt, um Echtzeitinformationen über die Geometrie der VGT zu liefern. Ein Ladeluftkühler 418 kann hinter dem zweiten Kompressor 414 des konventionellen Ladesystems 416 platziert werden, um die Druckluft vor dem Erreichen eines Lufteinlasses am Motor zu kühlen. Der Ladeluftkühler 418 wird vorzugsweise auf der Hochdruckseite des zweiten Kompressors 414 (so vorhanden) platziert, um einen Teil der Wärme, die durch die Verdichtung der Einlassluft entsteht, abzuleiten. Ferner gibt es ein Bypass-Ventil 406, das so angebracht ist, dass zugeführte Luft den ersten Kompressor 408 umgehen kann, und das über einen Stellungssensor in effektiver Nähe verfügt, um die Position von Bypass-Ventil 406 messen zu können. Abgasklappenventil 426 ist so konfiguriert, dass Abgas von Turbine 424 weg geleitet wird. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Abgasrückführung (AGR) durch ein selektiv aktivierbares Ventil betätigt werden, das sich in einer Leitung befindet, die zwischen der Lufteinlassleitung 402 und der Abgasleitung 428 angeordnet ist. Solche Ausführungsformen können einen Kühler zur Verringerung der Temperatur der rückgeführten Abgase vor dem Vermischen mit Luft, die durch die Lufteinlassleitung 402 zugeführt wird, sowie einen Stellungssensor für das AGR-Ventil beinhalten. In bevorzugten Ausführungsformen gibt es zwischen einem Abgaskrümmer des Motors 422 und dem Punkt der Abgasleitung 428, an dem Abgase an die Umgebung abgegeben werden, zusätzlich ein Abgasnachbehandlungssystem. In einigen Ausführungsformen ist ein Δp-Sensor vorhanden, der Informationen über die Druckdifferenz der Abgase vor und hinter dem Abgasnachbehandlungssystem liefert. In einer Ausführungsform beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem Oxidations- und Reduktionskatalysatoren sowie einen Partikelfilter.
Der Betrieb von Motor 422 lässt sich vorteilhaft steuern, wenn an den dargestellten allgemeinen Punkten entlang der Lufteinlassleitung 402 Sensoren 404, 412 und 420 angebracht werden. Geeignete Sensoren 412 und 420 beinhalten z. B. Sensoren, wie Einlassdruck- und Temperatursensoren, die zum Messen der Temperatur des Ansaugkrümmers und des Drucks am Einlass des zweiten Kompressors 414 sowie am Luftansaugkrümmer von Motor 422 dienen. Geeignete Sensoren 404 beinhalten z. B. Sensoren, wie Sensoren zur Messung des Massenluftstroms sowie von Temperatur und Druck der Umgebungsluft. Sensoren 404 können außerdem Sensoren zur Messung der Motordrehzahl beinhalten, sodass sich die Geschwindigkeit des ersten Kompressors 408 ermitteln lässt. In bevorzugten Ausführungsformen stellen die verschiedenen Sensoren Eingaben für mindestens ein Steuermodul bereit, das operativ mit verschiedenen Vorrichtungen zur Steuerung des Verbrennungs- und Motorbetriebs verbunden ist, z. B. zur Steuerung des Ladedrucks des Kompressors, der Abgasrückführung, des Abgasdrucks, des Seitenverhältnisses eines Turboladers (so vorhanden) und in einigen Fällen der Ventilzeit.
In einem Betriebsmodus des Verbrennungsmotors 422 liefern die verschiedenen Sensoren 404, 412 und 420 Ausgaben, die als Eingaben für mindestens ein Steuermodul dienen. So wird eine Steuerung von Betrieb und Position des Bypass-Ventils 406 sowie des effektiven Seitenverhältnisses von Turbine 424 möglich. Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein modellbasierter Ansatz genutzt, um den Ladedruck des ersten Kompressors 408 und des zweiten Kompressors 414 durch Modulation der Stellung des Bypass-Ventils 406 und der Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie 424 sowie durch Steuerung des Motors, der den elektrisch angetriebenen ersten Kompressor 408 antreibt, effektiv zu steuern. Diese modellbasierte Steuerung für eine zweistufige Ladearchitektur einschließlich konventioneller und elektrischer Ladung ermöglicht bei Motoren mit zwei, drei oder vier Zylindern eine deutliche Verkleinerung des Motors. Die modellbasierte Steuerung erlaubt ferner eine schnelle Erhöhung des Drehmoments ohne Turboloch und kann ggf. den CO₂-Ausstoß reduzieren. Eine modellbasierte Steuerung des elektrischen Laders, einschließlich des ersten Kompressors 408, verringert die Notwendigkeit von Fahrzeugkalibrierungen.
4B stellt schematisch eine exemplarische Architektur für einen Benzinmotor mit zweistufigem Ladesystem inkl. konventioneller und elektrischer Ladung dar. In dieser 4B ist eine Lufteinlassleitung 432 zu sehen, durch die Umgebungsluft auf ihrem Weg zu einem oder mehreren Zylindern von Verbrennungsmotor 456 strömt. Außerdem gibt es eine Abgasleitung 462, durch die im Normalbetrieb Abgase aus dem Verbrennungsmotor 456 ausgestoßen werden.
In dieser Ausführungsform wird ein erster Kompressor 436 bereitgestellt, der die zugeführte Luft verdichtet, um deren Dichte und somit die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Der erste Kompressor 436 wird als Teil eines konventionellen Ladesystems 438 dargestellt und kann durch eine erste Turbine 458, bei der es sich um eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) handeln kann, die sich in der Abgasleitung befindet, wellenbetrieben werden, wie Fachleuten der Turboladung bekannt sein dürfte. Es kann einen VGT-Geometrie-Sensor geben, der sich in effektivem Messkontakt mit der ersten Turbine 458 befindet, wenn es sich dabei um eine Turbine mit variabler Geometrie handelt, um Echtzeitinformationen über die Geometrie der VGT zu liefern. Hinter dem ersten Kompressor 436 befindet sich ein zweiter Kompressor 444, der die zugeführte Luft weiter verdichtet, um deren Dichte und somit die Sauerstoffkonzentration im Luftstrom zum Motor zu erhöhen. Der zweite Kompressor 444 wird als elektrischer Ladekompressor dargestellt, der Strom vom elektrischen Antrieb 446 und elektrischen System 448 bezieht, das eine Batterie oder andere bekannte Stromquellen beinhalten kann.
Hinter dem elektrischen Ladesystem kann sich ein Ladeluftkühler 450 inkl. eines zweiten Kompressors 444 befinden, um die Druckluft vor dem Erreichen eines Lufteinlasses am Motor zu kühlen. Der Ladeluftkühler 450 wird vorzugsweise auf der Hochdruckseite des zweiten Kompressors 444 (so vorhanden) platziert, um einen Teil der Wärme, die durch die Verdichtung der Einlassluft entsteht, abzuleiten. Ferner gibt es ein Bypass-Ventil 442, das zulässt, dass Einlassluft den zweiten Kompressor 444 umgeht, und das über einen Stellungssensor in effektiver Nähe verfügt, der die Position von Bypass-Ventil 442 messen kann. Abgasklappenventil 460 ist so konfiguriert, dass es Abgas von Turbine 458 des konventionellen Ladesystems 438 weg leitet. In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Abgasrückführung (AGR) durch ein selektiv aktivierbares Ventil betätigt werden, das sich in einer Leitung befindet, die zwischen der Lufteinlassleitung 432 und der Abgasleitung 462 angeordnet ist. Solche Ausführungsformen können einen Kühler zur Verringerung der Temperatur der rückgeführten Abgase vor dem Vermischen mit Luft, die durch die Lufteinlassleitung 432 zugeführt wird, sowie einen Stellungssensor für das AGR-Ventil beinhalten. In bevorzugten Ausführungsformen gibt es zwischen einem Abgaskrümmer des Motors und dem Punkt der Abgasleitung 462, an dem Abgase an die Umgebung abgegeben werden, zusätzlich ein Abgasnachbehandlungssystem. In einigen Ausführungsformen ist ein Δp-Sensor vorhanden, der Informationen über die Druckdifferenz der Abgase vor und hinter dem Abgasnachbehandlungssystem liefert. In einer Ausführungsform beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem Oxidations- und Reduktionskatalysatoren sowie einen Partikelfilter.
Der Betrieb von Motor 456 lässt sich vorteilhaft steuern, wenn an den dargestellten allgemeinen Punkten entlang der Lufteinlassleitung 432 Sensoren 434, 440 und 452 angebracht werden. Geeignete Sensoren 440 und 452 beinhalten z. B. Sensoren, wie Einlassdruck- und Temperatursensoren, die zum Messen der Temperatur des Ansaugkrümmers und des Drucks am Einlass zum zweiten Kompressor 444 sowie am Luftansaugkrümmer von Motor 456 dienen. Sensoren 440 können außerdem Sensoren zur Messung der Motordrehzahl beinhalten, sodass sich die Drehzahl des elektrischen Antriebs 446 ermitteln lässt, der den elektrisch betriebenen zweiten Kompressor 444 antreibt. Geeignete Sensoren 434 beinhalten z. B. Sensoren, wie Sensoren zur Messung des Massenluftstroms sowie von Temperatur und Druck der Umgebungsluft. In bevorzugten Ausführungsformen stellen die verschiedenen Sensoren Eingaben für mindestens ein Steuermodul bereit, das operativ mit verschiedenen Vorrichtungen zur Steuerung des Verbrennungs- und Motorbetriebs verbunden ist, z. B. zur Steuerung des Ladedrucks des Kompressors, der Abgasrückführung, des Abgasdrucks, des Seitenverhältnisses eines Turboladers (so vorhanden) und in einigen Fällen der Ventilzeit.
In einem Betriebsmodus des Verbrennungsmotors 456 stellen die verschiedenen Sensoren 434, 440 und 452 Ausgaben bereit, die als Eingaben für mindestens ein Steuermodul dienen. So wird eine Steuerung von Betrieb und Position des Bypass-Ventils 442 sowie des effektiven Seitenverhältnisses von Turbine 458 möglich. Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein modellbasierter Ansatz genutzt, um den Ladedruck des ersten Kompressors 436 und des zweiten Kompressors 444 durch Modulation der Position des Bypass-Ventils 442 und der Geometrie der Turbine mit variabler Geometrie 458 sowie durch Steuerung des Motors, welcher den elektrisch betriebenen zweiten Kompressor 444 antreibt, effektiv zu steuern. Diese modellbasierte Steuerung für eine zweistufige Ladearchitektur einschließlich konventioneller und elektrischer Ladung ermöglicht bei Motoren mit zwei, drei oder vier Zylindern eine deutliche Verkleinerung des Motors. Die modellbasierte Steuerung erlaubt ferner eine schnelle Erhöhung des Drehmoments ohne Turboloch und kann ggf. den CO₂-Ausstoß reduzieren. Eine modellbasierte Steuerung des elektrischen Laders, einschließlich des zweiten Kompressors 436, verringert die Notwendigkeit von Fahrzeugkalibrierungen.
Ein Fachmann in dem Gebiet weiß, dass die verschiedenen, oben mit Bezug auf 3A, 3B, 4A und 4B beschriebenen Komponenten zwar in schematischer Ansicht dargestellt sind, viele der beschriebenen Elemente, einschließlich der Lufteinlassleitung und der Abgasleitung, jedoch von integralen Gussstücken, wie Einlass- und Abgaskrümmern, bereitgestellt werden können, die eine oder mehrere dieser Komponenten umfassen, soweit diese Konfigurationen in der Technik im Allgemeinen bekannt sind. In einer Ausführungsform ist der Motor ein Selbstzündermotor, der mit Dieseldestillaten, Ölen oder Estern, wie „Biodiesel“, als Kraftstoff betrieben wird. In einer anderen Ausführungsform ist der Motor ein Fremdzündungsmotor, der mit Benzin, Ethanol, Mischungen aus beiden oder anderen normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffen und Oxygenaten als Kraftstoff betrieben wird.
5A stellt grafisch eine exemplarische Leistungsverzweigung eines zweistufigen Ladesystems mit konventioneller und elektrischer Ladung dar. Die Figur verdeutlicht grafisch ein Verfahren mit modellbasierter Leistungsverzweigung zur Steuerung eines zweistufigen Ladesystems inkl. konventioneller und elektrischer Ladesysteme. In einer exemplarischen Architektur mit einem elektrisch angetriebenen Kompressor sowie einem konventionellen Ladesystem, das einen zweiten Kompressor beinhaltet, lässt sich anhand der Rückmeldung von Sensoren, die sich vor und hinter dem Kompressor des elektrischen Ladesystems befinden, ein Druckverhältnis für das elektrische Ladesystem p_re ermitteln. Zudem lässt sich basierend auf der Rückmeldung von Sensoren, die sich vor und hinter dem Kompressor des konventionellen Ladesystems befinden, ein Druckverhältnis für das konventionelle Ladesystem p_rc ermitteln. Diagramm 510 veranschaulicht ein Druckverhältnis entlang der vertikalen Achse 502 im Lauf der Zeit entlang der horizontalen Achse 500. Es wird ein gewünschtes Totaldruckverhältnis 512 für sowohl das konventionelle als auch das elektrische Ladesystem p_{r_des} dargestellt. 514 zeigt ein gewünschtes Druckverhältnis für das konventionelle Ladesystem p_{rc_des}. Dementsprechend stellt die Differenz 516 zwischen dem gewünschten Druckverhältnis im konventionellen Ladesystem 514 und dem gewünschten Totaldruckverhältnis 512 das gewünschte Druckverhältnis 516 im elektrischen Ladesystem p_{re_des} dar.
Das gewünschte Totaldruckverhältnis p_{r_des} 512 kann durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:
worin

das Totaldruckverhältnis in beiden Stufen des zweistufigen Luftladesystems ist;
in gewünschter Ansaugdruck an einem Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors ist;
p_a ein Umgebungsdruck ist;
ein gewünschtes Druckverhältnis in der ersten Stufe des zweistufigen Luftladesystems ist;
ein gewünschtes Druckverhältnis in der zweiten Stufe des zweistufigen Luftladesystems ist; und
ein gewünschter Druck hinter der zweiten Stufe des zweistufigen Luftladesystems ist.

5B veranschaulicht grafisch eine exemplarische Leistungsverzweigung eines zweistufigen Ladesystems mit konventioneller und elektrischer Ladung, worin die elektrische Ladung die Verzögerung bei der konventionellen Ladung kompensiert. Die Figur veranschaulicht grafisch ein alternatives Verfahren mit modellbasierter Leistungsverzweigung zur Steuerung eines zweistufigen Ladesystems, das konventionelle und elektrische Ladesysteme beinhaltet. In einer exemplarischen Architektur mit einem elektrisch angetriebenen Kompressor sowie einem konventionellen Ladesystem, das einen zweiten Kompressor beinhaltet, lässt sich anhand der Rückmeldung von Sensoren, die sich vor und hinter dem Kompressor des elektrischen Ladesystems befinden, ein Druckverhältnis für das elektrische Ladesystem p_re ermitteln. Zudem lässt sich basierend auf der Rückmeldung von Sensoren, die sich vor und hinter dem Kompressor des konventionellen Ladesystems befinden, ein Druckverhältnis für das konventionelle Ladesystem p_rc ermitteln. Diagramm 520 veranschaulicht ein Druckverhältnis entlang der vertikalen Achse 502 im Lauf der Zeit entlang der horizontalen Achse 500. Es wird ein gewünschtes Totaldruckverhältnis 522 für das konventionelle und elektrische Ladesystem p_{r_des} dargestellt. 524 veranschaulicht ein überwachtes Druckverhältnis im konventionellen Ladesystem p_rc. Dementsprechend stellt die Differenz 526 zwischen dem überwachten Druckverhältnis im konventionellen Ladesystem 524 und dem gewünschten Totaldruckverhältnis 522 das gewünschte Druckverhältnis 526 im elektrischen Ladesystem p_{re_des} dar. In diesem exemplarischen Steuerverfahren sorgt der konventionelle Turbolader für das Erreichen des gewünschten Totaldruckverhältnisses sowohl im elektrischen als auch im konventionellen Ladesystem, sodass p_{r_des} gleich p_{rc_des} ist. Das elektrische Ladesystem wird so gesteuert, dass es das Turboloch zwischen dem gewünschten Totaldruckverhältnis 522 und dem vom konventionellen Ladesystem 524 erreichten Druckverhältnis kompensiert. Die Druckverhältnisreferenz für das elektrische Ladesystem kann durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:
worin

p_{i_des}: der gewünschte Einlassdruck am Ansaugkrümmer des Motors ist,
p_a: der Umgebungsdruck ist,
p_i: der überwachte Luftdruck am Einlass des Motors ist, und
p_{c_ds}: der überwachte Druck hinter dem Kompressor des konventionellen Ladesystems ist.

6 stellt schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Modus mit Vorwärtssteuerung des Drehmoments dar. Eingabe 602 wird der Vorwärtssteuerung 606 bereitgestellt, die gemäß der folgenden Beziehung ein gewünschtes Drehmoment T_e 612 des Elektromotors für das elektrische Ladesystem ermittelt:
worin

c: die Kalibrierungskonstante ist,
p_c: die gewünschte Leistung des Kompressors des elektrischen Ladesystems ist,
ω: die gewünschte Geschwindigkeit des Motors ist,
j: die Trägheit des Wellentriebwerks ist,
Wc: die Luftmasse ist, die durch den elektrischen Kompressor strömt,
T_a: die Umgebungstemperatur ist, und
p_a: der Umgebungsdruck ist.

In der exemplarischen Ausführungsform ist Eingabe 602 ein gewünschtes Druckverhältnis im elektrischen Ladesystem p_{re_des}.
Eingabe 603 ist ein Wunschwert und kann aus einem beliebigen gewünschten Druckverhältnis im elektrischen Ladesystem p_{re_des}, einem gewünschten Ladedruck am Ansaugkrümmer des Motors p_{i_des} oder einem gewünschten Drehmoment des Motors T_{rq_des} bestehen. Der gewählte gewünschte Wert von Eingabe 603 wird mit Ausgabe 620 verglichen, bei der es sich je nachdem um das tatsächliche Druckverhältnis im elektrischen Ladesystem p_re, einen Ist-Ladedruck am Ansaugkrümmer des Motors p_i oder ein Soll-Drehmoment des Motors T_rq handelt. Bei dem Vergleich wird die Differenz 604 zwischen dem Sollwert 603 und dem Istwert 620 ermittelt, die dann als Eingabe für PID-Steuerung 608 verwendet wird. PID-Steuerung 608 ermittelt die geplante PID-Zunahme 610 basierend auf dem ermittelten Fehler 604 zwischen dem Soll-Eingabewert 603 und dem Ist-Wert 620 als Funktion einer gewünschten Motordrehzahl. Anschließend wird der Vorwärts-Drehmomentwert des Motors 612 zum PID-Fehlerwert 610 hinzuaddiert, welcher einen gewünschten Motordrehmomentbefehl 614 ermittelt. Der gewünschte Motordrehmomentbefehl 614 wird zur Steuerung von Motor 616 und Lader 618 eingesetzt, um den Ausgabewert 620 zu erreichen.
Diese Vorwärtssteuerung des Drehmoments kann durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:
worin

c_p: spezifische Wärme unter konstantem Druck ist,
r_e: eine nichtlineare Funktion von
darstellt, und
B: ein Dämpfungskoeffizient ist, der mit dem Rotationssystem des Elektromotors und der mechanischen Last verbunden ist.

Die Vorwärtssteuerung des Drehmoments kann durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:
7 stellt schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Drehmomentsteuermodus mit globaler Linearisierung dar. Ausgabe 716 wird an die Steuerung mit globaler Linearisierung 718 übermittelt, die durch Ausführung von Gleichung [3] ein Drehmoment T_e des Elektromotors für das elektrische Ladesystem ermittelt. In der exemplarischen Ausführungsform ist Ausgabe 716 das Ist-Druckverhältnis im elektrischen Ladesystem pre, ein Ist-Ladedruck am Ansaugkrümmer des Motors pi oder ein Ist-Drehmoment für den Motor des elektrischen Ladesystems T_rq.
Eingabe 702 ist ein Sollwert und kann ein aus einem Soll-Druckverhältnis im elektrischen Ladesystem p_{re_des} bestehen. Der Wert von Eingabe 702 wird mit Ausgabe 716 verglichen, bei der es sich um das Ist-Druckverhältnis im elektrischen Ladesystem p_re handelt. Bei dem Vergleich wird die Differenz 704 zwischen dem Eingabewert 702 und dem Ist-Wert 716 ermittelt, die dann als Eingabe für die PID-Steuerung 706 verwendet wird. Die PID-Steuerung 706 ermittelt den Fehlerwert v 708 zwischen dem Soll-Eingabewert 702 und dem Ist-Wert 716 als Funktion einer gewünschten Motordrehzahl. Anschließend wird der Drehmomentwert des Motors mit globaler Linearisierung 720 zum PID-Steuerungswert 708 hinzuaddiert, um einen Motordrehmomentbefehl 710 zu ermitteln. Der Motordrehmomentbefehl 710 dient zur Steuerung von Motor 712 und Lader 714, damit der Ausgabewert 716 erreicht wird. Diese Drehmomentsteuerung mit globaler Linearisierung kann durch Gleichung [4] ausgedrückt werden. Die Drehmomentsteuerung des Motors mit globaler Linearisierung kann durch Gleichung [5] ausgedrückt werden.
8 stellt schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Modus mit Vorwärtssteuerung der Geschwindigkeit dar. Ein Soll-Motordrehmoment T_{rq_des} 804 wird mit einem überwachten Motordrehmoment T_{rq_eng} 806 verglichen, um die Differenz 808 zu ermitteln, welche als Eingabe für PID-Steuerung 810 dient, um als Funktion einer gewünschten Motordrehzahl einen Fehlerwert 812 zwischen dem Soll-Drehmomentwert 804 und dem Ist-Motordrehmomentwert 806 zu ermitteln. In einer alternativen Ausführungsform kann der Eingabewert 804 das Soll-Druckverhältnis in einem elektrischen Ladesystem P_{re_des} sein. Anschließend wird der Wert 812 zu einer gewünschten Motordrehzahl ω_des 802 hinzuaddiert. Dieses Produkt 814 dient als Eingabe für Steuerung 816, wo ein Grenzwert angewendet wird, um den Referenzwert der Motordrehzahl 818 zu ermitteln. Der Wert 818 wird dann mit der Ist-Motordrehzahl ω 836 verglichen, die als Rückmeldung vom überwachten Motor 832 bereitgestellt wird. Der verglichene Wert 820 wird in die PID-Steuerung 822 eingegeben, um den Fehlerwert v 826 zwischen dem Referenzdrehzahlwert des Motors 818 und dem Ist-Drehzahlwert des Motors 836 zu ermitteln. Der Referenzdrehzahlwert des Motors 818 wird außerdem an die Vorwärtssteuerung 824 übermittelt, die basierend auf dem Soll-Motordrehzahlwert 818 einen Drehmomentwert T_e 828 für den elektrischen Lademotor ermittelt. Die Vorwärtssteuerung kann den Drehmomentwert 828 anhand der folgenden Beziehung ermitteln:
worin

ω_des: die gewünschte Drehzahl des Motors ist, und
p_c: die gewünschte Leistung des Kompressors des elektrischen Laders ist.

Der Fehlerwert 826 wird anschließend zum Drehmomentwert 828 hinzuaddiert, um einen Motordrehmomentbefehl 830 zu ermitteln, der dann der Steuerung von Motor 832 und Lader 834 dient. Dieser Modus zur Vorwärtssteuerung der Drehzahl beinhaltet zuerst das Erzeugen einer Motordrehzahlreferenz, die durch die folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:
Die erzeugte Motordrehzahlreferenz wird dann in einer Energiebilanzgleichung verwendet, die sich als folgende Beziehung ausdrücken lässt:
worin

W_c: der Luftmassenstrom durch das zweistufige Luftladesystem ist.

Die modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Modus zur Drehzahlsteuerung kann daher als folgende Beziehung ausgedrückt werden: T_e = 1 / ωP_c + Bω + ν = 1 / ω(cW_cc_pT_ar_e) + Bω + ν [9]
9 stellt schematisch eine exemplarische adaptive PID-Steuerung für eine modellbasierte Energiebilanzkontrolle in einem Drehzahlsteuermodus mit globaler Linearisierung dar. Ein Soll-Motordrehmoment T_{rq_des} 904 wird mit einem überwachten Motordrehmoment T_{rq_eng} 906 verglichen, um die Differenz 908 zu ermitteln, welche in PID-Steuerung 910 eingegeben wird, um aus dem Soll-Drehmomentwert 904 und dem Ist-Motordrehmomentwert 906 einen Referenzkorrekturwert der Motordrehzahl 912 zu bestimmen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Eingabewert 904 das Soll-Druckverhältnis in einem elektrischen Ladesystem P_{re_des} darstellen. Anschließend wird der Wert 912 zu einer gewünschten Motordrehzahl ω_des 902 hinzuaddiert. Diese Summe 914 dient als Eingabe für Steuerung 916, wo ein Grenzwert angewendet wird, um den Referenzwert der Motordrehzahl 918 zu ermitteln. Wert 918 wird dann mit der Ist-Motordrehzahl ω 932 verglichen, die als Rückmeldung vom überwachten Motor 928 übermittelt wird. Der verglichene Wert 920 wird als Eingabe für PID-Steuerung 922 verwendet, um den Fehlerwert v 924 zwischen dem Referenzwert der Motordrehzahl 918 sowie dem Ist-Motordrehzahlwert 932 zu ermitteln. Der Ist-Motordrehzahlwert 932 wird außerdem an die Steuerung mit globaler Linearisierung 934 übermittelt, die basierend auf dem Ist-Motordrehzahlwert 932 für den elektrischen Lademotor einen Drehmomentwert T_e 936 ermittelt. Die Steuerung mit globaler Linearisierung kann anhand der folgenden Beziehung den Drehmomentwert 936 ermitteln: T_e = 1 / ωP_c + Bω [10] worin

ω: die überwachte Ist-Drehzahl 932 des Motors des elektrischen Laders ist.

Der Fehlerwert 924 wird anschließend zum Drehmomentwert 936 hinzuaddiert, um einen Motordrehmomentbefehl 926 zu ermitteln, der dann zur Steuerung von Motor 928 und Lader 930 genutzt wird. Diese modellbasierte Energiebilanzkontrolle mit globaler Linearisierung, die in einem Drehzahlsteuermodus betrieben wird, kann durch Gleichungen [8] und [9] ausgedrückt werden, worin der Motordrehmomentbefehl 926 auf dem Ist-Motordrehzahlwert 932 basiert, der von der Steuerung mit globaler Linearisierung 934 als Drehmomentwert 936 bereitgestellt wird.
10 veranschaulicht schematisch eine exemplarische zweistufige Ladesteuerung mit virtuellen Interstate-Sensoren. Zur Nutzung der zweistufigen Turboladersteuerung müssen die Bedingungen am Kompressoreinlass des Kompressors des zweiten Turboladersystems ermittelt werden. Einlassdruck und Einlasstemperatur des zweiten Turboladersystems können mithilfe virtueller Sensoren geschätzt werden. In einer exemplarischen Ausführungsform können virtuelle Sensoren als Sensoren 312 (wie dargestellt durch 3A) positioniert werden oder die jeweiligen Sensorpositionen aufweisen, die in den Ausführungsformen von 3B, 4A und 4B dargestellt sind. Wie in 10 veranschaulicht stellen Umgebungstemperatur Ta 1002, Umgebungsdruck pa 1004, Einlassluftmassenstrom Wc 1006 und Drehzahl ω 1008 des Kompressors des ersten Ladesystems Eingaben für den virtuellen Sensor 1010 dar. Diese Werte lassen sich mithilfe von Sensoren oder anderen bekannten Verfahren zur Erfassung der Einlassbedingungen des Kompressors ermitteln. Ausgehend von diesen Eingangswerten kann der virtuelle Sensor 1010 den Einlassdruck des zweiten Ladesystems 1012 und die Einlasstemperatur des zweiten Ladesystems 1014 ermitteln. In einer exemplarischen Ausführungsform, worin das erste Ladesystem ein elektrisches Ladesystem und das zweite Ladesystem ein konventionelles Ladesystem ist, ist der Einlassdruck des zweiten Ladesystems 1012 der Druck vor dem konventionellen Ladesystem p_{c_up} und ist die Einlasstemperatur des zweiten Ladesystems 1014 der Druck vor dem konventionellen Ladesystem T_{c_up}. Der Einlassdruck des zweiten Ladesystems 1012 kann durch Gleichsetzung mit dem Druck hinter dem ersten Ladesystem ermittelt werden, der sich durch folgende Beziehung bestimmen lässt.
Die Einlasstemperatur des zweiten Ladesystems 1014 kann durch Gleichsetzung mit der Temperatur hinter dem ersten Ladesystem ermittelt werden, die sich durch folgende Beziehung bestimmen lässt.

11 veranschaulicht gemäß der vorliegenden Offenbarung ein exemplarisches Verfahren zur Steuerung eines zweistufigen Luftlade- oder Boostsystems eines Verbrennungsmotors. Tabelle 1 wird als Schlüssel bereitgestellt, worin die numerisch beschrifteten Blöcke und entsprechende Funktionen wie folgt dargelegt sind. Tabelle 1

BLOCK	BLOCKINHALTE
1101	Ermitteln von mindestens einem gewünschten Betriebszielbefehl für mindestens eine Stufe des zweistufigen Luftladesystems
1102	Überwachen von Betriebsparametern des zweistufigen Luftladesystems
1103	Ermitteln eines Fehlers zwischen dem gewünschten Betriebszielbefehl für die mindestens eine Stufe des zweistufigen Luftladesystems und einem entsprechenden der genannten überwachten Betriebsparameter des zweistufigen Luftladesystems
1104	Ermitteln der geplanten PID-Zunahmen basierend auf dem ermittelten Fehler unter Verwendung einer PID-Steuerung
1105	Ermitteln eines Betriebsparameters für das Vorwärtssystem und das System mit globaler Linearisierung
1106	Ermitteln eines Systemsteuerbefehls für mindestens eine Stufe des zweistufigen Luftladesystems basierend auf den modifizierten geplanten PID-Zunahmen
1107	Steuern des zweistufigen Luftladesystems basierend auf dem Systemsteuerbefehl für das Luftladesystem.

Bei Schritt 1101 wird für mindestens eine Stufe des zweistufigen Luftladesystems ein gewünschter Betriebszielbefehl ermittelt. In einem exemplarischen Drehmomentsteuermodus kann dies ein gewünschtes Druckverhältnis in einem elektrischen Luftladesystem, einen Ist-Ladedruck, der an einem Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors überwacht wird, und ein Soll-Drehmoment für die drehmomenterzeugende Vorrichtung des elektrischen Luftladesystems bzw. eine Kombination daraus beinhalten. In einem exemplarischen Drehzahlsteuermodus kann der mindestens eine Soll-Betriebszielbefehl eine Soll-Drehzahl der drehmomenterzeugenden Vorrichtung des elektrischen Luftladesystems, ein Soll-Drehmoment für die drehmomenterzeugende Vorrichtung des elektrischen Luftladesystems und eine überwachte Drehmomentausgabe des Verbrennungsmotors bzw. eine Kombination daraus beinhalten. Bei Schritt 1102 werden Betriebsparameter des zweistufigen Luftladesystems überwacht. Dies kann durch die Verwendung von mindestens einem Sensor erreicht werden. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der mindestens eine Sensor mindestens einen Sensor hinter einem Kompressor eines ersten Luftladesystems, mindestens einen Sensor hinter dem Kompressor des ersten Luftladesystems und vor dem Kompressor eines zweiten Luftladesystems sowie mindestens einen Sensor hinter dem Kompressor des zweiten Luftladesystems und vor dem Luftansaugkrümmer des Verbrennungsmotors beinhalten. Die Sensoren können Informationen zum Betrieb des zweistufigen Luftladesystems liefern, darunter zu den Einlassbedingungen des Kompressors des zweiten Luftladesystems. Diese Sensoren können virtuelle Sensoren sein, die so konfiguriert sind, dass sie einen Einlassdruck und eine Einlasstemperatur des Kompressors des zweiten Luftladesystems schätzen. Bei Schritt 1103 wird ein Fehler zwischen dem Soll-Betriebszielbefehl für die mindestens eine Stufe des zweistufigen Luftladesystems und einem entsprechenden der genannten überwachten Betriebsparameter des zweistufigen Luftladesystems ermittelt; außerdem werden unter Verwendung einer PID-Steuerung auf Grundlage des ermittelten Fehlers geplante PID-Zunahmen ermittelt (1104). Es werden ein Betriebsparameter des Vorwärtssystems und ein Betriebsparameter des Systems mit globaler Linearisierung ermittelt (1105), wie hierin hinsichtlich des exemplarischen Modus mit modellbasierter Energiebilanzkontrolle und Drehmomentsteuerung sowie des exemplarischen Modus mit modellbasierter Energiebilanzkontrolle und Drehzahlsteuerung beschrieben. Bei Schritt 1106 kann basierend auf den modifizierten geplanten PID-Zunahmen ein Systemsteuerbefehl für mindestens eine Stufe des zweistufigen Luftladesystems ermittelt werden – unter Verwendung der hierin definierten Beziehungen. Bei Schritt 1107 wird das zweistufige Luftladesystem basierend auf dem Systemsteuerbefehl für das Luftladesystem geregelt.
In der Offenbarung wurden dazu bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Änderungen werden anderen ggf. beim Lesen und Verstehen der Spezifikation einfallen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform eingeschränkt ist, die als die beste Art offenbart ist, die zur Ausführung dieser Offenbarung in Betracht gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Zweistufiges Luftladesystem für einen Verbrennungsmotor, diese Vorrichtung umfassend: ein erstes Luftladesystem, das mindestens ein elektrisches Luftladesystem und ein Luftladesystem mit Turbolader umfasst; ein zweites Luftladesystem, das sich zwischen dem ersten Luftladesystem und einem Luftansaugkrümmer des Verbrennungsmotors befindet, wobei das zweite Luftladesystem das andere des elektrischen Luftladesystems oder des Luftladesystems mit Turbolader umfasst; eine Vielzahl von Sensoren, die Informationen zum Betrieb des genannten zweistufigen Luftladesystems liefern, z. B. zu den Einlassbedingungen eines Kompressors des zweiten Luftladesystems; ein Steuermodul, das so konfiguriert ist, dass es eine Vielzahl von Eingaben empfängt (einschließlich der Informationen zum Betrieb des zweistufigen Luftladesystems), und so konfiguriert ist, dass es in Reaktion auf genannte Eingaben einen Systemsteuerbefehl für das zweistufige Luftladesystem bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von Sensoren Folgendes umfasst: mindestens einen Sensor vor einem Kompressor des ersten Luftladesystems; mindestens einen Sensor hinter dem Kompressor des ersten Luftladesystems und vor dem Kompressor des zweiten Luftladesystems; und mindestens einen Sensor hinter dem Kompressor des zweiten Luftladesystems und vor dem Luftansaugkrümmer des Verbrennungsmotors;
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin mindestens einer aus der Vielzahl von Sensoren einen virtuellen Sensor umfasst, der so konfiguriert ist, dass er einen Einlassdruck und eine Einlasstemperatur des Kompressors des zweiten Luftladesystems schätzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das elektrische Luftladesystem einen Kompressor, eine zum Antreiben des Kompressors konfigurierte elektrische Drehmomentmaschine sowie eine Stromquelle umfasst, die dafür konfiguriert ist, die elektrische Drehmomentmaschine mit Strom zu versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Luftladesystem mit Turbolader einen Kompressor vor dem Verbrennungsmotor sowie eine Turbine hinter dem Verbrennungsmotor umfasst und dafür konfiguriert ist, den Kompressor unter Verwendung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors anzutreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das elektrische Luftladesystem ferner ein Bypass-Ventil umfasst, das so konfiguriert ist, dass Luft, die durch das zweistufige Luftladesystem strömt, den Kompressor des elektrischen Luftladesystems umgehen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Turbine des Luftladesystems mit Turbolader eine Turbine mit variabler Geometrie ist.
Verfahren zur Steuerung eines zweistufigen Luftladesystems eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren umfasst: das Überwachen einer Vielzahl von Betriebsparametern des zweistufigen Luftladesystems; das Ermitteln eines Soll-Betriebszielbefehls für einen der genannten Betriebsparameter, der einer Stufe des zweistufigen Luftladesystems entspricht; das Ermitteln eines Fehlers zwischen dem Soll-Betriebszielbefehl und dem besagten der besagten überwachten Betriebsparameter des zweistufigen Luftladesystems; das Ermitteln geplanter PID-Zunahmen basierend auf dem unter Verwendung einer PID-Steuerung ermittelten Fehler; das Ermitteln eines Systemsteuerbefehls für das zweistufige Luftladesystem basierend auf den geplanten PID-Zunahmen; und das Steuern des zweistufigen Luftladesystems anhand des Systemsteuerbefehls für das Luftladesystem.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die Ermittlung des Soll-Betriebszielbefehls umfasst: das Ermitteln eines ersten Solldruckverhältnisses für eine erste Stufe des zweistufigen Luftladesystems und das Ermitteln eines zweiten Solldruckverhältnisses für eine zweite Stufe des zweistufigen Luftladesystems; das Ermitteln des Soll-Betriebszielbefehls basierend auf mindestens einem des ersten und zweiten Solldruckverhältnisses.
Verfahren nach Anspruch 9, worin das Ermitteln des ersten Solldruckverhältnisses für die erste Stufe des zweistufigen Luftladesystems und das Ermitteln des zweiten Solldruckverhältnisses für die zweite Stufe des zweistufigen Luftladesystems ein Verfahren mit einer zweistufigen Leistungsverzweigung umfasst, umfassend: das Ermitteln des ersten Solldruckverhältnisses für die erste Stufe des zweistufigen Luftladesystems und das Ermitteln des zweiten Solldruckverhältnisses für die zweite Stufe des zweistufigen Luftladesystems basierend auf dem Erreichen eines gewünschten Totaldruckverhältnisses für sowohl die erste Stufe des zweistufigen Luftladesystems als auch die zweite Stufe des zweistufigen Luftladesystems.