DE102018121016A1

DE102018121016A1 - Verfahren und system für einen aufgeladenen motor

Info

Publication number: DE102018121016A1
Application number: DE102018121016.7A
Authority: DE
Inventors: Baitao Xiao; Mrdjan J. Jankovic; Julia H. Buckland; David Bell; Tyler Kelly; Timothy Stolzenfeld; John Eric Rollinger
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US20190063347A1; US10605180B2; CN109424426A

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zur koordinierten Steuerung eines mehrstufigen Aufladesystems bereitgestellt, das einen ersten Verdichter beinhaltet, der stufenweise stromaufwärts von einem zweiten Verdichter in einem Motoreinlass angeordnet ist. In einem Beispiel kann ein Verfahren Betreiben des zweiten, stromabwärts angeordneten Verdichters im Beharrungszustand beinhalten, um ein Gesamtdruckverhältnis über dem mehrstufigen Aufladesystem zu erreichen, während der erste, stromaufwärts angeordnete Verdichter auf Grundlage eines Luftstromfehlbetrags an dem stromabwärts angeordneten Verdichter transient betrieben wird. Eine zeitliche Abstimmung und ein Ausmaß von elektrischer Unterstützung, die bereitgestellt wird, um den ersten, stromaufwärts angeordneten Verdichter transient zu betreiben, kann dynamisch eingestellt werden, wenn sich das Druckverhältnis über dem zweiten Verdichter ändert.

Description

GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme für ein aufgeladenes Motorsystem, das stufenweise angeordnete Aufladevorrichtungen aufweist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK/KURZDARSTELLUNG
Motoren können mit Aufladevorrichtungen, wie etwa Turboladern oder Kompressoren, konfiguriert sein, um den Luftstrom in eine Brennkammer zu erhöhen. Turbolader und Kompressoren verdichten die in den Motor eintretende Ansaugluft unter Verwendung eines Ansaugverdichters. Während ein Turbolader einen Verdichter beinhaltet, der mechanisch durch eine Abgasturbine angetrieben wird, beinhaltet ein elektrischer Kompressor einen Verdichter, der elektrisch durch einen Elektromotor angetrieben wird. In einigen Motorsystemen können eine oder mehrere Ansaugladevorrichtungen stufenweise in Reihe oder parallel angeordnet sein, was als mehrstufige Aufladekonfiguration bezeichnet werden kann. Zum Beispiel kann eine schnelle Hilfsaufladevorrichtung (z. B. der elektrische Kompressor) dazu verwendet werden, die Einschwingleistung einer langsameren Primäraufladevorrichtung (z. B. des Turboladers) zu erhöhen. In einer derartigen Konfiguration kann der Turbolader vergrößert sein, um die Spitzenleistung und Drehmomentleistung des Motors zu erhöhen, was aggressiver verkleinerte Motoren ermöglicht.
Es können verschiedene Ansätze verwendet werden, um Ladedrucksteuerung in einem mehrstufigen Aufladesystem bereitzustellen. Ein beispielhafter Ansatz zum Steuern eines mehrstufigen Aufladesystems unter Verwendung von Druckverhältnissen ist durch Petrovic et al. in EP 1,927,739 A1 gezeigt. Das Druckverhältnis kann die Leistungsfähigkeit einer Aufladevorrichtung des mehrstufigen Aufladesystems zur Aufladung darstellen. In dem Ansatz nach Petrovic ist ein Verfahren zum Koordinieren von zwei Turboladern auf Grundlage von gewünschten Teildruckverhältnissen offenbart. Konkret werden die gewünschten Teildruckverhältnisse für jeden Turbolader auf Grundlage von kalibrierten Lookup-Tabellen unter Verwendung von Motordrehzahl und Motordrehmoment als Eingaben bestimmt. Die gewünschten Teildruckverhältnisse werden kann durch mindestens eines von Einstellen einer Öffnung eines Turbolader-Wastegates, Einstellen der Turbinenschaufelgeometrie (falls z. B. eine Turbine mit variabler Geometrie enthalten ist) und Einstellen von Öffnungen von Turbinen- und/oder Verdichterumgehungen erreicht.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch mögliche Probleme bei derartigen Systemen erkannt. Als ein Beispiel handelt es sich um einen statischen Ansatz, der vordefinierte Kalibrierungen verwendet, um die gewünschten Teildruckverhältnisse zu bestimmen, die voneinander unabhängig sein können (z. B. beeinflusst das gewünschte Teildruckverhältnis einer Verdichtungsvorrichtung nicht das gewünschte Teilverdichtungsverhältnis der anderen Verdichtungsvorrichtung). Falls der Ansatz nach Petrovic auf ein mehrstufiges Aufladesystem angewendet würde, das einen elektrischen Kompressor beinhaltet, der stufenweise neben einem Turbolader angeordnet ist, kann der Ansatz dazu führen, dass der Kompressor einen längeren Zeitraum lang läuft als erforderlich, was zu einem Rückgang der Kraftstoffökonomie führt. Zusätzlich können Bedingungen vorliegen, bei denen der Soll-Ladedruck transient überschwungen wird, wie etwa, wenn eine Ansaugdrosselöffnung transient vergrößert wird. Dies kann dazu führen, dass ein Wastegate vorzeitig geöffnet wird. Infolgedessen kann die Turboladerturbine damit beginnen, auszulaufen, und eine anschließende Erreichung des Soll-Ladedruck kann verzögert werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein Gesamtdruckverhältnis über einem mehrstufigen Aufladesystem als Produkt der Druckverhältnisse über jeder in Reihe angeordneten Verdichtungsvorrichtung erreicht werden kann. Das Gesamtdruckverhältnis kann in Abhängigkeit vom gewünschten Ladedruck bestimmt werden, der vom Drehmomentbedarf abhängig ist. Die mehreren Verdichtungsvorrichtungen des mehrstufigen Aufladesystems können mindestens eine langsamer wirkende (oder niederfrequente) Verdichtungsvorrichtung (hier auch als Primärvorrichtung bezeichnet) und eine schneller wirkende (oder höherfrequente) Verdichtungsvorrichtung (hier auch als Hilfsvorrichtung bezeichnet) beinhalten. Indem ein Teil des Gesamtdruckverhältnisses (oder gewünschten Ladedrucks) auf Grundlage der Leistungsfähigkeit der Primärverdichtungsvorrichtung dynamisch der Hilfsverdichtungsvorrichtung zugewiesen wird, kann ein gewünschter Ladedruck effizienter erreicht werden.
In einem Beispiel können die vorstehend beschriebenen Probleme durch ein Verfahren angegangen werden, das Folgendes umfasst: als Reaktion auf Drehmomentbedarf eines Fahrers Erzeugen eines Gesamtdruckverhältnisbefehls für eine erste, langsamere Verdichtungsvorrichtung eines Motoreinlasses; und Einstellen eines Druckverhältnisbefehls für eine zweite, schnellere Verdichtungsvorrichtung in dem Motoreinlass als Reaktion auf einen Ladedruckfehlbetrag, der für den Drehmomentbedarf des Fahrers erforderlich ist. Auf diese Art und Weise kann ein Soll-Ladedruck in einem mehrstufigen Aufladesystem schneller und effizienter erreicht werden.
Als ein Beispiel kann ein mehrstufiges Aufladesystem einen stromabwärts gelegenen, schneller wirkenden Hilfsverdichter (z. B. einen elektrischen Kompressorverdichter) und einen stromabwärts gelegenen, langsamer wirkenden Primärverdichter (z. B. einen Turboladerverdichter) beinhalten. Als Reaktion auf einen Drehmomentbedarf eines Fahrzeugführers kann eine Motorsteuerung jedem Verdichter dynamisch Druckverhältnisse zuweisen, um dem Bedarf nachzukommen. Insbesondere kann ein Gesamtdruckverhältnisbefehl für den Turbolader erzeugt werden. Der Gesamtdruckverhältnisbefehl kann entsprechende Einstellungen an einer Öffnung eines Abgas-Wastegate-Ventils beinhalten, das in einem Wastegate über die Turboladerturbine gekoppelt ist. Zum Beispiel kann dann, wenn der Drehmomentbedarf zunimmt, die Öffnung des Wastegates verkleinert werden, um mehr Abgasstrom durch die Turbine zu leiten, was die Turbine hochdreht, um den Turboladerverdichter hochzudrehen. Aufgrund der langsameren Reaktionszeit des Turboladers kann jedoch ein Fehlbetrag bei dem (durch den Turbolader) zugeführten Ladedruck vorliegen, um dem Drehmomentbedarf nachzukommen. Die Steuerung kann dann einen Druckverhältnisbefehl für den elektrischen Kompressor erzeugen, der auf dem Ladedruckfehlbetrag beruht. Ferner kann dann, wenn die Turbine hochdreht und der Ladedruckfehlbetrag an dem Turbinenrad abnimmt, das dem Turbolader befohlene Druckverhältnis in Bezug auf den Kompressor dynamisch aktualisiert werden.
Auf diese Art und Weise kann ein Sollwert für ein Gesamtdruckverhältnis effizienter erreicht werden, indem das Druckverhältnis eines höherfrequenten Hilfsverdichters auf Grundlage des Ladedruckfehlbetrags eines niederfrequenten Primärverdichters festgelegt wird. Indem ein Hilfsverdichterbetrieb mit einem Primärverdichterbetrieb koordiniert wird, wird das vorzeitige Öffnen des Wastegates reduziert. Die technische Wirkung der Verwendung eines dynamischen Ansatzes zum Zuweisen der Druckverhältnisse besteht darin, dass das Druckverhältnis des Kompressors kontinuierlich aktualisiert werden kann, wenn sich die Leistungsfähigkeit des Turboladerverdichters zu Aufladung ändert, was die Betriebsdauer des elektrischen Kompressors reduziert, ohne die Ladeleistung zu beeinträchtigen. Ferner kann Ladedrucküberschwingen und -unterschwingen vermieden werden. Auf diese Art und Weise kann die unnötige Anschaltung des Kompressors minimiert werden und elektrische Leistung (die begrenzt sein kann) eingespart werden.
Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben sind. Sie ist nicht dazu gedacht, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Umfang einzig durch die Patentansprüche im Anschluss an die detaillierte Beschreibung definiert ist. Darüber hinaus ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, die vorstehend oder in einem beliebigen Teil dieser Offenbarung angeführte Nachteile beheben.
Figurenliste

1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform für ein mehrstufiges aufgeladenes Motorsystem, das mehrere stufenweise angeordnete Ansaugverdichtungsvorrichtungen aufweist.
2 stellt ein Ablaufdiagramm auf höherer Ebene zum dynamischen Zuweisen von Druckverhältnissen zwischen jeder von mehreren Ansaugverdichtungsvorrichtungen in einem mehrstufigen aufgeladenen Motorsystem und Einstellen der Elektromotordrehmomentzufuhr zu der mit elektrischer Unterstützung konfigurierten Ansaugverdichtungsvorrichtung unter Verwendung eines Lead-Kompensators dar.
3 stellt eine beispielhafte dynamische Druckverhältniszuweisung zwischen einer Steuerung eines elektrischen Kompressors und eines Turboladers während eines Fahrzeugbeschleunigungsereignisses dar.
4 stellt eine beispielhafte Systemantwort unter Verwendung eines Lead-Kompensators dar.
5 stellt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Ladedrucksteuerarchitektur dar, die Fähigkeiten zur dynamischen Druckverhältniszuweisung und Lead-Kompensation beinhaltet.
6 stellt ein beispielhaftes Verfahren zur Ladedrucksteuerung durch Koordinieren des Betriebs eines Turboladers und eines elektrischen Kompressors unter Verwendung von dynamischer Druckverhältniszuweisung und Lead-Kompensation dar.
7 zeigt ein Kennfeld mit beispielhaften Beschleunigungstrajektorien gemäß der vorliegenden Offenbarung.
8 stellt ein voraussichtliches Beispiel für die Koordination des Druckverhältnisses des Turboladers und elektrischen Kompressors während des Fahrzeugbetriebs dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zur Ladedrucksteuerung in einem Motorsystem, das stufenweise angeordnete Aufladevorrichtungen aufweist, wobei mindestens eine der Aufladevorrichtungen mit elektrischer Unterstützung konfiguriert ist. Ein nichteinschränkendes Beispiel für ein derartiges aufgeladenes Motorsystem ist in 1 gezeigt, wobei ein Turbolader stufenweise stromabwärts von einem elektrischen Kompressor angeordnet ist. Die Ladedrucksteuerung in dem mehrstufigen Aufladesystem kann dadurch erreicht werden, dass jeder Verdichtungsvorrichtung dynamisch unterschiedliche Druckverhältnisbefehle zugewiesen werden, und ferner dadurch, dass Lead-Kompensation verwendet wird, um Drucküberschwinger zu reduzieren. Eine Motorsteuerung kann dazu konfiguriert sein, eine Steuerroutine wie etwa die beispielhafte Routine aus 2 über die Steuerarchitektur aus 5 durchzuführen, um der langsamer wirkenden Verdichtungsvorrichtung auf Grundlage des Drehmomentbedarfs ein Druckverhältnis zuzuweisen, während der schneller wirkenden Verdichtungsvorrichtung (mit elektrischer Unterstützung) auf Grundlage eines Luftstromfehlbetrags ein Druckverhältnis zugewiesen wird. Zusätzlich kann die Steuerung einen Lead-Kompensator verwenden, um zu bestimmen, wann die elektrische Unterstützung von einem Elektromotor zu erhöhen und verringern ist, um Drucküberschwinger zu reduzieren. Ein beispielhafter Ansatz, der in dem Motorsystem aus 1 angewendet werden kann, ist bei der beispielhaften Routine aus 6 gezeigt. Infolge der dynamischen Druckverhältniszuweisung kann ein Soll-Ladedruck in einem kürzeren Zeitraum und mit reduzierter Abhängigkeit von elektrischer Unterstützung erreicht werden, wie in 3 gezeigt. Infolge der Lead-Kompensation kann das Überschwingen des Ladedrucks reduziert werden, während die Gelegenheiten zur Energierückgewinnung bei einem Elektromotor maximiert werden, wie in 4 gezeigt. Indem man sich auf diese Ansätze stützt, kann eine Beschleunigungstrajektorie verbessert werden, wie etwa in 7 gezeigt. Ein voraussichtliches Beispiel für das Koordinieren des Betriebs eines Turboladers und elektrischen Kompressors auf Grundlage von Druckverhältnissen während des Fahrzeugbetriebs ist in 8 gezeigt.
1 zeigt schematisch Aspekte eines beispielhaften Motorsystems 100, das einen in einem Fahrzeug 102 gekoppelten Motor 10 beinhaltet. In einigen Beispielen kann das Fahrzeug 102 ein Hybridfahrzeug mit mehreren Drehmomentquellen sein, die einem oder mehreren Fahrzeugrädern 47 zur Verfügung stehen. In anderen Beispielen handelt es sich beim Fahrzeug 102 um ein herkömmliches Fahrzeug nur mit einem Motor. In dem gezeigten Beispiel beinhaltet ein Antriebsstrang des Fahrzeugs 102 einen Motor 10 und eine elektrische Maschine 52. Bei der elektrischen Maschine 52 kann es sich um einen Elektromotor oder einen Motorgenerator handeln. Der Motor 10 und die elektrische Maschine 52 sind über ein Getriebe 48 mit den Fahrzeugrädern 47 verbunden, wenn eine oder mehrere Kupplungen 53 eingekuppelt sind. In dem dargestellten Beispiel ist eine (erste) Kupplung 53 zwischen dem Motor 10 und der elektrischen Maschine 52 bereitgestellt und eine (zweite) Kupplung 53 zwischen der elektrischen Maschine 52 und dem Getriebe 48 bereitgestellt. Eine Steuerung 12 kann ein Signal an einen Aktor jeder Kupplung 53 senden, um die Kupplung einzukuppeln oder auszukuppeln, um dadurch den Motor 10 mit der elektrischen Maschine 52 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder davon zu trennen und/oder um die elektrische Maschine 52 mit dem Getriebe 48 und den damit verbundenen Komponenten zu verbinden oder davon zu trennen. Zum Beispiel kann Drehmoment von dem Motor 10 über eine Kurbelwelle 40, das Getriebe 48 und eine Antriebsstrangwelle 84 an die Fahrzeugräder 47 übertragen werden, wenn die Kupplungen 53 eingekuppelt sind. Bei dem Getriebe 48 kann es sich um ein Schaltgetriebe, ein Planetenradsystem oder eine andere Getriebeart handeln. Das Getriebe 48 kann ein fest übersetztes Getriebe sein, das eine Vielzahl von Übersetzungsverhältnissen beinhaltet, um zu ermöglichen, dass sich der Motor 10 mit einer anderen Drehzahl dreht als die Räder 47. Durch Ändern einer Drehmomentübertragungskapazität der ersten Kupplung 53 (z. B. eines Ausmaßes des Kupplungsschlupfs) kann eine Menge an Motordrehmoment, die über die Antriebsstrangwelle 84 an die Räder weitergeleitet wird, moduliert werden.
Der Antriebsstrang kann auf verschiedene Weisen konfiguriert sein, darunter als ein Parallel-, Serien- oder Serien-Parallel-Hybridfahrzeug. In Ausführungsformen als Elektrofahrzeug kann eine Systembatterie 45 eine Traktionsbatterie sein, die der elektrischen Maschine 52 elektrische Leistung zuführt, um den Fahrzeugrädern 47 Drehmoment bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die elektrische Maschine 52 zudem als Generator betrieben werden, um zum Beispiel während eines Bremsbetriebs elektrische Leistung zum Aufladen der Systembatterie 45 bereitzustellen. Es versteht sich, dass die Systembatterie 45 in anderen Ausführungsformen, darunter Ausführungsformen nicht als Elektrofahrzeug, eine typische Starter-, Licht- und Zündungsbatterie (starting, lighting, ignition battery - SLI-Batterie) sein kann, die an eine Lichtmaschine 46 gekoppelt ist.
Die Lichtmaschine 46 kann dazu konfiguriert sein, die Systembatterie 45 unter Verwendung von Motordrehmoment, das bei laufendem Motor von der Kurbelwelle bezogen wird, zu laden. Zusätzlich kann die Lichtmaschine 46 ein oder mehrere elektrische Systeme des Motors, wie etwa ein oder mehrere Hilfssysteme, zu denen ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-(HLK-)System, Fahrzeugleuchten, ein bordeigenes Unterhaltungssystem und andere Hilfssysteme, wie nachstehend näher beschrieben, gehören können, auf Grundlage ihres entsprechenden elektrischen Bedarfs mit Leistung versorgen. In einem Beispiel kann ein an der Lichtmaschine entnommener Strom auf Grundlage von jedem von einem Kabinenkühlbedarf durch den Fahrzeugführer, einer Batterieladeanforderung, Bedarfen von anderen Hilfsfahrzeugsystemen und Elektromotordrehmoment kontinuierlich variieren. Ein Spannungsregler kann an die Lichtmaschine 46 gekoppelt sein, um die Leistungsausgabe der Lichtmaschine auf Grundlage von Systemnutzungsanforderungen einschließlich Hilfssystembedarfen zu regulieren.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Motor 10 ein mehrstufiger aufgeladener Motor, der mit mehreren stufenweise angeordneten Aufladevorrichtungen konfiguriert ist. Insbesondere beinhaltet der Motor 10 eine erste Aufladevorrichtung, die stufenweise stromaufwärts von einer zweiten Aufladevorrichtung angeordnet ist. Es handelt sich hier bei der ersten Aufladevorrichtung um eine Hilfsaufladevorrichtung und bei der zweiten Aufladevorrichtung um eine Primäraufladevorrichtung, obgleich andere Konfigurationen möglich sein können. Die dargestellte Konfiguration führt dazu, dass ein erster Verdichter 110 (der ersten Aufladevorrichtung) stromaufwärts von einem zweiten Verdichter 114 (der zweiten Aufladevorrichtung) in einem Ansaugkanal 42 des Motors positioniert ist. Mindestens eine der Aufladevorrichtungen kann mit elektrischer Unterstützung von einem Elektromotor konfiguriert sein. In dem vorliegenden Beispiel ist die erste Aufladevorrichtung ein elektrischer Kompressor 13, der dazu konfiguriert ist, mit elektrischer Unterstützung von einem Elektromotor zu arbeiten, während die zweite Aufladevorrichtung ein Turbolader 15 ist. Es können jedoch andere Kombinationen und Konfigurationen von Aufladevorrichtungen möglich sein, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann der Turbolader 15 in alternativen Ausführungsformen ein elektrischer Turbolader sein, der einen Elektromotor aufweist, der an den Verdichter, die Turbine oder die Turboladerwelle gekoppelt ist, während der Kompressor als elektrischer oder mechanischer Kompressor konfiguriert ist. In noch anderen Beispielen können sowohl die erste als auch zweite Aufladevorrichtung elektrische Kompressoren oder elektrische Turbolader sein.
In dem dargestellten Beispiel beinhaltet der elektrische Kompressor 13 einen ersten Verdichter 110, der durch einen Elektromotor 108 angetrieben wird. Konkret kann ein Gebläse des ersten Verdichters 110 durch Leistung angetrieben werden, die von dem Elektromotor 108 entlang einer Kompressorverdichterwelle 80 aufgenommen wird. In einigen Beispielen kann der erste Verdichter 110 des Kompressors 13 zusätzlich über eine Kupplung und einen Getriebemechanismus durch die Motorkurbelwelle angetrieben werden. Der Elektromotor 108 kann durch eine bordeigene Energiespeichervorrichtung mit Leistung versorgt werden, wie etwa die Systembatterie 45. Der Elektromotor 108 kann zusätzlich oder alternativ durch die Lichtmaschine 46 mit Leistung versorgt werden. Eine Menge an elektrischer Leistung, die dem Elektromotor 108 zugeführt wird, kann variiert werden, um einen Arbeitszyklus des Kompressors einzustellen. In einem Beispiel kann die Menge an elektrischer Leistung, die dem Elektromotor 108 zugeführt wird, erhöht werden, um die Drehzahl des ersten Verdichters 110 zu erhöhen, wobei eine entsprechende Erhöhung der elektrischen Last, auf die Lichtmaschine aufgebracht wird, und ein Rückgang des Lichtmaschinenstroms vorliegt. Infolge der elektrischen Unterstützung kann der Kompressor 13 schnell hochgedreht werden, was eine schnell wirkende oder hochfrequente Aufladungsbetätigung bereitstellt.
Während ausgewählter Bedingungen kann Luft in den ersten Verdichter 110 einströmen, wenn die Öffnung eines Umgehungsventils des elektrischen Kompressors (electric supercharger bypass valve - ESBV) 72 verkleinert ist, wodurch einströmende Luft aus einer Airbox 112 durch einen Umgehungskanal 70 des ersten Verdichters und den ersten Verdichter 110 geleitet wird, wo sie zur Abgabe an den zweiten Verdichter 114 mit Druck beaufschlagt wird. An einem Einlass des zweiten Verdichters 114 aufgenommene Frischluft wird dann verdichtet und in den Motor 10 eingebracht. Wenn die Öffnung des ESBV 72 vergrößert wird, nimmt eine Menge an Luft zu, die in den zweiten Verdichter 114 einströmt, ohne durch den Umgehungskanal 70 des ersten Verdichters und den ersten Verdichter 110 geströmt zu sein. Während Bedingungen, bei denen das ESBV 72 vollständig geöffnet ist, kann Druckluft dem Motor 10 nur über den zweiten Verdichter 114 des Turboladers 15 zugeführt werden. Indem der elektrische Kompressor über den Elektromotor hochgedreht wird, kann dem Motor schnell ein Ladedruckstoß bereitgestellt werden.
Der Elektromotor 108 kann als Motorgenerator konfiguriert sein. Somit kann während Bedingungen, bei denen elektrische Unterstützung für den Ladedruckaufbau erforderlich ist, der Elektromotor positives Drehmoment bereitstellen, um entweder den Kreiselverdichter des Kompressors (oder die Turboladerwelle) anzutreiben, um die transiente Zufuhr von Ladedruck zu verbessern. Der Elektromotor ist jedoch auch zur Energierückgewinnung durch „Bremsen“ der Elektromotorwelle in der Lage. Dabei kann negatives Drehmoment auf den Verdichter (oder die Welle) aufgebracht werden, was die Verdichterdrehzahl reduziert und zeitgleich die an den Elektromotor gekoppelte Systembatterie (wie etwa die Batterie 45) auflädt. Wie unter Bezugnahme auf 2 ausgeführt, kann eine Motorsteuerung eine zeitliche Abstimmung und Menge von positivem Drehmoment und negativem Drehmoment steuern, die von dem Elektromotor auf den Kompressor aufgebracht werden, um einen Drosseleinlassdruck (Throttle Inlet Pressure - TIP)/Ladedruck zu regulieren.
Der Turbolader 15 beinhaltet den zweiten Verdichter 114, der durch eine Turbine 116 angetrieben wird. Der zweite Verdichter 114 ist als Turboladerverdichter gezeigt, der mechanisch über eine Welle 19 an die Turbine 116 gekoppelt ist, wobei die Turbine 116 durch sich ausdehnende Motorabgase angetrieben wird. In einer Ausführungsform kann der Turbolader eine Twin-Scroll-Vorrichtung sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Turbolader ein Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG-Lader) sein, wobei die Turbinengeometrie aktiv in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen variiert wird.
Frischluft wird entlang dem Ansaugkanal 42 über die Airbox 112 in den Motor 10 eingebracht und strömt zu dem zweiten Verdichter 114. Während ausgewählter Bedingungen kann, wie nachstehend ausgeführt, durch den Turbolader 15 verdichtete Luft durch einen Umgehungskanal 60 des zweiten Verdichters von einem Auslass zu einem Einlass des zweiten Verdichters 114 zurückgeführt werden, indem eine Öffnung eines Verdichterrückführventils (compressor recirculation valve - CRV) 62 eingestellt wird. Das CRV 62 kann ein stufenlos variables Ventil sein und das Vergrößern der Öffnung des CRV 62 kann Betätigen (oder Ansteuern) eines Solenoids des Ventils beinhalten.
Eines oder beide von CRV 62 und ESBV 72 können stufenlos variable Ventile sein, wobei eine Position des Ventils stufenlos von einer vollständig geschlossenen Position zu einer vollständig geöffneten Position variiert werden kann. Alternativ kann das CRV 62 ein stufenlos variables Ventil sein, während das ESBV 72 ein Auf-/Zu-Ventil ist. In einigen Ausführungsformen kann das CRV 62 während des Betriebs des aufgeladenen Motors teilweise offen sein, um einen Abstand zur Pumpgrenze bereitzustellen. Hierbei kann die teilweise offene Position eine Standardventilposition sein. Dann kann die Öffnung des CRV 62 als Reaktion auf eine Angabe von Pumpen vergrößert werden. Zum Beispiel kann das CRV 62 aus der standardmäßigen, teilweise offenen Position in Richtung einer vollständig offenen Position eingestellt werden, wobei ein Öffnungsgrad auf der Angabe von Pumpen (z. B. dem Verdichterverhältnis, der Verdichterströmungsrate, einer Druckdifferenz über den Verdichter etc.) beruht. In alternativen Beispielen kann das CRV 62 während des Betriebs des aufgeladenen Motors (z. B. Spitzenleistungsbedingungen) geschlossen gehalten werden, um die Ladereaktionszeit zu reduzieren und die Spitzenleistung zu erhöhen.
Der zweite Verdichter 114 ist durch einen Ladeluftkühler (charge-air cooler - CAC) 18 (hier auch als Zwischenkühler bezeichnet) an ein Drosselventil 20 gekoppelt. Luft strömt aus dem zweiten Verdichter 114 durch den CAC 18 und das Drosselventil 20 zu einem Ansaugkrümmer 22. Der CAC 18 kann zum Beispiel ein Luft-Luft- oder Wasser-Luft-Wärmetauscher sein. Der Ansaugkrümmerdruck (z. B. ein Druck der Luftladung innerhalb des Ansaugkrümmers) kann unter Verwendung eines Krümmerabsolutdrucksensors (manifold absolute pressure sensor - MAP-Sensor) 124 bestimmt werden.
Der Ansaugkrümmer 22 ist durch eine Reihe von Einlassventilen (nicht gezeigt) an eine Reihe von Brennkammern 30 gekoppelt. Die Brennkammern sind ferner über eine Reihe von Auslassventilen (nicht gezeigt) an einen Abgaskrümmer 36 gekoppelt. In der dargestellten Ausführungsform ist ein einzelner Abgaskrümmer 36 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann der Abgaskrümmer jedoch eine Vielzahl von Abgaskrümmerteilabschnitten beinhalten. Konfigurationen, die eine Vielzahl von Abgaskrümmerteilabschnitten aufweisen, können ermöglichen, dass Abstrom aus unterschiedlichen Brennkammern zu unterschiedlichen Stellen in dem Motorsystem geleitet wird.
In einer Ausführungsform kann jedes der Auslass- und Einlassventile elektronisch betätigt oder gesteuert werden. In einer anderen Ausführungsform kann jedes der Auslass- und Einlassventile über Nocken betätigt oder gesteuert werden. Unabhängig davon, ob eine elektronische Betätigung oder eine Betätigung über Nocken vorliegt, kann die zeitliche Abstimmung des Öffnens und Schließens der Auslass- und Einlassventile für die gewünschte Verbrennungs- und Emissionssteuerleistung eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Nockensteuerung über ein System zur variablen Nockensteuerung so eingestellt werden, dass der Einlass- und Auslassnocken in eine Position bewegt werden, die den optimalen volumetrischen Wirkungsgrad für die gegebenen Betriebsbedingungen bereitstellt.
Den Brennkammern 30 können ein oder mehrere Kraftstoffe wie etwa Benzin, Alkohol-Kraftstoff-Gemische, Diesel, Biodiesel, verdichtetes Erdgas etc. zugeführt werden. Der Kraftstoff kann den Brennkammern über Direkteinspritzung, Einspritzung mit einer Düse pro Einlasskanal, Drosselventilkörpereinspritzung oder eine beliebige Kombination daraus zugeführt werden. In dem dargestellten Beispiel wird jeder Brennkammer 30 Kraftstoff über Direkteinspritzung durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 bereitgestellt (wenngleich in 1 nur eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gezeigt ist, beinhaltet jede Brennkammer eine daran gekoppelte Kraftstoffeinspritzvorrichtung). Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 durch ein Kraftstoffsystem (nicht gezeigt) zugeführt werden, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und einen Kraftstoffverteiler beinhaltet. In den Brennkammern kann die Verbrennung über Fremdzündung und/oder Kompressionszündung eingeleitet werden.
Wie in 1 gezeigt, wird Abgas zum Antreiben der Turbine von dem Abgaskrümmer 36 zu der Turbine 116 geleitet. Wenn reduziertes Turbinendrehmoment gewünscht ist, kann ein Teil des Abgases stattdessen durch ein Wastegate 90 geleitet werden und damit die Turbine umgehen. Ein Wastegate-Aktor 92 (z. B. Wastegate-Ventil) kann in eine offene Stellung betätigt werden, um mindestens einen Teil des Abgasdrucks von stromaufwärts von der Turbine 116 über das Wastegate 90 zu einer Stelle stromabwärts von der Turbine 116 abzulassen. Indem der Abgasdruck stromaufwärts von der Turbine 116 reduziert wird, kann die Turbinendrehzahl reduziert werden.
Der kombinierte Strom aus der Turbine 116 und dem Wastegate 90 strömt durch eine Emissionssteuervorrichtung 170. Im Allgemeinen kann eine Emissionssteuervorrichtungen 170 einen oder mehrere Komponenten zur Abgasnachbehandlung beinhalten, die dazu konfiguriert sind, eine Menge einer oder mehrerer Substanzen in dem Abgasstrom zu reduzieren. Zum Beispiel kann eine Komponente zur Abgasnachbehandlung dazu konfiguriert sein, NO_x aus dem Abgasstrom zu speichern, wenn der Abgasstrom mager ist, und die gespeicherten NO_x zu reduzieren, wenn der Abgasstrom fett ist. In anderen Beispielen kann eine Komponente zur Abgasnachbehandlung dazu konfiguriert sein, NO_x zu disproportionieren oder NO_x mithilfe eines Reduktionsmittels selektiv zu reduzieren. In noch anderen Beispielen beinhaltet die Emissionssteuervorrichtung 170 einen Dreiwegekatalysator, der dazu konfiguriert ist, Kohlenwasserstoff- und Kohlenstoffmonoxidrückstände zu oxidieren, während NO_x in dem Abgasstrom reduziert werden. Andere Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung, die eine beliebige derartige Funktionalität aufweisen, können entweder separat oder gemeinsam in Washcoats oder an anderer Stelle in der Emissionssteuervorrichtung 170 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Emissionssteuervorrichtung 170 ferner einen regenerierbaren Rußfilter beinhalten, der dazu konfiguriert ist, Rußpartikel in dem Abgasstrom zu speichern und zu oxidieren.
Das behandelte Abgas aus der Emissionssteuervorrichtung 170 kann ganz oder teilweise über ein Abgasrohr 35 in die Atmosphäre abgegeben werden. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen kann jedoch ein Teil des Abgases stattdessen über einen Abgasrückführungs-(AGR-)Kanal (nicht gezeigt), der einen AGR-Kühler und ein AGR-Ventil beinhaltet, zu dem Ansaugkanal 42 umgeleitet werden. Die AGR kann zu dem Einlass des ersten Verdichters 110, dem Einlass des zweiten Verdichters 114 oder zu beiden zurückgeführt werden.
Ein oder mehrere Sensoren können an den Einlass des zweiten Verdichters 114 (wie gezeigt) und/oder des ersten Verdichters 110 (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Zum Beispiel kann ein Temperatursensor 55 zum Schätzen einer Verdichtereinlasstemperatur an den Einlass des zweiten Verdichters 114 gekoppelt sein. Als ein anderes Beispiel kann ein Drucksensor 56 zum Schätzen eines Drucks von in den zweiten Verdichter einströmender Luft an den Einlass des zweiten Verdichters 114 gekoppelt sein. Der Druck stromabwärts von dem zweiten Verdichter 114 und stromabwärts von dem ersten Verdichter 110, der durch den Drucksensor 56 gemessen wird, wird hier als P₁ bezeichnet. Zu noch anderen Sensoren können zum Beispiel Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren, Feuchtigkeitssensoren etc. gehören. In anderen Beispielen können eine oder mehrere der Einlassbedingungen des zweiten Verdichters (wie etwa Feuchtigkeit, Temperatur etc.) auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen abgeleitet werden. Die Sensoren können eine Bedingung der an dem Einlass des zweiten Verdichters aus dem Ansaugkanal aufgenommenen Ansaugluft sowie der von stromaufwärts von dem CAC 18 zurückgeführten Luftladung schätzen. Ein oder mehrere Sensoren können zudem zum Bestimmen einer Zusammensetzung und Bedingung von in den Verdichter einströmender Luftladung stromaufwärts von dem ersten Verdichter 110 an den Ansaugkanal 42 gekoppelt sein. Zu diesen Sensoren kann zum Beispiel ein Drucksensor 58 gehören. Der Druck stromabwärts von der Airbox 112 (z. B. Luftdruck), der durch den Drucksensor 58 gemessen wird, wird hier als P₀ bezeichnet. Zusätzlich kann ein Drosseleinlassdruck-(TIP-)Sensor 59 stromabwärts von dem CAC 18 und stromaufwärts von dem Drosselventil 20 gekoppelt sein, um einen dem Motor zugeführten Ladedruck zu schätzen. Der Druck stromabwärts von dem CAC 18 und stromabwärts von dem Drosselventil 20, der durch den TIP-Sensor 59 gemessen wird, wird hier als P₂ bezeichnet. Ein Gesamtdruckverhältnis über dem mehrstufigen Aufladesystem ist als $\frac{P_{2}}{P_{0}}$
definiert, ein Druckverhältnis über dem ersten Verdichter 110 ist als $\frac{P_{1}}{P_{0}}$
definiert, und ein Druckverhältnis über dem zweiten Verdichter 114 ist als $\frac{P_{2}}{P_{1}}$
definiert.
Während eines Pedalbetätigungsereignisses durch den Fahrzeugführer kann, wenn als Reaktion auf eine Zunahme des Drehmomentbedarfs des Fahrzeugführers von Motorbetrieb ohne Aufladung zu Motorbetrieb mit Aufladung übergegangen wird, ein Turboloch auftreten. Dies liegt an Verzögerungen beim Hochdrehen der Turbine 116, da der Turbolader eine langsamer wirkende Verdichtungsvorrichtung ist, und einer momentanen Reduktion der Strömung durch den zweiten Verdichter 114, wenn sich das Drosselventil 20 bei der Pedalbetätigung öffnet. Das Gleiche kann auch eintreten, wenn sich der Motor im aufgeladenen Betrieb befindet und es aufgrund einer Erhöhung der Fahrpedalbetätigung durch den Fahrzeugführer zu einer transienten Zunahme des Aufladungsbedarfs kommt. Um dieses Turboloch zu reduzieren, können während dieser ausgewählten Bedingungen sowohl der Kompressor 13 als auch der Turbolader 15 aktiviert sein. Insbesondere kann die schneller wirkende, elektrisch betätigte Verdichtungsvorrichtung, der elektrische Kompressor, dazu verwendet werden, das Einschwingladeverhalten zu verbessern. Konkret kann als Reaktion auf die Pedalbetätigung der Wastegate-Aktor 92 geschlossen (z. B. vollständig geschlossen) werden, um den Abgasstrom durch die Turbine 116 zu erhöhen. Während des Hochdrehens der Turbine 116 kann transient Ladedruck durch den ersten Verdichter 110 bereitgestellt werden. Aktivieren des Kompressors 13 kann beinhalten, dass Energie aus der Systembatterie 45 entnommen wird, um den Elektromotor 108 zu drehen und dadurch den ersten Verdichter 110 zu beschleunigen. Zusätzlich kann das ESBV 72 geschlossen (z. B. vollständig geschlossen) werden, um zu ermöglichen, dass ein größerer Anteil der Ansaugluft durch den Umgehungskanal 70 geleitet und durch den ersten Verdichter 110 verdichtet wird. Zusätzlich kann das CRV 62 geschlossen (z. B. vollständig geschlossen) werden, um die Strömung durch den zweiten Verdichter 114 zu erhöhen. Wenn die Turbine ausreichend hochgedreht worden ist und der Turbolader dazu in der Lage ist, das angeforderte Maß an Aufladung bereitzustellen, kann der erste Verdichter 110 verzögert werden, indem der Elektromotor 108 deaktiviert wird (indem z. B. die Leistungszufuhr von der Batterie 45 zu dem Elektromotor 108 unterbrochen wird). Zusätzlich kann das ESBV 72 geöffnet werden, um zu ermöglichen, dass ein größerer Anteil der Luft den ersten Verdichter 110 umgehen kann. Wie hier näher beschrieben, kann die Anschaltung (und Abschaltung) des ersten Verdichters 110 exakt gesteuert werden, um den gewünschten Ladedruck bereitzustellen, während Überschwingen oder Unterschwingen des gewünschten Ladedrucks reduziert werden, Ladedruckstörungen zu minimieren, wenn der erste Verdichter 110 aktiviert/deaktiviert wird, und eine Betriebsdauer des ersten Verdichters 110 zu minimieren, wodurch eine durch den Kompressor 13 verbrauchte Menge von elektrischer Leistung minimiert wird. Das gewünschte Maß an Aufladung kann dadurch bereitgestellt werden, dass der Turbolader 15 und Kompressor 13 auf Grundlage der Leistungsfähigkeit des Turboladers 15 (z. B. des Druckverhältnisses über dem zweiten Verdichter 114) zur Aufladung zu einem gegebenen Zeitpunkt und bei einem gewünschten Gesamtladedruckverhältnis dynamisch koordiniert werden, wie unter Bezugnahme auf 2-6 beschrieben. Dabei kann die Steuerung eine Druckverhältniszuweisung zu dem Kompressor auf Grundlage eines Fehlbetrags bei Luftstrom, das an dem Turbolader auftritt, dynamisch einstellen. Zusätzlich kann die Steuerung eine zeitliche Abstimmung und Abgabe des Elektromotordrehmoments, das dem Kompressor durch den Elektromotor zugeführt wird, einstellen, um Drucküberschwingen zu reduzieren, während die Energierückgewinnung maximiert wird.
Während eines Pedalfreigabeereignisses durch den Fahrzeugführer kann es, wenn von Motorbetrieb mit Aufladung zu Motorbetrieb ohne Aufladung (oder mit reduzierter Aufladung) übergegangen wird, zu einem Pumpen des Verdichters kommen. Dies liegt an einer verringerten Strömung durch den zweiten Verdichter 114, wenn sich das Drosselventil 20 bei der Pedalfreigabe schließt. Der reduzierte Vorwärtsstrom durch den zweiten Verdichter kann zu einem Pumpen führen und die Turboladerleistung beeinträchtigen. Zusätzlich kann das Pumpen kann zu Problemen mit Geräuschen, Schwingungen und Rauigkeit (noise, vibration, and harshness - NVH) führen, wie etwa unerwünschten Geräuschen aus dem Ansaugsystem des Motors. Um zu ermöglichen, dass während eines Standardmodus des Fahrzeugbetriebs der Drehmomentbedarf als Reaktion auf die Pedalfreigabe schnell reduziert wird, ohne dass es zu Pumpen des Verdichters kommt, kann mindestens ein Teil der durch den zweiten Verdichter 114 verdichteten Luftladung zu dem Verdichtereinlass zurückgeführt werden. Dies ermöglicht, dass übermäßiger Ladedruck im Wesentlichen unverzüglich abgelassen werden kann. Insbesondere kann das CRV 62 geöffnet werden, um (warme) Druckluft aus dem Auslass des zweiten Verdichters 114 stromaufwärts von dem CAC 18 zu dem Einlass des zweiten Verdichters 114 zurückzuführen. In einigen Ausführungsformen kann das Verdichterrückführungssystem zusätzlich oder alternativ einen Rückführungskanal zum Rückführen von gekühlter Druckluft von stromabwärts von dem CAC 18 zu dem Einlass des zweiten Verdichters 114 beinhalten. Zusätzlich kann der Wastegate-Aktor 92 in eine weiter geöffnete (z. B. vollständig geöffnete) Position bewegt werden, sodass ein größerer Teil des Abgasstroms zu dem Endrohr wandert, wobei er die Turbine umgeht und dadurch das Auslaufen der Turbine beschleunigt.
Die Steuerung 12 kann in einem Steuersystem 14 enthalten sein. Es ist gezeigt, dass die Steuerung 12 Informationen von einer Vielzahl von Sensoren 16 (für die hier verschiedene Beispiele beschrieben sind) empfängt und Steuersignale an eine Vielzahl von Aktoren 81 (für die hier verschiedene Beispiele beschrieben sind) sendet. Als ein Beispiel können zu den Sensoren 16 ein Abgassensor 126, der stromaufwärts von der Turbine 116 angeordnet ist, der MAP-Sensor 124, ein Abgastemperatursensor 128, ein Abgasdrucksensor 129, der Verdichtereinlasstemperatursensor 55, der Verdichtereinlassdrucksensor 56 (z. B. zum Messen von P₁ ), ein Luftmassenstromsensor (mass air flow sensor - MAF-Sensor) 57, der Drucksensor 58 (z. B. zum Messen von P₀ ) und der TIP-Sensor 59 (z. B. zum Messen von P₂ ) gehören. Andere Sensoren wie etwa zusätzliche Druck-, Temperatur-, Luft-Kraftstoff-Verhältnis- und Zusammensetzungssensoren können an verschiedene Stellen in dem Motorsystem 100 gekoppelt sein. Zu den Aktoren 81 können zum Beispiel das Drosselventil 20, das CRV 62, das ESBV 72, der Elektromotor 108, der Wastegate-Aktor 92 und die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 gehören. Die Steuerung 12 kann Eingangsdaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und die verschiedenen Aktoren zum Einstellen des Motorbetriebs auf Grundlage der empfangenen Signale und auf einem Speicher der Steuerung gespeicherter Anweisungen einsetzen. Die Steuerung kann die Aktoren als Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten auf Grundlage einer Anweisung oder eines Codes einsetzen, die darin programmiert sind und einer oder mehreren Routinen entsprechen, wie etwa den hier unter Bezugnahme auf 2 (und 6) beschriebenen beispielhaften Steuerroutinen. Als ein Beispiel kann die Steuerung als Reaktion auf gemessene Drücke, die einen Ladedruckmangel angeben, wenn der Turbolader betrieben wird, den Elektromotor betätigen, der den Kompressorverdichter antreibt, und das ESBV in eine geschlossene Stellung betätigen, um über den Kompressorverdichter zusätzliche Aufladung bereitzustellen.
Auf diese Art und Weise ermöglichen die Komponenten aus 1 ein Fahrzeugsystem, das Folgendes umfasst: einen Motor, der einen Einlass aufweist; ein Fahrpedal zum Empfangen eines Drehmomentbedarfs eines Fahrzeugführers; ein mehrstufiges Aufladesystem, das einen ersten (Hilfs-)Kompressorverdichter, der durch einen Elektromotor angetrieben wird, der elektrische Leistung aus einer Batterie aufnimmt, und einen zweiten (Primär-)Turboladerverdichter, der durch eine Abgasturbine angetrieben wird, beinhaltet, wobei der zweite Verdichter stromabwärts von dem ersten Verdichter in dem Motoreinlass positioniert ist; eine über den ersten Verdichter gekoppelte Umgehung, die ein Umgehungsventil beinhaltet; ein über die Abgasturbine gekoppeltes Wastegate, das einen Wastegate-Aktor beinhaltet; einen ersten Drucksensor, der stromaufwärts von dem ersten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, um den Luftdruck zu schätzen; einen zweiten Drucksensor, der stromabwärts von dem ersten Verdichter und stromaufwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen des Turboladereinlassdrucks; einen dritten Drucksensor, der stromabwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen eines Drosseleinlassdrucks; und eine Steuerung mit auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten computerlesbaren Anweisungen zu Folgendem: als Reaktion auf den Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers Befehlen eines Gesamtdruckverhältnisses über dem mehrstufige Aufladesystem über eine Einstellung an dem Wastegate-Aktor; und Variieren des über dem ersten Verdichter befohlenen Druckverhältnisses über eine Einstellung an einer Leistung des Elektromotors auf Grundlage eines Luftstromfehlbetrags an dem zweiten Verdichter, wobei der Luftstromfehlbetrag auf Grundlage eines tatsächlichen Druckverhältnisses über dem zweiten Verdichter geschätzt wird. In einem Beispiel kann Befehlen des Gesamtdruckverhältnisses beinhalten, dass die Öffnung des Wastegate-Aktors verkleinert wird, wenn der Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers zunimmt, um das tatsächliche Druckverhältnis über dem zweiten Verdichter zu erhöhen, und wobei Variieren des über dem ersten Verdichter befohlenen Druckverhältnisses beinhaltet, dass der Elektromotor in einem Motormodus betrieben wird, wenn der Luftstromfehlbetrag über einen Schwellenwert zunimmt, und der Elektromotor in einem Generatormodus betrieben wird, wenn der Luftstromfehlbetrag unter den Schwellenwert abnimmt. In einem anderen Beispiel kann die Steuerung weitere Anweisungen zu Folgendem beinhalten: Schließen des ESBV, wenn der Luftstromfehlbetrag über einen Schwellenwert zunimmt, um das Druckverhältnis über dem ersten Verdichter zu erhöhen; und Öffnen des ESBV, wenn der Luftstromfehlbetrag unter den Schwellenwert abnimmt, um das Druckverhältnis über dem ersten Verdichter zu verringern.
Die Komponenten aus 1 können ferner ermöglichen, dass die Steuerung ein Gesamtdruckverhältnis für eine erste Verdichtungsvorrichtung eines Motoreinlasses auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrzeugführers befiehlt; wenn ein tatsächliches Druckverhältnis des zweiten Verdichters weiter von dem Gesamtdruckverhältnis entfernt ist, positives Elektromotordrehmoment bereitzustellen, um das Druckverhältnis des ersten Verdichters zu erhöhen; und wenn das tatsächliches Druckverhältnis des zweiten Verdichters näher bei dem Gesamtdruckverhältnis liegt, negatives Elektromotordrehmoment bereitzustellen, um das Druckverhältnis des ersten Verdichters zu verringern. In dem vorhergehenden Beispiel kann Befehlen des Gesamtdruckverhältnisses beinhalten, dass die Öffnung des Wastegate-Aktors verkleinert wird, wenn der Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers zunimmt, um das tatsächliche Druckverhältnis über dem zweiten Verdichter zu erhöhen, wobei Bereitstellen des positiven Elektromotordrehmoments beinhaltet, dass der Elektromotor in einem Motormodus mit einer Motorleistung auf Grundlage eines Luftstromfehlbetrags betrieben wird, wobei der Luftstromfehlbetrag auf Grundlage einer Differenz zwischen dem tatsächlichen Druckverhältnis des zweiten Verdichters und dem Gesamtdruckverhältnis geschätzt wird, und wobei Bereitstellen des negativen Drehmoments beinhaltet, dass der Elektromotor in einem Generatormodus mit einer Generatorleistung auf Grundlage der Differenz betrieben wird. In einem weiteren Beispiel kann die Steuerung weitere Anweisungen zu Folgendem beinhalten: Schließen des ESBV, während das positive oder negative Elektromotordrehmoment bereitgestellt wird. Das System kann ferner Folgendes beinhalten: einen ersten Drucksensor, der stromaufwärts von dem ersten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, um den Luftdruck zu schätzen; einen zweiten Drucksensor, der stromabwärts von dem ersten Verdichter und stromaufwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen des Turboladereinlassdrucks; und einen dritten Drucksensor, der stromabwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen eines Drosseleinlassdrucks; wobei die Steuerung weitere Anweisungen zu Folgendem beinhalten kann: Schätzen des Gesamtdruckverhältnisses auf Grundlage einer Ausgabe des dritten Drucksensors in Bezug auf die Ausgabe des ersten Drucksensors; Schätzen des tatsächlichen Druckverhältnisses über dem zweiten Verdichter auf Grundlage einer Ausgabe des dritten Drucksensors in Bezug auf die Ausgabe des zweiten Drucksensors; und Schätzen des tatsächlichen Druckverhältnisses über dem ersten Verdichter auf Grundlage einer Ausgabe des zweiten Drucksensors in Bezug auf die Ausgabe des ersten Drucksensors.
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, in der ein beispielhaftes Verfahren 200 zum Betreiben eines mehrstufigen aufgeladenen Motorsystems, das stufenweise angeordnete Aufladevorrichtungen aufweist, gezeigt ist. Das mehrstufige aufgeladene Motorsystem kann mindestens zwei in Reihe angeordnete Ansaugverdichtungsvorrichtungen beinhalten, von denen mindestens eine elektrische Unterstützung beinhaltet. Eine der mindestens zwei Verdichtungsvorrichtungen kann eine langsamer wirkende (niederfrequente) Verdichtungsvorrichtung sein, wie etwa ein Turbolader, der als die Primäraufladevorrichtung konfiguriert ist, während eine andere der zwei Verdichtungsvorrichtungen eine schneller wirkende (höherfrequente) Verdichtungsvorrichtung sein kann, wie etwa ein elektrischer Kompressor, der als die Hilfsaufladevorrichtung konfiguriert ist. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 200 und der übrigen hier enthaltenen Verfahren können durch eine Steuerung (z. B. die Steuerung 12 aus 1) auf Grundlage von in einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Motorsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie etwa den Sensoren, die vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben worden sind. Die Steuerung kann Motoraktoren des Motorsystems, wie etwa ein Umgehungsventil des elektrischen Kompressors (z. B. das ESBV 72 aus 1), einen Elektromotor (wie etwa den Elektromotor 108 aus 1) und einen Turbolader-Wastegate-Aktor (z. B. den Wastegate-Aktor 92 aus 1) einsetzen, um den Motorbetrieb gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren einzustellen.
Bei 202 beinhaltet das Verfahren 200 Schätzen und/oder Messen von Motorbetriebsbedingungen. Zum Beispiel können zu den beurteilten Betriebsbedingungen Motordrehzahl, Pedalposition, Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers, Krümmerabsolutdruck, Krümmerluftstrom, Krümmerlufttemperatur, Umgebungsbedingungen (wie etwa Umgebungstemperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit), Motorkühlmitteltemperatur etc. gehören. Zum Beispiel kann der Luftdruck durch einen Drucksensor, wie etwa den Drucksensor 58 aus 1, gemessen werden.
Bei 204 beinhaltet das Verfahren 200 Bestimmen, ob Aufladung angefordert ist. In einem Beispiel kann Aufladung bei mittelhohen Motorlasten angefordert sein. In einem anderen Beispiel kann Aufladung als Reaktion auf eine Pedalbetätigung durch einen Fahrzeugführer oder eine Zunahme des Drehmomentbedarfs des Fahrers angefordert sein. Falls keine Aufladung angefordert ist, wie etwa, wenn die Motorlast gering ist oder der Drehmomentbedarfs des Fahrers gering ist, geht das Verfahren 200 zu 206 über und beinhaltet Betreiben des Motors mit Selbstansaugung (z. B. Krümmervakuum). Betreiben des Motors mit Selbstansaugung kann beinhaltet, dass die stufenweise angeordneten Aufladevorrichtungen nicht angeschaltet werden. Zum Beispiel kann ein Elektromotor zum Antreiben des elektrischen Kompressors (z. B. der Elektromotor 108) nicht mit Leistung versorgt werden und dem Turbolader-Wastegate-Aktor die vollständig offene Stellung befohlen werden, um einen Teil des Abgases durch das Wastegate zu leiten, während eine Turbine des Turboladers (z. B. die Turbine 116 aus 1) umgangen wird. Im Anschluss an 206 endet das Verfahren 200. Falls bei 204 Aufladung angefordert ist, wie etwa als Reaktion auf ein Pedalbetätigungsereignis, geht das Verfahren 200 zu 208 über und beinhaltet Erzeugen eines Gesamtdruckverhältnisbefehls für die langsamere Primärverdichtungsvorrichtung auf Grundlage des Drehmoment-/Aufladungsbedarfs des Fahrzeugführers. Hier handelt es sich bei dem Gesamtdruckverhältnis um ein gewünschtes Druckverhältnis im Beharrungszustand, das der Primärverdichtungsvorrichtung befohlen und allmählich durch diese erreicht wird. Das befohlene Gesamtdruckverhältnis kann als $\frac{P_{2}^{*}}{P_{0}}$
definiert sein, wobei $P_{2}^{*}$
einen gewünschten Drosseleinlassdruck oder einen gewünschten Druck an dem Auslass des mehrstufigen Aufladesystems darstellt. In einem Beispiel handelt es sich hierbei um den Druck an dem Auslass der langsamer wirkenden Primärverdichtungsvorrichtung, wie etwa den Auslassdruck eines Turboladerverdichters. P₀ stellt einen Einlassdruck des mehrstufigen Aufladesystems oder einen Luftdruck dar. In einem Beispiel handelt es sich hierbei um den Druck an dem Einlass der schneller wirkenden Hilfsverdichtungsvorrichtung, wie etwa den Einlassdruck eines elektrischen Kompressorverdichters. In einer Konfiguration, bei der die Hilfsverdichtungsvorrichtung stufenweise stromaufwärts von der Primärverdichtungsvorrichtung angeordnet ist, kann der tatsächliche Auslassdruck der Primärverdichtungsvorrichtung, P₂ (wie z. B. durch einen TIP-Sensor gemessen), folgendermaßen beschrieben werden: $P_{2} = P_{0} \times \frac{P_{1}}{P_{0}} \times \frac{P_{2}}{P_{1}}$
wobei P₁ ein Auslassdruck der Hilfsverdichtungsvorrichtung ist, wobei es sich zudem um einen Einlassdruck der Primärverdichtungsvorrichtung handelt. P₂ entspricht zudem einem Gesamtladedruck, der über die stufenweise angeordneten Aufladevorrichtungen erreicht wird.
Wie der vorstehenden Gleichung entnommen werden kann, ist $\frac{P_{1}}{P_{0}}$
ein Druckverhältnis über der Hilfsverdichtungsvorrichtung und $\frac{P_{2}}{P_{1}}$
ein Druckverhältnis über der Primärverdichtungsvorrichtung. Mit anderen Worten ist das Gesamtdruckverhältnis über dem System das Produkt der Druckverhältnisse über jedem Verdichter in Reihe. Das Druckverhältnis stellt die Leistungsfähigkeit der Aufladevorrichtung (z. B. des elektrischen Kompressors, Turboladers oder mehrstufigen Aufladesystems) dar. Der Drosseleinlassdruck kann jedoch den Aufladungsbeitrag von jeder Vorrichtung nicht voneinander trennen. Somit kann durch Koordinieren der jeder Aufladevorrichtung befohlenen Druckverhältnisse gemeinsam mit einem gewünschten Druckverhältnis P₂*/P₀ im Beharrungszustand das Einschwingladeverhalten verbessert werden.
In einem Beispiel kann die Steuerung den Gesamtdruckverhältnisbefehl erzeugen, indem sie P₀ auf Grundlage einer Ausgabe eines Luftdrucksensors schätzt. Die Steuerung kann ferner P₂* auf Grundlage einer Ausgabe eines Positionssensors für das Fahrpedal des Fahrzeugführers schätzen. Die Steuerung kann auf eine Lookup-Tabelle Bezug nehmen, in der der Soll-Ladedruck in Abhängigkeit von der Pedalposition gespeichert ist, wie etwa zunehmender Soll-Ladedruck bei erhöhtem Niederdrücken des Fahrpedals (verstärkter Bewegung der Pedalposition in Richtung einer vollständig niedergedrückten Position). Alternativ kann die Steuerung ein Modell oder einen Algorithmus verwenden, das bzw. der die Pedalposition als Eingabe verwendet und den Soll-Ladedruck als Ausgabe bereitstellt. Dann kann der Druckbefehl als P₂*/P₀ bestimmt werden.
In einem Beispiel kann der Turbolader so gesteuert werden, dass er den gesamten angeforderten Ladedruck, $P_{2}^{*}$
abgibt. Deshalb kann das Gesamtdruckverhältnis, das dem Turboladerverdichter befohlen wird, folgendermaßen bestimmt werden: $\frac{P_{2}}{P_{1}} \to \frac{P_{2}^{*}}{P_{0}} o d e r P_{2} \times \frac{P_{0}}{P_{1}} \to P_{2}^{*}, w e n n lim_{t \to \infty} \frac{P_{1}}{P_{0}} = 1$
wobei t die Zeit darstellt.
Bei 210 beinhaltet das Verfahren Einstellen eines Ladedruckaktors der langsamer wirkenden Primärverdichtungsvorrichtung auf Grundlage des erzeugten Gesamtdruckverhältnisbefehls. Wenn zum Beispiel die Primärverdichtungsvorrichtung ein Turbolader ist, kann die Steuerung einen Befehl für ein über die Abgasturbine gekoppeltes Wastegate auf Grundlage des erzeugten Gesamtdruckverhältnisbefehls erzeugen. Der Befehl für das Wastegate kann einen Öffnungsgrad des Wastegates angeben, der an einen Wastegate-Aktor gesendet wird. In einem Beispiel kann der befohlene Öffnungsgrad des Wastegates verringert werden, wenn der Gesamtdruckverhältnisbefehl zunimmt. Zum Beispiel kann das Wastegate bei Druckverhältnisbefehlen über einem Schwellenwert vollständig geschlossen werden.
In einem Beispiel kann die Steuerung den Gesamtdruckverhältnisbefehl und MAF (wie von einem Einlass-MAF-Sensor bestimmt) in eine Lookup-Tabelle (oder ein Modell oder einen Algorithmus) eingeben, die eine Position des Turbolader-Wastegate-Aktors ausgibt, wobei die Position des Turbolader-Wastegate-Aktors einer Turbinendrehzahl und einer entsprechenden Turboladerverdichterdrehzahl entspricht. In einem anderen Beispiel kann die Steuerung ein Verdichterkennfeld referenzieren, um eine gewünschte Turboladerverdichterdrehzahl für das befohlene Gesamtladedruckverhältnis und die gegebenen Luftstrombedingungen zu bestimmen, und sie kann ferner die daraus resultierende Turboladerverdichterdrehzahl mit einer entsprechenden Position des Turbolader-Wastegate-Aktors in Beziehung setzen. Ferner kann das tatsächliche Turboladerdruckverhältnis, $\frac{P_{2}}{P_{1}},$
als Rückkopplung für die Wastegate-Steuerung verwendet werden. Zum Beispiel kann der Turbolader-Wastegate-Aktor auf eine weiter offene Position eingestellt werden, wenn das tatsächliche Turboladerdruckverhältnis zunimmt. Zusätzlich oder alternativ können, falls sich der Turbolader innerhalb eines Schwellenbereichs vom Pumpen befindet, die Öffnungen von einem oder beidem von dem CRV und dem Wastegate-Aktor vergrößert werden.
Es versteht sich, dass in weiteren Beispielen das befohlene Gesamtdruckverhältnis eingestellt (z. B. begrenzt) werden kann, um etwaige mechanische Einschränkungen des aufgeladenen Motorsystems zu berücksichtigen, wie etwa Temperatur-, Druck- oder Drehzahleinschränkungen der Primärverdichtungsvorrichtung, über welchen (über welcher Temperatur, welchem Druck oder welcher Drehzahl) die Leistung der Primärverdichtungsvorrichtung nachteilig beeinflusst werden kann, wie etwa aufgrund von Hardwareproblemen. In einem Beispiel kann, falls vorhergesagt ist, dass das befohlene Gesamtdruckverhältnis nur auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrzeugführers zu einer Verdichtereinlass- oder -auslasstemperatur (der Primärverdichtungsvorrichtung) führt, die über einer Schwellentemperatur liegt, bei der die Hardware der Primärverdichtungsvorrichtung beeinträchtigt wird, die Steuerung das befohlene Gesamtdruckverhältnis mit einem Faktor auf Grundlage der Differenz zwischen der vorhergesagten Temperatur und der Schwellentemperatur reduzieren.
Aufgrund der langsameren Reaktionszeit der Primärverdichtungsvorrichtung, hier des Turboladers, kann zeitweise ein Ladedruckdefizit vorliegen. Zum Beispiel kann das Defizit darauf zurückgehen, dass die Ladedruckzufuhr im Beharrungszustand erfordert, dass die Turbine hochgedreht ist, bevor sie den Turboladerverdichter antreiben kann. Bei 212 beinhaltet das Verfahren Schätzen des Ladedruckdefizits und eines entsprechenden Luftstromfehlbetrags an der Primärverdichtungsvorrichtung. Zum Beispiel kann das Ladedruckverhältnisdefizit (Π*) des Turboladers folgendermaßen definiert sein: $Π^{*} = \frac{\frac{P_{2}^{*}}{P_{0}}}{\frac{P_{2}}{P_{1}}}$
Die Steuerung kann den Ladedruckmangel in Abhängigkeit (z. B. als Verhältnis oder Differenz) von dem tatsächlichen Druckverhältnis über der Primärverdichtungsvorrichtung in Bezug auf das gewünschte oder befohlene Druckverhältnis berechnen. Das tatsächliche Druckverhältnis kann als der Verdichtereinlassdruck der Primärverdichtungsvorrichtung in Bezug auf den tatsächlichen Drosseleinlassdruck bestimmt werden. Dieser Ladedruckmangel spiegelt den Luftstromfehlbetrag an der Primärverdichtungsvorrichtung wider und wird dazu verwendet, der Hilfsverdichtungsvorrichtung einen Druckverhältnisbefehl zuzuweisen.
Wenn die Hilfsverdichtungsvorrichtung zum Beispiel ein elektrischer Kompressor ist, wird das dem elektrischen Kompressor befohlene Druckverhältnis dynamisch auf Grundlage der Leistungsfähigkeit des Turboladers eingeplant (die von dem tatsächlichen Druckverhältnis des Turboladers, P₂/P₁, abgeleitet wird). Dies ermöglicht, dass der Steuerung das genaue Ladedruckdefizit in Echtzeit bekannt ist, wenn die Turbine hochdreht, und sie einen Drehzahlbefehl für den elektrischen Kompressor (n_eSC) reguliert, um das Defizit zu reduzieren. Zusätzlich kann die Steuerung die Systemdynamik mit geschlossenem Kreis formen, indem ihr das Druckverhältnis des elektrischen Kompressors (P₁/P₀) bekannt ist, wie hier beschrieben.
Zum Beispiel ist der gewünschte Sollwert für das Druckverhältnis des elektrischen Kompressors $(\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}})$
als Π* definiert, wobei eine Einschränkung für das Druckverhältnis des Turboladers vorliegt, die folgendermaßen gezeigt ist: $\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}} = \frac{\frac{P_{2}^{*}}{^{P_{0}}}}{max {1, \frac{P_{2}}{P_{1}}}}$
Die Einschränkung ist enthalten, um zu verhindern, dass der gewünschte Sollwert für das Druckverhältnis das gewünschte Gesamtdruckverhältnis des Systems übersteigt, falls P₁ > P₂, was kurz nach einer Öffnung der Drossel geschehen könnte.
Bei 214 beinhaltet das Verfahren Erzeugen eines Druckverhältnisbefehls für die schnellere Hilfsverdichtungsvorrichtung. In einem Beispiel wird der Druckverhältnisbefehl auf Grundlage des Druckverhältnisdefizits erzeugt. In einem anderen Beispiel wird der Druckverhältnisbefehl auf Grundlage des entsprechenden Luftstromfehlbetrags erzeugt. Zum Beispiel kann die Steuerung einen Einlassdruck des elektrischen Kompressors (z. B. auf Grundlage eines gemessenen Luftdrucks) schätzen und eine Lookup-Tabelle, ein Modell oder einen Algorithmus verwenden, um einen gewünschten Auslassdruck des elektrischen Kompressors zu berechnen, der den Luftstromfehlbetrag deckt. Der Druckbefehl für den elektrischen Kompressor kann dann als Verhältnis des tatsächlichen Einlassdrucks in Bezug auf den gewünschten Auslassdruck bestimmt werden.
Bei 216 beinhaltet das Verfahren Befehlen von elektrischer Unterstützung an die Hilfsverdichtungsvorrichtung. Insbesondere kann die Steuerung der Hilfsverdichtungsvorrichtung, wie etwa dem elektrischen Kompressor, in Abhängigkeit von dem Druckverhältnisbefehl auf Grundlage des Defizits positives Elektromotordrehmoment von dem Elektromotor befehlen. In einem Beispiel beinhaltet Befehlen des positiven Elektromotordrehmoments, dass eine Verdichterdrehzahl des elektrischen Verdichters geschätzt wird, die den gewünschten Verdichterauslassdruck an dem elektrischen Kompressor bereitstellt, wie etwa über eine Lookup-Tabelle, ein Kennfeld oder einen Algorithmus, und dann eine Elektromotordrehzahl des Elektromotors (oder ein Grad von elektrischer Unterstützung) geschätzt wird, die die geschätzte Verdichterdrehzahl bereitstellt. Die Steuerung kann dann einen dem Elektromotor befohlenen Arbeitszyklus einstellen, um den Elektromotor mit der erforderlichen Elektromotordrehzahl zu betreiben.
Als Nächstes kann bei 218 der tatsächliche Ladedruck mit dem Sollwert für den Drosseleinlassdruck verglichen werden, um zu bestimmen, ob der tatsächliche Ladedruck innerhalb eines Schwellenwerts von dem Sollwert für den Drosseleinlassdruck (TIP) liegt. Zum Beispiel kann bestimmt werden, ob der Auslassdruck des Turboladers innerhalb eines Schwellenwerts von dem gewünschten TIP liegt, wie etwa, wenn eine Differenz zwischen dem Auslassdruck und dem gewünschten TIP kleiner als ein Schwellenwert ist. In einem alternativen Beispiel kann ein Verhältnis des Auslassdrucks des Turboladers mit dem Sollwert für den Drosseleinlassdruck verglichen werden. Falls die Differenz (oder das Verhältnis) nicht innerhalb des Schwellenwerts liegt, dann stellt die Steuerung bei 220 weiterhin dynamisch die Zuweisung von Druckverhältnissen über die Primär- und Hilfsverdichtungsvorrichtung ein. Insbesondere kann, wenn die Turbine hochdreht und die Leistungsfähigkeit des Turboladers zur Aufladung zunimmt, das Druckverhältnis über dem Turbolader damit beginnen, sich dem befohlenen Druckverhältnis anzunähern, der Fehlbetrag damit beginnen, zurückzugehen, und dementsprechend das an dem elektrischen Kompressor befohlene Druckverhältnis (und die elektrische Unterstützung) verringert werden.
Auf diese Art und Weise stellt die Steuerung die Hilfsverdichtungsvorrichtung in Echtzeit kontinuierlich auf Grundlage der tatsächlichen Leistungsfähigkeit der Primärverdichtungsvorrichtung ein. Die Steuerung kann ein dynamisch zugewiesenes Modul, wie hier näher bei 5 beschrieben, zum Einstellen der Druckverhältnisse verwenden. Folglich läuft beim Hochdrehen des langsamer reagierenden Turboladers die gewünschte Unterstützung von dem schneller reagierenden elektrischen Kompressor allmählich aus. Wenn der Turbolader schließlich dazu in der Lage ist, die gesamte gewünschte Aufladung zu tragen, ist keine Unterstützung von dem elektrischen Kompressor erforderlich. Ein Beispiel für die dynamische Zuweisung der Druckverhältnisse und das daraus resultierende beschleunigte Erreichen des Soll-Ladedrucks mit minimaler Abhängigkeit von elektrischer Unterstützung ist hier unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Es wird kurz auf 3 Bezug genommen, in der das Kennfeld 300 das Druckverhältnis über der y-Achse und die Zeit entlang der x-Achse darstellt. Das befohlene Gesamtdruckverhältnis, das auf dem durch P*₂/P₀ dargestellten Drehmomentbedarf beruht, ist durch die gestrichelte Linie 302 dargestellt. Demnach handelt es sich hierbei um das Druckverhältnis, das der Primärverdichtungsvorrichtung befohlen wird. Das durch P₂/P₁ dargestellte tatsächliche Druckverhältnis der Primärverdichtungsvorrichtung ist durch die gestrichelte Linie 304 dargestellt und gibt die Leistungsfähigkeit der Primärverdichtungsvorrichtung zur Aufladung an. Diese ändert sich im Zeitablauf und nimmt aufgrund der langsameren Reaktionszeit der Primärverdichtungsvorrichtung allmählich auf den Wert im Beharrungszustand zu, der befohlen wurde. Ein durch π*(unbegrenzt) dargestelltes zwischenzeitliches Druckverhältnisdefizit ist durch die gestrichelte Linie 306 dargestellt. Die begrenzte Version dieses Druckdefizits wird dazu verwendet, das Druckverhältnis einzuplanen, das der Hilfsverdichtungsvorrichtung befohlen wird, die die schnellere Reaktionszeit aufweist. Das durch P*₁/P₀ dargestellte Gesamtdruckverhältnis, das der Hilfsverdichtungsvorrichtung befohlen wird, ist durch die durchgezogene Linie 308 dargestellt.
Als Reaktion auf den Drehmomentbedarf wird ein Gesamtdruckverhältnisbefehl 302 bestimmt und der Primärverdichtungsvorrichtung befohlen. Aufgrund der langsamen Reaktionszeit der Primärverdichtungsvorrichtung (z. B. Turboloch) ist jedoch das tatsächlich an der Primärverdichtungsvorrichtung erreichte Druckverhältnis 304 geringer, und das Druckverhältnisdefizit 306 kann anfangs erheblich sein. Falls dieses Druckverhältnisdefizit nicht angegangen wird, wirkt sich dies nachteilig auf das Einschwingladeverhalten aus. Das Druckverhältnisdefizit wird dadurch gedeckt, dass der Hilfsverdichtungsvorrichtung ein Druckverhältnis 308 befohlen wird. Insbesondere wird der Hilfsverdichtungsvorrichtung während des anfänglichen Teils des Ladeverhaltens ein größerer Anteil des Gesamtdruckverhältnisses befohlen, da es an der Primärverdichtungsvorrichtung zu dem größeren Druckverhältnisdefizit gekommen ist. Wenn die Primärverdichtungsvorrichtung dann hochdreht, wird ein größerer Anteil des Gesamtdruckverhältnisses durch die Primärverdichtungsvorrichtung zugeführt und der Beitrag der Hilfsverdichtungsvorrichtung dynamisch reduziert, indem das der Hilfsverdichtungsvorrichtung befohlene Druckverhältnis ausläuft. Infolgedessen wird die Gesamtabhängigkeit von elektrischer Unterstützung minimiert, während das Einschwingladeverhalten verbessert wird.
Falls zurück bei 2 bei 218 der Ladedruck innerhalb des Schwellenwerts von dem Soll-TIP liegt, aber immer noch unter dem Soll-TIP, dann beinhaltet das Verfahren bei 222 Bereitstellen von negativem Elektromotordrehmoment von dem Elektromotor an die Hilfsverdichtungsvorrichtung. Dies ermöglicht, dass der Ladedruck auf den Soll-TIP ausläuft, was die Wahrscheinlichkeit von Drucküberschwingen reduziert. Zusätzlich wird die elektrische Unterstützung von dem Elektromotor früher reduziert, was die Kraftstoffökonomie verbessert. Darüber hinaus wird durch das Betreiben des Elektromotors als Generator in einem Bereich, in dem Drucküberschwingen eintreten könnte, die Energierückgewinnung über den Elektromotor ermöglicht, was die Kraftstoffökonomie weiter verbessert, während zudem das Ladeverhalten verbessert wird. Die Steuerung kann ein Lead-Kompensatormodul verwenden, wie hier näher bei 5 beschrieben, um die zeitliche Abstimmung (z. B. in Bezug auf Turbinendrehzahl oder Ladedruck) zu bestimmen, mit der die elektrische Unterstützung von dem Elektromotor unterbrochen wird, und wann der Elektromotor dazu übergeht, als Generator betrieben zu werden. In einem Beispiel kann der Elektromotor als Generator mit einer Drehzahl gedreht werden, die auf dem vorhergesagten Überschwingen beruht. Dann endet die Routine.
Wie an früherer Stelle erwähnt, kann das mehrstufige Aufladesystem folgendermaßen beschrieben werden: $P_{2} = P_{0} * \frac{P_{1}}{P_{0}} * \frac{P_{2}}{P_{1}}$
wobei P₀ der Einlassdruck der ersten Aufladevorrichtung ist und P₁, P₂ der Auslassdruck aus der ersten und zweiten Aufladevorrichtung (TIP) sind. $P_{1}^{*}, P_{2}^{_{*}^{}}$
bezeichnen den gewünschten Drucksollwert für die erste und zweite Aufladevorrichtung. In der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist die erste Aufladevorrichtung eine Einschwingvorrichtung (Hilfsvorrichtung), wie etwa der elektrische Kompressor, und die zweite Aufladevorrichtung die Hauptvorrichtung, wie etwa der Turbolader. Die Steuerreferenz der ersten Aufladevorrichtung wird folgendermaßen bestimmt: $\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}} = \frac{P_{2}^{*}}{P_{0}} * m i n {1, \frac{P_{1}}{P_{2}}} o d e r P_{1}^{*} = P_{2}^{*} * m i n {1, \frac{P_{1}}{P_{2}}}$
Eine Begrenzung ist enthalten, um zu verhindern, dass der gewünschte Drucksollwert für die erste Aufladevorrichtung den der zweiten Aufladevorrichtung übersteigt, falls P₁ > P₂, was kurz nach einer Öffnung der Drossel geschehen könnte. Die Hauptaufladevorrichtung ist zum Zuführen des gesamten gewünschten Ladedrucks erforderlich. Deshalb besteht das Ziel für den $P_{2}^{*}$
der zweiten Vorrichtung darin, ungeachtet des Zustands der Hilfsvorrichtung stets das gesamte Druckverhältnis (vom Umgebungsdruck) bereitzustellen. In diesem Fall gilt: $\frac{P_{2}}{P_{1}} \to \frac{P_{2}^{*}}{P_{0}} o d e r P_{2} * \frac{P_{0}}{P_{1}} \to P_{2}^{*}, w e n n lim_{t \to \infty} \frac{P_{1}}{P_{0}} = 1$
Demnach kann eine Basissteuerung so überschrieben werden, dass sie die Hilfsaufladevorrichtung nicht betreibt oder die Hilfsaufladevorrichtung auf kontinuierliche Weise betreibt und umgekehrt für die Hauptaufladevorrichtung.
Falls die Steuerung konservativ kalibriert ist, um Überschwingen von P₂ zu minimieren, kann das Ladedruckverhalten langsamer werden als die maximale Leistungsfähigkeit des Systems. Daher wird durch Verwenden eines Lead-Kompensators gemeinsam mit aggressiver Kalibrierung der Steuerung das Einschwingverhalten des Aufladesystems verbessert. In der Zwischenzeit fordert der Lead-Kompensator eine Drehzahlreduktion an, bevor sich P₂ an $P_{2}^{*}$
annähert. Der Befehl ermöglicht den Energierückgewinnungsmodus des Elektromotors, was das Fenster zur Energierückgewinnung maximiert.
Der Lead-Kompensator im Laplace-Bereich kann folgendermaßen ausgedrückt werden: $\frac{Y (S)}{U (S)} = \frac{α s + 1}{τ s + 1}$
Die Eingabe U ist der Druckverhältnisfehler des elektrischen Kompressors: $U = \frac{P_{1}^{*}}{P_{0}} - \frac{P_{1}}{P_{0}}$
Um dies in das diskrete System einzusetzen, wird die folgende Umwandlung abgeleitet: $x_{k} = (1 - f) x_{k - 1} + f u_{k}, f = \frac{T_{S}}{τ + T_{S}}$
$y_{k} = (1 - r) x_{k} + r u_{k}, r = \frac{α}{τ} \geq 1$
wobei f die Zeitkonstante im diskreten Bereich ist, r das Lead-Verhältnis ist und T_S die Ausführungsrate ist.
Die Ausgabe des Lead-Kompensators ist begrenzt, um die Vorgabe des Bereichs für Lead-Wirkungen auf U in zunehmender oder abnehmender Richtung zu ermöglichen. $\tilde{y_{k}} = B e g r e n z u n g (u_{k} - Δ_{1}, y_{k}, u_{k} + Δ_{2})$
Ein Beispiel für die Lead-Kompensation des Druckverhältnisses an dem elektrischen Kompressor und die daraus resultierende Reduktion von Drucküberschwingen und beschleunigte Ermöglichung von Energierückgewinnung an dem Elektromotor ist hier unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Es wird kurz auf 4 Bezug genommen, in der das Kennfeld 400 darstellt, wie Lead-Kompensation gemeinsam mit dynamischer Druckverhältniszuweisung verwendet wird, um das Einschwingladeverhalten zu verbessern, während die Gelegenheiten zur Energierückgewinnung maximiert werden. Das Kennfeld 400 beinhaltet die Kennfelder 402 und 404. Das Kennfeld 404 stellt Änderungen bei einer elektrischen Unterstützung, die einem elektrischen Kompressor (über die y-Achse) befohlen wird, im Zeitablauf (entlang der x-Achse) in Bezug auf die Zuweisung eines Druckverhältnisses (über die y-Achse) über das gleiche Zeitfenster (entlang der x-Achse) zwischen einem Turbolader und einem elektrischen Kompressor, die in dem Kennfeld 402 dargestellt ist, dar. Das befohlene Gesamtdruckverhältnis, das auf dem durch P₂*/P₀ dargestellten Drehmomentbedarf beruht, ist durch die durchgezogene Linie 408 dargestellt. Demnach handelt es sich hierbei um das Druckverhältnis, das der Primärverdichtungsvorrichtung, hier einem Turbolader, befohlen wird. Das durch P₂/P₀ dargestellte tatsächliche Druckverhältnis, das ohne Lead-Kompensation (ohne LK) über das mehrstufige Aufladungssystem erreicht wird, ist durch den Verlauf 410 dargestellt und ist mit dem mit Lead-Kompensation (mit LK) erreichten P₂/P₀ zu vergleichen, das durch Verlauf 412 dargestellt ist. Die dem elektrischen Kompressor ohne Lead-Kompensation (ohne LK) befohlene Elektromotordrehzahl ist bei Verlauf 430 gezeigt und ist mit dem Elektromotordrehzahlbefehl mit Lead-Kompensation (mit LK) zu vergleichen, der durch Verlauf 434 dargestellt ist. Der Teil des Elektromotordrehzahlbefehls, der über das Lead-Kompensatormodul der Steuerung empfangen wird, ist bei Verlauf 432 gezeigt.
Vor t1 arbeitet der Motor ohne Aufladung und deshalb ist das befohlene Druckverhältnis gering. Bei t1 nimmt als Reaktion auf eine Zunahme des Drehmomentbedarfs des Fahrzeugführers die Ladedruckanforderung zu. Infolgedessen nimmt der Gesamtdruckverhältnisbefehl (408) zu, der auf Grundlage des Drehmomentbedarfs erzeugt wird. Dabei handelt es sich um das Signal, das dem Turbolader zum Erreichen eines Soll-TIP im Beharrungszustand befohlen wird. Aufgrund der langsamen Reaktionszeit des Turboladers liegt jedoch zeitweise ein Druckverhältnisdefizit vor, das dadurch gedeckt wird, dass der elektrische Kompressor betätigt wird und dynamisch ein größerer Teil des befohlenen Gesamtdruckverhältnisses dem elektrischen Kompressor zugewiesen wird. Insbesondere wird dem elektrischen Kompressor bei t1 ein Druckverhältnisbefehl in Abhängigkeit von dem Ladedruck zugeführt (z. B. auf Grundlage des entsprechenden Luftstromdefizits), der aus dem langsamen Verhalten des Turboladers hervorgeht. Dementsprechend wird die Elektromotordrehzahl des elektrischen Kompressors erhöht (430, 434), was zu einer Zunahme des Druckverhältnisses über dem Kompressor führt. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet der Elektromotor in einem Motormodus, um dem Kompressor Energie bereitzustellen.
Wenn die Turbine hochdreht, ist sie dazu in der Lage, für einen größeren Teil des Gesamtdruckverhältnisbefehls aufzukommen. Nach t2, wenn das Druckverhältnis an dem Turbolader innerhalb eines Schwellenwerts von dem Gesamtdruckverhältnis liegt, aber immer noch unter dem Gesamtdruckverhältnis, sendet das Lead-Kompensatormodul ein Signal (432) an den Elektromotor, um die Elektromotordrehzahl zu verringern und negatives Elektromotordrehmoment bereitzustellen. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet der Elektromotor in einem Generatormodus, um Energie aus dem Kompressor zurückzugewinnen. Infolge der zeitlichen Abstimmung der Lead-Kompensation, bevor der Sollwert für das Gesamtdruckverhältnis erzielt wird, läuft das Druckverhältnis an dem Turbolader (412) auf das Soll-Druckverhältnis aus. Würde die Lead-Kompensation nicht bereitgestellt, so würde das Druckverhältnis an dem Turbolader (410) das Gesamtdruckverhältnis überschwingen (das bedeutet, P₂/P₀ würde P₂*/P₀ übersteigen), was zu einem Drehmomentfehler führt. Dies kann sich auf das Fahrverhalten auswirken. Zudem wird infolge der zeitlichen Abstimmung der Lead-Kompensation, bevor der Sollwert für das Gesamtdruckverhältnis erzielt wird, das Druckverhältnis an dem Kompressor rechtzeitig verringert. Würde die Lead-Kompensation nicht bereitgestellt, so würde das Druckverhältnis an dem Kompressor (420) ebenfalls das befohlene Druckverhältnis überschwingen (das bedeutet, P₁/P₀ würde P₁*/P₀ übersteigen). Dies würde nicht nur zu einem Rückgang der Kraftstoffökonomie führen, da der elektrische Kompressor länger als erforderlich betrieben würde, sondern es würde aufgrund der verpassten Gelegenheit zur Energierückgewinnung ein zusätzlicher Rückgang der Kraftstoffökonomie eintreten. Stattdessen wird dadurch, dass die Lead-Kompensation früher bereitgestellt wird, das Drucküberschwingen durch Absorbieren von Drehmoment an dem Elektromotor angegangen. Infolgedessen wird das Einschwingverhalten des aufgeladenen Motors insgesamt verbessert, während zudem das Fenster zur Energierückgewinnung des Elektromotors erweitert wird.
Es versteht sich, dass der elektrische Kompressor die Einschwingvorrichtung sein kann, die nicht kontinuierlich gesteuert wird. Eine übergeordnete Steuerung kann den Betrieb des elektrischen Kompressors und des Umgehungsventils des elektrischen Kompressors koordinieren. Die Hauptaufgabe der übergeordneten Steuerung kann darin bestehen, zu bestimmen, wann der elektrische Kompressor und das Umgehungsventil des elektrischen Kompressors anzuschalten und abzuschalten sind, um Steueranforderungen zur erfüllen, was Systemeinschränkungen und Hardwareschutz unterliegt. Auf einer höheren Ebene wird der elektrische Kompressor angeschaltet und das Umgehungsventil geschlossen, wenn die Anschaltkriterien erfüllt sind und keine Systemfehler beobachtet werden. Sobald die Abschaltkriterien erfüllt sind oder Systemfehler beobachtet werden, wird der elektrische Kompressor abgeschaltet und das Umgehungsventil geöffnet.
Es können mehrere Erwägungen bei der Gestaltung der Anschaltstrategie vorgenommen werden. Erstens kann die Steuerung den elektrischen Kompressor nur dann anschalten, wenn dies notwendig ist, wie etwa, wenn das Fahrverhalten des Fahrzeugs aufgrund des langsamen Verhaltens des Turboladers inakzeptabel ist. Zweitens kann eine proaktive Wirkung gewünscht sein, falls die Strategie nicht warten muss, bis ein inakzeptables Fahrverhalten beobachtet wird. Zuletzt zielt die Steuerung darauf ab, die unerwünschte Anschaltung für Umentscheidungsereignisse des Fahrers zu reduzieren.
Da das Ladedruckverhältnisdefizit (Π*) als Index zum Bestimmen des Fahrerbedarfsdefizits (das das Fahrverhalten darstellt) verwendet werden kann, kann die proaktive Wirkung dadurch erreicht werden, dass die Änderungsrate von Π* betrachtet wird und der Schwellenwert (f₂) zur Anschaltung folgendermaßen in Abhängigkeit von Π* bestimmt wird: $\frac{d (Π^{*})}{d t} > f_{2} (Π^{*})$
Zwei Tiefpassfilter erster Ordnung (H_lp) sowohl an Π* als auch $\frac{d (Π^{*})}{d t}$
werden folgendermaßen hinzugefügt, um „falsch positive“ Anschaltung während der Umentscheidungsereignisse des Fahrers abzuschwächen, wie etwa, wenn der Fahrer das Fahrpedal aggressiv niederdrückt, aber den Befehl schnell entfernt: $H_{l p_k_{1,2}} = (1 - h_{1,2}) H_{l p_k_{1,2} - 1} + h_{1,2} Π_{k}^{*}$
$h_{1,2} = \frac{T_{S}}{τ_{1,2} + T_{S}}$
wobei h_1,2 die zwei Zeitkonstanten im diskreten Bereich sind.
Die Anschaltstrategie ist über eine beispielhafte Beschleunigungstrajektorie in 7 veranschaulicht. Die in dem Kennfeld 700 gezeigten Trajektorien sind so konstruiert, dass die x-Achse das gefilterte Ladedruckdefizit darstellt und die y-Achse die gefilterte Änderungsrate des Ladedruckdefizits darstellt. Der durch die durchgezogene Linie 702 dargestellte Anschaltschellenwert wird in Abhängigkeit von dem gefilterten Π* bestimmt. Die Beschleunigungstrajektorie, wenn elektrische Unterstützung von dem Elektromotor nicht erforderlich ist, ist durch leere Kreise 706 gezeigt. Die Beschleunigungstrajektorie, wenn elektrische Unterstützung von dem Elektromotor erforderlich ist, ist durch ausgefüllte Kreise 704 gezeigt. Die Kalibrierung zeigt, dass der elektrische Kompressor angeschaltet wird, wenn die Änderungsrate des Π* hoch ist, auch wenn das absolute Π* gering ist. Falls andererseits Π* allmählich so entwickelt wird, dass es ein inakzeptables Niveau erreicht, schaltet die Strategie den elektrischen Kompressor an. Die Hauptkriterien zum Abschalten des elektrischen Kompressors bestehen darin, dass der Turbolader dazu in der Lage ist, die gewünschte Aufladung zu tragen, oder das Ladedruckdefizit reduziert ist und unter einem Schwellenwert liegt, wie etwa, wenn Folgendes gilt: $Π^{*} \leq α$
wobei α eine kalibrierbare Konstante ist.
Es versteht sich, dass sich die vorstehend erörterten Beispiel zwar auf eine Konfiguration beziehen, die einen Turbolader beinhaltet, der an einen elektrischen Kompressor gekoppelt ist, dies jedoch nicht einschränkend sein soll. In anderen Beispielen kann der Turbolader mit elektrischer Unterstützung konfiguriert sein (z. B. als E-Turbo, der einen Elektromotor aufweist, der an den Verdichter, die Turbine oder die Turboladerwelle gekoppelt ist). Weitere Beispiele können sich auf aufgeladene Motoren beziehen, die stufenweise angeordnete Kompressoren oder stufenweise angeordnete Turbolader aufweisen, von denen mindestens einer elektrische Unterstützung aufweist.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen, in der ein Blockdiagramm einer beispielhaften Steuerarchitektur für ein mehrstufiges Aufladesystem gezeigt ist, das eine höherfrequente Verdichtungsvorrichtung mit elektrischer Unterstützung und eine niederfrequente Verdichtungsvorrichtung aufweist. Zum Beispiel kann die Steuerarchitektur auf ein Motorsystem angewendet werden, das einen elektrischen Kompressorverdichter (z. B. den ersten Verdichter 110 aus 1) aufweist, der stromaufwärts von einem Turboladerverdichter (z. B. dem zweiten Verdichter 114 aus 1) an den Ansaugkanal eines Motors gekoppelt ist. Die Steuerarchitektur kann durch eine Steuerung (z. B. die Steuerung 12 aus 1) verwendet werden, während sie ein Steuerverfahren durchführt, wie etwa das Verfahren 200 aus 2, um die Ladedruckzufuhr zu regulieren.
Die Steuerung des elektrischen Kompressors (C₁ ) beinhaltet einen dynamischen Zuweiser (D₁ ), der die gewünschte Ladedrucksteuerreferenz zuteilt; eine Zustandsmaschine (A₁ ), die den Betrieb des elektrischen Kompressorsystems verwaltet; eine Steuerung mit geschlossenem Kreis (I₁ ), die aus einer modellbasierten Vorsteuerungsfunktion (F₁ ) und einer Rückkopplungssteuerung (H₁ ) zum Berechnen des gewünschten Drehzahlbefehls für den elektrischen Kompressor besteht.
Die Vorsteuerwirkung (n_{eSC_ff}) des elektrischen Kompressors beruht auf dem Verdichterkennfeld für den Beharrungszustand, das durch den Zulieferer bereitgestellt wird. Das Verdichterkennfeld ist umgewandelt, um die gewünschte Verdichterdrehzahl auf Grundlage der Eingaben des korrigierten Massenstroms (ṁ_corr) und gewünschten Druckverhältnisses $(\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}})$
nachzusehen. $n_{e S C_f f} = f_{1} (\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}}, {\dot{m}}_{c o r r})$
Der Massenstrom (ṁ) wird als der gewünscht Zylinderluftstrom geschätzt und dann auf den Referenzdruck (P_ref) und die Referenztemperatur (T_ref) korrigiert. ${\dot{m}}_{c o r r} = \frac{\dot{m} \sqrt{\frac{T_{0}}{T_{r e f}}} P_{0}}{P_{r e f}}$
Die gewünschte Ladedruckreferenz des elektrischen Kompressors wird anhand des gewünschten Drosseleinlassdrucks $(P_{2}^{*})$
erlangt, der durch ein Hochpassfilter (H₁) verarbeitet wird. Die Frequenzen, die durch den Hochpassfilter verlaufen, sind die Frequenzen, auf die der Turbolader nicht reagieren kann, mit anderen Worten das Defizit der Leistungsfähigkeit des Turboladers. Eine Steuerung mit geschlossenem Kreis C₁ bestimmt den gewünschten Drehzahlbefehl (n_eSC) des elektrischen Kompressors. C₂ ist die Steuerung für den Turbolader, die die Wastegate-Position (θ_wg) bestimmt. Aufgrund der Dynamik zwischen dem Wastegate und der Turboladerdrehzahl besteht im Allgemeinen keine Notwendigkeit, ein Tiefpassfilter zu $P_{2}^{*}$
zur Turboladersteuerung hinzuzufügen, doch es kann bei Bedarf eines hinzugefügt werden. Zudem ist C₂ derart ausgestaltet, dass das Wastegate während großer Transienten gesättigt ist und das Verhalten nur dann abstimmt, wenn sich der Drosseleinlassdruck dem gewünschten Sollwert annähert. Zu diesem Zeitpunkt werden Steuerwirkungen von C₁ aufgrund des Hochpassfilters, das minimale Interaktion zwischen den zwei Aktoren sicherstellt, deutlich reduziert.
Eine proportionale Rückkopplungssteuerung (H₁) ist umgesetzt, um Abweichungen vom Anlagenmodell (dem Verdichterkennfeld für den elektrischen Kompressor) zu berücksichtigen. Aufladungsnachführung im Beharrungszustand ist dazu ausgestaltet, durch den Hauptturbolader bereitgestellt zu werden. Deshalb liegt keine Integralwirkung in der Rückkopplungssteuerung vor. Ein Lead-Kompensator ist hinzugefügt, um das Verhalten der Steuerung mit geschlossenem Kreis zu formen, da die Drehzahlsteuerung für den elektrischen Kompressor im inneren Kreis zum Steuern der Drehzahl in zunehmender oder abnehmender Richtung eine unterschiedliche Bandbreite aufweisen kann.
Die übergeordnete Steuerung (A₁) ist so entwickelt, dass sie den elektrischen Kompressor und das Umgehungsventil des elektrischen Kompressors koordiniert. Die Hauptaufgabe der übergeordneten Steuerung besteht darin, zu bestimmen, wann der elektrische Kompressor und das Umgehungsventil des elektrischen Kompressors anzuschalten und abzuschalten sind, um Steueranforderungen zur erfüllen, was Systemeinschränkungen und Hardwareschutz unterliegt. Auf einer höheren Ebene wird der elektrische Kompressor angeschaltet und das Umgehungsventil geschlossen, wenn die Anschaltkriterien erfüllt sind und keine Systemfehler beobachtet werden. Sobald die Abschaltkriterien erfüllt sind oder Systemfehler beobachtet werden, wird der elektrische Kompressor abgeschaltet und das Umgehungsventil öffnet sich.
Ein gewünschtes Ladedruckverhältnis über beide Verdichter $(\frac{P_{2}^{*}}{P_{0}})$
wird gemeinsam mit einem gemessenen (z. B. erreichten) Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter $(\frac{P_{2}}{P_{1}})$
in den dynamischen Zuweiser D₁ eingegeben. Das Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter kann durch die Turboladersteuerung C₂ gesteuert werden, die das gewünschte Ladedruckverhältnis über beiden Verdichtern sowie das gemessene Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter als Rückkopplung empfängt. Die Steuerung C₂ erzeugt dann ein Signal zum Einstellen eines Öffnungsgrads eines Turbolader-Wastegate-Aktors (θ_wg), das dann an den Turbolader G₂ gesendet wird, was zu dem Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter $\frac{P_{2}}{P_{1}}$
führt. Somit kann die Öffnung des Turbolader-Wastegate-Aktors auf Grundlage des gewünschten Ladedruckverhältnisses und des erreichten Druckverhältnisses über dem Turboladerverdichter gesteuert werden. Zum Beispiel kann, wenn das gewünschte Ladedruckverhältnis zunimmt, der Öffnungsgrad des Wastegate-Aktors verringert werden, um einen größeren Teil des Abgases durch eine Turbine des Turboladers strömen zu lassen und nicht durch den Turbolader-Wastegate-Aktor, wodurch eine Drehzahl der Turbine und infolgedessen das Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter erhöht wird.
Der dynamische Zuweiser D₁ verwendet ein Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter und das gewünschte Gesamtladedruckverhältnis, um ein gewünschtes Druckverhältnis $(\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}})$
für den Kompressorverdichter zu berechnen, zum Beispiel unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Funktionen. Das gewünschte Druckverhältnis für den Kompressor sowie die gemessenen Drücke P₀ und P₂ und der gewünschte Ladedruck $P_{2}^{*}$
werden in eine Zustandsmaschine A₁ eingegeben, die eine übergeordnete Steuerung für ein diskretes Ereignissystem ist. Die Zustandsmaschine A₁ bestimmt, ob P₂ ausreichend mangelhaft ist (z. B. größer als ein Schwellenmangel), um die Anschaltung des elektrischen Kompressors auszulösen. Zusätzlich sind andere Kriterien vorhanden, die sicherstellen, dass der Betrieb des elektrischen Kompressors nicht gegen andere Einschränkungen des Motorsystems verstoßen würde, zum Beispiel aufgrund von Fehlern, Temperatur, Verfügbarkeit von elektrischer Leistung etc. Hysterese wird den Anschaltkriterien ebenfalls folgendermaßen hinzugefügt: $\frac{P_{2}^{*}}{P_{0}} - \frac{P_{2}}{P_{1}} \geq H y s t e r e s e$
um An-/Aus-Zyklen des Systems zu vermeiden.
Sobald eine Anschaltung des elektrischen Kompressors ausgelöst ist, wird das gewünschte Druckverhältnis des Kompressorverdichters gemeinsam mit einem gewünschten Massenstrom (ṁ) in eine modellbasierte Vorsteuerung F₁ eingegeben. Zum Beispiel kann die modellbasierte Vorsteuerung F₁ eine entsprechende Drehzahl des Kompressorverdichters in einem Verdichterkennfeld nachsehen. Die entsprechende Drehzahl des Kompressorverdichters, n_{eSC_ff}, wird dann an ein Addierelement 518 ausgegeben.
Das gewünschte Druckverhältnis des Kompressorverdichters wird ebenfalls neben einem Rückkopplungssignal hinsichtlich des tatsächlichen Druckverhältnisses des Kompressorverdichters $(\frac{P_{1}}{P_{0}})$
in ein Addierelement 520 eingegeben, das als Teil der Steuerung eines äußeren Kreises C₁ von dem gewünschten Druckverhältnis des Kompressorverdichters subtrahiert wird. Das Ergebnis wird in eine Fehlerrückkopplungssteuerung zur Feinabstimmung der Drehzahl des Kompressorverdichters sowie zum Regulieren etwaiger Ungenauigkeiten des Verdichterkennfelds eingegeben. Eine Rückkopplungsantwort hinsichtlich der Drehzahl des Kompressorverdichters, n_{eSC_fb}, die durch die Fehlerrückkopplungssteuerung erzeugt wird, wird dann in das Addierelement 518 eingegeben, das dann die Drehzahl des elektrischen Kompressorverdichters n_eSC für die gegebenen Betriebsbedingungen ausgibt. Die Drehzahl des elektrischen Kompressorverdichters kann in ein entsprechendes elektrisches Signal (z. B. Arbeitszyklus) umgewandelt werden, das auf einen Elektromotor des elektrischen Kompressors G₁ angewendet wird, um das Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter $(\frac{P_{1}}{P_{0}})$
zu erzeugen. Somit kann die Drehzahl des Kompressorverdichters kontinuierlich auf Grundlage von $\frac{P_{2}^{*}}{P_{0}} und \frac{P_{2}}{P_{1}}$
und konkreter eines Defizits zwischen $\frac{P_{2}}{P_{1}} und \frac{P_{2}^{*}}{P_{0}}$
aktualisiert werden.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, in der ein beispielhaftes Verfahren 600 zum Betreiben eines aufgeladenen Motorsystems gezeigt ist, das einen elektrischen Kompressor (z. B. den Kompressor 13 aus 1) aufweist, der stufenweise stromaufwärts von einem Turbolader (z. B. dem Turbolader 15 aus 1) angeordnet ist. Hier ist der Turbolader als Hauptaufladevorrichtung konfiguriert und der Kompressor als Hilfsaufladevorrichtung konfiguriert.
Bei 602 beinhaltet das Verfahren 200 Schätzen und/oder Messen von Motorbetriebsbedingungen. Zum Beispiel können zu den beurteilten Betriebsbedingungen Motordrehzahl, Pedalposition, Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers, Krümmerabsolutdruck, Krümmerluftstrom, Krümmerlufttemperatur, Umgebungsbedingungen (wie etwa Umgebungstemperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit), Motorkühlmitteltemperatur etc. gehören. Zum Beispiel kann der Luftdruck durch einen Drucksensor, wie etwa den Drucksensor 58 aus 1, gemessen werden.
Bei 604 beinhaltet das Verfahren 600 Bestimmen, ob Aufladung angefordert ist. In einem Beispiel kann Aufladung bei mittelhohen Motorlasten angefordert sein. In einem anderen Beispiel kann Aufladung als Reaktion auf eine Pedalbetätigung durch einen Fahrzeugführer oder eine Zunahme des Drehmomentbedarfs des Fahrers angefordert sein. Falls keine Aufladung angefordert ist, wie etwa, wenn die Motorlast gering ist oder der Drehmomentbedarfs des Fahrers gering ist, geht das Verfahren 600 zu 606 über und beinhaltet Betreiben des Motors mit Selbstansaugung (z. B. Krümmervakuum). Betreiben des Motors mit Selbstansaugung kann beinhaltet, dass die stufenweise angeordneten Aufladevorrichtungen nicht angeschaltet werden. Zum Beispiel kann ein Elektromotor zum Antreiben des elektrischen Kompressors (z. B. der Elektromotor 108) nicht mit Leistung versorgt werden und dem Turbolader-Wastegate-Aktor die vollständig offene Stellung befohlen werden, um einen Teil des Abgases durch das Wastegate zu leiten, während eine Turbine des Turboladers (z. B. die Turbine 116 aus 1) umgangen wird. Im Anschluss an 606 endet das Verfahren 600.
Falls bei 604 Aufladung angefordert ist, wie etwa als Reaktion auf ein Pedalbetätigungsereignis, geht das Verfahren 600 zu 608 über und beinhaltet Erzeugen eines Befehls für ein gewünschtes Druckverhältnis (z. B. ein Soll-Druckverhältnis) für den Turbolader auf Grundlage des Aufladungsbedarfs. Bei dem gewünschten Druckverhältnis, das als $\frac{P_{2}^{*}}{P_{0}}$
definiert ist, handelt es sich um ein Verhältnis eines gewünschten Auslassdrucks eines Verdichters des Turboladers (z. B. des zweiten Verdichters 114 aus 1), der zudem gleich dem gewünschten Ladedruck (oder gewünschten TIP) ist, in Bezug auf P₀, das einen Einlassdruck eines Verdichters des elektrischen Kompressors (z. B. des ersten Verdichters 110 aus 1) darstellt. Zum Beispiel kann P₀ gleich dem Luftdruck sein (der z. B. durch den Drucksensor 58 aus 1 gemessen wird).
Bei 610 beinhaltet das Verfahren Verkleinern einer Öffnung des Turbolader-Wastegates auf Grundlage des Gesamtdruckverhältnisbefehls. Zum Beispiel kann die Wastegate-Öffnung verkleinert werden, wenn der Druckverhältnisbefehl zunimmt. In einem Beispiel wird das Wastegate vollständig geschlossen. Indem das Turbolader-Wastegate geschlossen wird, kann der gesamte Abgasstrom durch die Turboladerturbine geleitet werden, was das Hochdrehen der Turbine beschleunigt. Optional kann zudem ein Verdichterrückführventil (wie etwa das CRV 62 aus 1) geschlossen werden, sodass der Druckverlust über dem Turboladerverdichter reduziert wird. Danach strömt Druckluft über den ersten Verdichter zu dem Motor. Zu diesem Zeitpunkt ist das Umgehungsventil des elektrischen Kompressors offen, was dazu führt, dass die Luft zu dem Turboladerverdichter strömt, während der Kompressor umgangen wird.
Bei 612 beinhaltet das Verfahren Berechnen eines Ladedruckmangels an dem Turbolader. Der Ladedruckmangel kann durch einen Ladedruckfehlbetrag $(P_{2}^{*} - P_{2}),$
bei dem es sich um eine Differenz zwischen dem gewünschten Ladedruck und dem gemessenen Drosseleinlassdruck handelt, sowie eine Änderungsrate des Ladedruckfehlbetrags $(\frac{d (P_{2}^{*} - P_{2})}{d t})$
bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Turbolader aufgrund eines Turbolochs nicht dazu in der Lage sein, den gewünschten Ladedruck zu erreichen, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Die Steuerung kann zudem den Luftstromfehlbetrag an dem Turbolader(einlass) bestimmen, der dem Ladedruckmangel entspricht, oder Druckverhältnisse anstelle von Druckdifferenzen verwenden. In alternativen Beispielen beruht der Ladedruckmangel auf einem Verhältnis des gewünschten Ladedrucks und des gemessenen Drosseleinlassdrucks anstelle der Differenz. Mit anderen Worten beruht der Ladedruckmangel auf dem gewünschten Ladedruck in Bezug auf den gemessenen Drosseleinlassdruck.
Bei 614 beinhaltet das Verfahren als Reaktion auf die Angabe, dass ein Ladedruckdefizit vorhanden ist, Schließen des ESBV. Indem das ESBV (vollständig) geschlossen wird, kann der elektrische Kompressorverdichter in dem Ansaugströmungsweg enthalten sein, und Ansaugluft strömt über den elektrischen Kompressor zu dem Turboladerverdichter. Das bedeutet, der Luftstrom durch den Kompressorverdichter wird erhöht. In anderen Beispielen kann das ESBV als Reaktion auf den Betrag des Ladedruckmangels geschlossen werden, wie etwa als Reaktion darauf, dass der Betrag größer als ein Schwellenwert ist, wie etwa ein Schwellenwert, über dem das Einschwingladeverhalten nachteilig beeinflusst wird. Zum Beispiel kann bestimmt werden, ob ein Absolutbetrag des Ladedruckmangels größer als der Schwellenwert ist oder ob eine Änderungsrate des Ladedruckfehlbetrags, $\frac{d (P_{2}^{*} - P_{2})}{d t},$
größer als der Schwellenwert ist, wobei der Schwellenwert in Abhängigkeit von dem Ladedruckfehlbetrag kalibriert ist: $\frac{d (P_{2}^{*} - P_{2})}{d t} > f_{2} (P_{2}^{*} - P_{2})$
wobei f₂ eine Funktion darstellt. Zum Beispiel kann der Schwellenwert abnehmen, wenn der Ladedruckfehlbetrag zunimmt. Der Schwellenwert kann einen zulässigen Betrag des Ladedruckmangels definieren, über dem die Spitzenleistung und Drehmomentleistung des Motors beeinträchtigt sein können. Ferner kann der Schwellenwert derart festgelegt sein, dass über dem Schwellenwert eine Menge von zusätzlicher Leistung und zusätzlichem Drehmoment, die durch das Betreiben des elektrischen Kompressors bereitgestellt werden, eine durch den elektrischen Kompressor verbrauchte Menge von Elektrizität überwiegt. Zusätzlich können sowohl der Ladedruckfehlbetrag als auch die Änderungsrate des Ladedruckfehlbetrags ein Tiefpassfilter erster Ordnung durchlaufen. Indem der Ladedruckfehlbetrag und/oder die Änderungsrate des Ladedruckfehlbetrags gefiltert werden, kann die unnötige Anschaltung des Kompressorverdichters reduziert werden, wie etwa aufgrund von Umentscheidungen des Fahrers (z. B. Betätigen eines Fahrpedals für weniger als einen Schwellenzeitraum). Falls der Ladedruckmangel nicht größer als der Schwellenwert ist, kann das ESBV offen gehalten werden, der elektrische Kompressor abgeschaltet gehalten werden und Druckluft nur über den Turboladerverdichter zu dem Motor strömen, während der Kompressorverdichter umgangen wird.
Bei 616 beinhaltet das Verfahren als Reaktion auf den Ladedruckmangel Betreiben des elektrischen Kompressorverdichters unter Verwendung von elektrischer Unterstützung zum Verbessern des Einschwingladeverhaltens. Das Betätigen des an den Kompressorverdichters gekoppelten Elektromotors dient dazu, den Kompressorverdichter zu beschleunigen, wodurch der Ladedruck erhöht wird, der dem Motor bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann Beschleunigen des Kompressorverdichters beinhalten, dass der Kompressorverdichter unter Verwendung von aus einer Batterie (z. B. der Systembatterie 45 aus 1) entnommener Leistung über den Elektromotor gedreht wird. Deshalb kann der Kompressor dazu in der Lage sein, einen begrenzten Zeitraum lang Aufladung bereitzustellen, wobei der Zeitraum durch den Ladezustand der Systembatterie, die den Elektromotor mit Leistung versorgt, begrenzt wird. Ein Betrag von Leistung (oder Arbeitszyklus von Leistung), der dem Elektromotor befohlen wird, kann auf einem Druckverhältnis beruhen, das dem Kompressor in Abhängigkeit von dem Defizit zugewiesen wird. Zum Beispiel kann die Steuerung ein gewünschtes Druckverhältnis des Kompressors auf Grundlage des Luftstromfehlbetrags bestimmen. Die Steuerung kann ferner das berechnete Druckverhältnis des Kompressors und den MAF in eine Lookup-Tabelle eingeben, um die gewünschte Drehzahl des Kompressorverdichters zu bestimmen. Die Steuerung kann dann die Drehzahl des Kompressorverdichters in eine zusätzliche Lookup-Tabelle oder Funktion eingeben, um die Elektromotordrehzahl und einen entsprechenden Betrag von Leistung (oder Arbeitszyklus von Leistung) auszugeben, der dem Elektromotor bereitgestellt wird, um das Soll-Druckverhältnis über dem Kompressor zu erzeugen.
Das gewünschte Druckverhältnis des Kompressors, $\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}},$
kann begrenzt werden, um zu verhindern, dass der gewünschte Drucksollwert des Kompressors $(P_{1}^{*})$
den gewünschten Wert des Turboladers überschreitet, falls P₁ größer als P₂ ist, was kurz nach einer Öffnung der Drossel geschehen kann. Somit kann eine Steuerreferenz für den Kompressorverdichter folgendermaßen beschrieben werden: $\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}} = \frac{P_{2}^{*}}{P_{0}} \times m i n {1, \frac{P_{1}}{P_{2}}} o d e r P_{1}^{*} = P_{2}^{*} \times m i n {1, \frac{P_{1}}{P_{2}}}$
was zudem gleich dem Druckverhältnisdefizit (oder Druckdefizit, falls $P_{1}^{*}$
anstelle von $\frac{P_{1}^{*}}{P_{0}}$
bestimmt wird) des Turboladerverdichters ist. Das bedeutet, der Kompressorverdichter kann auf Grundlage des Ladedruckverhältnisdefizits (oder Ladedruckdefizits) des Turboladers gesteuert werden, um das gewünschte Ladedruckverhältnis $\frac{P_{2}^{*}}{P_{0}}$
(oder den gewünschten Ladedruck $P_{2}^{*}$
) bereitzustellen. Danach strömt Druckluft über den Turboladerverdichter und den Kompressorverdichter zu dem Motor. Demnach enthält der Auslassdruck des Turboladerverdichters, P₂, durch sowohl den Kompressorverdichter als auch den Turboladerverdichter erzeugten Druck.
Bei 618 beinhaltet das Verfahren Bestimmen, ob der tatsächliche an dem Auslass des Turboladers erreichte Ladedruck innerhalb eines Schwellenwerts von dem Ladedruck oder TIP liegt. Der Schwellenwert kann in Abhängigkeit von dem Soll-TIP oder dem befohlenen Gesamtdruckverhältnis bestimmt werden und kann so eingestellt werden, dass die Möglichkeit von Drucküberschwingen reduziert wird. Zum Beispiel kann der Schwellenwert bei höheren Druckverhältnissen größer sein.
Falls der tatsächliche Ladedruck um mehr als den Schwellenbetrag geringer als der gewünschte TIP ist, dann beinhaltet das Verfahren bei 622 weiterhin Bereitstellen von elektrischer Unterstützung über den Kompressor, während der Ladedruck im Beharrungszustand über den Turbolader bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die Steuerung die Öffnung des Wastegates beibehalten oder (falls möglich) weiter verkleinern. Zusätzlich kann die Steuerung die Elektromotordrehzahl des Elektromotors beibehalten oder (falls möglich) weiter erhöhen.
Wenn der tatsächliche Ladedruck nur um den Schwellenbetrag geringer als der gewünschte TIP ist, kann die Steuerung die Lead-Kompensation anwenden und die elektrische Unterstützung unterbrechen. Insbesondere kann die Elektromotordrehzahl des Elektromotors verringert werden, sodass der Ladedruck mit reduziertem Überschwingen auf den Soll-TIP ausläuft. Zusätzlich kann die Steuerung veranlassen, dass der Elektromotor in einen Generatormodus übergeht, und den Generator so betreiben; dass ein negatives Drehmoment auf den Kompressorverdichter angewendet wird, wodurch der Kompressorverdichter verzögert wird und die Energie zurückgewonnen wird, die ansonsten das Ladedrucküberschwingen verursacht hätte.
Bei 624 kann bestätigt werden, dass der Soll-Ladedruck erreicht worden ist. Falls der Soll-Ladedruck nicht erreicht wird, beinhaltet das Verfahren bei 626 weiteres Einstellen der Wastegate-Öffnung und/oder der Generatordrehzahl. Zum Beispiel können die Aktoren so eingestellt werden, dass sie ein Soll-Drehzahlprofil oder eine Trajektorie zu dem Soll-Ladedruck bereitstellen. Falls der Soll-Ladedruck andernfalls erreicht worden ist, beinhaltet das Verfahren bei 628 Deaktivieren des Motorgenerators. Dabei kann der an den Kompressorverdichter gekoppelte Elektromotor durch ein Signal, das von der Steuerung an einen elektromechanischen Aktor des Elektromotors gesendet wird und die Elektromotordrehzahl reduziert, deaktiviert werden. Zusätzlich kann das ESBV in die offene (z. B. vollständig offene) Stellung betätigt werden, um zu ermöglichen, dass Ansaugluft über den Turboladerverdichter zu dem Motor strömt, während der Kompressorverdichter umgangen wird. Danach kann dem Motor nur über den Turboladerverdichter und nicht über den Kompressorverdichter Druckluft zugeführt werden.
Auf diese Art und Weise werden durch transientes und dynamisches Betreiben des Kompressorverdichters auf Grundlage des Druckverhältnisses des Turboladerverdichters Ladedruckmängel (z. B. auf Grundlage von Verzögerungen beim Hochdrehen der Turboladerturbine) reduziert. Ferner wird eine Zeitdauer minimiert, für die der Kompressor angeschaltet ist und Leistung zieht, was den Verbrauch elektrischer Leistung reduziert und die Kraftstoffökonomie erhöht. Im Anschluss an 628 endet das Verfahren.
8 stellt einen voraussichtlichen beispielhaften Graphen 800 zur dynamischen Zuweisung von Druckverhältnissen dar, um eine koordinierte Steuerung des Turboladers und elektrischen Kompressors während des Fahrzeugbetriebs breitzustellen, wie etwa gemäß dem Verfahren aus 2 (und 6) und unter Verwendung der Steuerarchitektur aus 5. Die Fahrpedalposition ist in Verlauf 802 gezeigt, der tatsächliche Drosseleinlassdruck (TIP) ist bei Verlauf 806 als durchgezogene Linie in Bezug auf den gewünschten TIP bei Verlauf 805 als gestrichelte Linie gezeigt, ein erreichtes Druckverhältnis über einem Turboladerverdichter $(\frac{P_{2}}{P_{1}})$
ist in Verlauf 808 in Bezug auf ein in Verlauf 804 gezeigtes gewünschtes Gesamtladedruckverhältnis $(\frac{P *_{2}}{P_{0}})$
gezeigt, eine Turbinendrehzahl des Turboladers ist in Verlauf 810 gezeigt, ein erreichtes Druckverhältnis über dem elektrischen Kompressorverdichter $(\frac{P_{1}}{P_{0}})$
ist in Verlauf 812 gezeigt, eine befohlene Elektromotordrehzahl des elektrischen Kompressors ist in Verlauf 816 gezeigt, während Verlauf 817 die Generatoranschaltung zeigt, ein Öffnungsgrad eines Umgehungsventils des elektrischen Kompressors (ESBV) ist in Verlauf 818 gezeigt und ein Öffnungsgrad eines Turbolader-Wastegates ist in Verlauf 820 gezeigt. Für alle Vorstehenden stellt die x-Achse die Zeit dar, wobei die Zeit entlang der x-Achse von links nach rechts zunimmt. Die y-Achse stellt den gekennzeichneten Parameter dar, wobei die Werte von unten nach oben zunehmen. In dem vorliegenden Beispiel ist der elektrische Kompressorverdichter stromaufwärts von dem Turboladerverdichter angeordnet, wie etwa in dem Motor aus 1.
Vor Zeitpunkt t1 wird der Motor aufgrund eines geringeren Fahrerbedarfs (Verlauf 802), der einen niedrigeren TIP (Verlauf 805) erfordert, ohne Aufladung (Verlauf 806) betrieben. Somit liegen das tatsächliche Druckverhältnis des Turboladerverdichters (turbocharger compressor - TC) (Verlauf 808) und das Druckverhältnis des Kompressorverdichters (Verlauf 812) bei einem Ausgangsbetrag (z. B. ungefähr 1), was angibt, dass der Druck stromaufwärts von jedem Verdichter gleich dem Druck stromabwärts von jedem Verdichter ist, da beide Verdichter keine Luft verdichten. Da der elektrische Kompressor (electric supercharger - ES) nicht angeschaltet ist, verbleibt die befohlene Drehzahl des elektrischen Kompressorverdichters bei null (Verlauf 816) und das ESBV ist vollständig geöffnet (Verlauf 818). Dadurch umgeht die Ansaugluft den elektrischen Kompressorverdichter, statt zu dem elektrischen Kompressorverdichter geleitet zu werden, wie unter Bezugnahme auf 1 näher beschrieben. Ferner ist das Turbolader-Wastegate vollständig offen (Verlauf 820), was die Drehzahl der Turboladerturbine niedrig hält (Verlauf 810), da Abgas die Turbine durch das offene Wastegate umgeht.
Zu Zeitpunkt t1 betätigt der Fahrzeugführer das Fahrpedal, wie durch die Zunahme der Fahrpedalposition (Verlauf 802) gezeigt, was den Motor vom Betrieb mit Selbstansaugung zum Betrieb mit Aufladung bewegt. Ein gewünschter Betrag von Ladedruck, wie durch einen Anstieg des gewünschten TIP (Verlauf 805) widergespiegelt, wird auf Grundlage des Betrags des durch den Fahrer angeforderten Drehmoments bestimmt, und das gewünschte Gesamtdruckverhältnis über dem aufgeladenen Motorsystem (Verlauf 804) nimmt dementsprechend zu. Der Turbolader wird über einen Befehl auf Grundlage des gewünschten Gesamtladedruckverhältnisses gesteuert. Um das gewünschte Gesamtladedruckverhältnis im Beharrungszustand bereitzustellen, wird das Turbolader-Wastegate vollständig geschlossen (Verlauf 820), wodurch das gesamte Abgas durch die Turboladerturbine (und nicht durch das Turbolader-Wastegate) geleitet wird, um die Turbine hochzudrehen. Infolgedessen beginnt die Turbinendrehzahl (Verlauf 810) zuzunehmen. Aufgrund der langsamen Reaktionszeit der Turbinendrehzahl ist der Turbolader jedoch nicht dazu in der Lage, das gewünschte Gesamtdruckverhältnis (siehe Differenz zwischen Verlauf 804 und 808) und den gewünschten TIP zu erreichen. Das tatsächliche Druckverhältnis des Turboladerverdichters (Verlauf 808) liegt zwischen Zeitpunkt t1 und Zeitpunkt t2 unter dem gewünschten Gesamtladedruckverhältnis (Verlauf 804).
Ein Druckverhältnismangel und ein entsprechender Luftstrommangel an dem Turbolader werden auf Grundlage des gewünschten Gesamtdruckverhältnisses (804) in Bezug auf das tatsächliche Ladedruckverhältnis an dem Turbolader (808) bestimmt (z. B. auf Grundlage der Differenz wie in diesem Beispiel oder auf Grundlage eines Verhältnisses). Ein Druckverhältnis, das dem Luftstrommangel entspricht, wird dann dem Kompressorverdichter (Verlauf 812) befohlen, sodass die Kombination aus dem Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter (Verlauf 812) und dem Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter (Verlauf 808) gemeinsam dem insgesamt gewünschten Ladedruckverhältnis (Verlauf 804) nachkommen kann. Somit wird zwischen t1 und t2, wenn die Turbinendrehzahl geringer ist, ein größerer Anteil des Gesamtladedruckverhältnisses dem Kompressor zugewiesen, da ein kleinerer Anteil durch den Turbolader zugeführt wird.
Als Reaktion darauf, dass der Ladedruckmangel größer als der Schwellenwert ist, wird der elektrische Kompressor kurz nach Zeitpunkt t1 angeschaltet, um den Mangel auszugleichen, während die Turbine hochdreht. Anschalten des elektrischen Kompressors beinhaltet Schließen des ESBV (Verlauf 818), um Ansaugluft zu dem elektrischen Kompressorverdichter zu leiten, und Zuführen von Leistung zu einem Elektromotor, der den Verdichter mit einem Arbeitszyklus antreibt, der den Elektromotor mit einer Drehzahl (Verlauf 816) betreibt, die auf dem Ladedruckdefizit des Turboladerverdichters beruht. Insbesondere wird die befohlene Drehzahl des an den Kompressorverdichter gekoppelten Elektromotors so ausgewählt, dass das gewünschte Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter bereitgestellt werden kann. Das gewünschte Druckverhältnis des elektrischen Kompressorverdichters nimmt zu, wenn das Ladedruckdefizit an dem Turboladerverdichter zunimmt. Zwischen Zeitpunkt t1 und Zeitpunkt t2 wird ein größerer Anteil des Gesamtladedruckverhältnisses (Verlauf 806) durch den Ladedruck bereitgestellt, der durch den elektrischen Kompressor erzeugt wird, wobei das Druckverhältnis des elektrischen Kompressors schnell zunimmt (Verlauf 812), wenn der Elektromotor angeschaltet wird. Ein kleinerer Anteil des Gesamtladedruckverhältnisses wird aufgrund der geringeren Drehzahl der Turboladerturbine (Verlauf 810) durch das Druckverhältnis des Turboladers (Verlauf 808) bereitgestellt.
Zwischen Zeitpunkt t1 und Zeitpunkt t2 dreht die Turbine langsam hoch (Verlauf 810). Das Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter (Verlauf 808) bleibt jedoch weiterhin hinter dem erreichten Gesamtladedruckverhältnis (Verlauf 806) zurück. Zwischen Zeitpunkt t2 und Zeitpunkt t3 nimmt die Turbinendrehzahl (Verlauf 810) schneller zu, wobei eine entsprechende Zunahme bei dem Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter (Verlauf 808) und eine entsprechende Abnahme bei dem Ladedruckmangel vorliegen. Wenn das Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter (Verlauf 808) zunimmt, nimmt das Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter ab, sodass das erreichte Gesamtladedruckverhältnis (Verlauf 806) gleich dem gewünschten Ladedruckverhältnis ist. Sobald dann das erreichte Gesamtladedruckverhältnis (Verlauf 806) dem gewünschten Ladedruckverhältnis (804) nahe ist, wird das Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter allmählich verringert (über Einstellungen an einem Arbeitszyklus des Elektromotors), wenn das Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter zunimmt. Zwischen Zeitpunkt t2 und t3 wird ein zunehmender Anteil des Gesamtladedruckverhältnisses (Verlauf 806) durch den Ladedruck bereitgestellt, der durch den Turbolader erzeugt wird, und ein verbleibender Anteil durch den Ladedruck bereitgestellt, der durch den elektrischen Kompressor erzeugt wird.
Zu Zeitpunkt t3 liegt der tatsächliche TIP (Verlauf 806) aufgrund des Ladedrucks, der sowohl durch den Turboladerverdichter als auch den elektrischen Kompressorverdichter erzeugt wird, innerhalb eines Schwellenwerts von dem gewünschten TIP (Verlauf 805). Um ein Ladedrucküberschwingen zu reduzieren, wendet die Steuerung zwischen t3 und t4 Lead-Kompensation an, um die Drehzahl des Elektromotors zu reduzieren, bevor sich P₂ an $P_{2}^{*}$
annähert. Insbesondere bremst der Elektromotor den Verdichter ab, bevor der tatsächliche TIP den Soll-TIP erreicht, um die Drehzahl des Kompressorverdichters und das ES-Druckverhältnis zu reduzieren. Der Generatorbefehl (Verlauf 817) deutet darauf hin, dass der Elektromotor in einem Generatormodus betrieben wird, was Energierückgewinnung an dem elektrischen Motorgenerator ermöglicht, der an den Kompressorverdichter gekoppelt ist. Das Turbolader-Wastegate kann zwischen Zeitpunkt t3 und Zeitpunkt t4 damit beginnen, sich zu öffnen (Verlauf 820). Würde diese Lead-Kompensation nicht bereitgestellt, hätte der TIP den gewünschten Wert überschwungen, was Drehmomentfehler verursacht, und eine Gelegenheit zur Energierückgewinnung wäre verlorengegangen.
Zu Zeitpunkt t4 erreicht das Druckverhältnis des Turboladerverdichters (Verlauf 808) das gewünschte Gesamtdruckverhältnis (Verlauf 804). Deshalb wird das gewünschte Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter (Verlauf 812) auf einen Ausgangsbetrag (z. B. ungefähr 1) reduziert und der elektrische Kompressor wird abgeschaltet (z. B. wird dem Elektromotor, der den Kompressorverdichter antreibt, keine Leistung zugeführt). Das ESBV wird geöffnet (Verlauf 818), um Ansaugluft direkt zu dem Turboladerverdichter und nicht zu dem Kompressorverdichter zu leiten, und die befohlene Drehzahl des elektrischen Kompressors (Verlauf 816) wird auf null reduziert. Wenn der Kompressorverdichter herunterdreht, kehrt das Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter (Verlauf 812) zum Ausgangswert zurück. Ferner wird als Reaktion darauf, dass das Ladedruckverhältnis des Turboladerverdichters (Verlauf 808) das gewünschte Ladedruckverhältnis erreicht (Verlauf 804), der Öffnungsgrad des Aktors des Turbolader-Wastegates vergrößert (Verlauf 820). Somit wird die Turbinendrehzahl (Verlauf 810) beibehalten, um den gewünschten Sollwert für den Ladedruck mit Rückkopplung hinsichtlich des erreichten Ladedruckverhältnisses des Turboladerverdichters (Verlauf 808) bereitzustellen.
Zu Zeitpunkt t5 nimmt die Fahrpedalposition ab (Verlauf 802). Infolgedessen nimmt das gewünschte Gesamtladedruckverhältnis dementsprechend ab (Verlauf 804). Um den Ladedruck zu reduzieren, wird der Aktor des Turbolader-Wastegates (Verlauf 820) weiter geöffnet, um die Turboladerturbine (Verlauf 810) und dadurch den Turboladerverdichter zu verzögern. Infolgedessen nimmt das erreichte Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter (Verlauf 808) ab. Ferner führt, da der elektrische Kompressor deaktiviert ist, der Turboladerverdichter den gesamten Ladedruck zu.
Zu Zeitpunkt t6 nimmt die Fahrpedalposition weiter ab (Verlauf 802), zum Beispiel aufgrund eines Pedalfreigabeereignisses. Das gewünschte Gesamtladedruckverhältnis (Verlauf 804) nimmt auf den Ausgangswert ab, da auf Grundlage des Fahrerbedarfs keine Aufladung mehr angefordert ist. Das Turbolader-Wastegate wird vollständig geöffnet (Verlauf 820), um den Ladedruck zu reduzieren, wodurch die Turboladerturbine (Verlauf 810) weiter auf eine Ausgangsdrehzahl verzögert wird. Die Drehzahl des Turboladerverdichters nimmt dementsprechend ab, was den durch den Turboladerverdichter erzeugten Betrag von Ladedruck verringert. Infolgedessen nimmt das Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter (Verlauf 808) auf den Ausgangswert (z. B. ungefähr 1) ab. Wie vorstehend beschrieben, nimmt das Gesamtladedruckverhältnis (Verlauf 806) ebenfalls auf den Ausgangswert ab, da der Turboladerverdichter den gesamten Ladedruck zuführt.
Auf diese Art und Weise kann ein Turboladerverdichter, der stromabwärts von einem Kompressorverdichter gekoppelt ist, über eine Wastegate-Einstellung so betrieben werden, dass ein Gesamtdruckverhältnis zwischen einem Einlass des Kompressorverdichters und einem Auslass des Turboladerverdichters auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrzeugführers bereitgestellt wird, während der Betrieb des Kompressorverdichters über die Einstellung eines Elektromotors auf Grundlage eines Echtzeit-Fehlbetrags beim Druckverhältnis (oder Luftstrom) an dem Turboladerverdichter dynamisch eingestellt wird. Hier kann das Betreiben des Turboladerverdichters über die Wastegate-Einstellung beinhalten, dass eine Öffnung des Wastegates verkleinert wird, wenn der Aufladungsbedarf des Fahrzeugführers zunimmt, um eine Abgasturbine des Turboladers hochzudrehen und das Gesamtdruckverhältnis zu erhöhen. In einem weiteren Beispiel kann der Echtzeit-Fehlbetrag beim Druck (oder Luftstrom) an dem Turboladerverdichter auf Grundlage eines tatsächlichen Druckverhältnisses über dem Turboladerverdichter in Bezug auf das gewünschte Gesamtdruckverhältnis geschätzt werden, wobei sich das tatsächliche Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter ändert, wenn die Abgasturbine hochdreht. Eine Motorsteuerung kann den Betrieb des Kompressorverdichters einstellen, indem sie ein positives Elektromotordrehmoment erhöht, das dem Kompressorverdichter von dem Elektromotor bereitgestellt wird, um eine Drehzahl des Kompressorverdichters zu erhöhen, wenn der Luftstromfehlbetrag zunimmt, während ein tatsächliches Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter unter einem Schwellendruckverhältnis auf Grundlage des gewünschten Gesamtdruckverhältnisses und ferner auf Grundlage des tatsächlichen Druckverhältnisses über dem Turboladerverdichter gehalten wird. Ferner kann die Steuerung als Reaktion auf eine Differenz (oder ein Verhältnis) zwischen dem tatsächlichen Drosseleinlassdruck und einem Soll-Drosseleinlassdruck auf Grundlage dessen, dass der Aufladungsbedarf des Fahrzeugführers höher als ein Schwellenwert ist, ein negatives Elektromotordrehmoment erhöhen, das dem Kompressorverdichter von dem Elektromotor bereitgestellt wird, um die Drehzahl des Kompressorverdichters zu verringern. In einem anderen Beispiel kann als Reaktion auf ein Ladedrucküberschwingen die Drehzahl des Kompressorverdichters reduziert werden, indem negatives Elektromotordrehmoment von dem Elektromotor bereitgestellt wird, während die verkleinerte Öffnung des Wastegates beibehalten wird. Im Vergleich dazu kann als Reaktion auf ein Ladedruckunterschwingen die Drehzahl des Kompressorverdichters erhöht werden, indem zusätzliches positives Elektromotordrehmoment von dem Elektromotor bereitgestellt wird, während die Öffnung des Wastegates weiter verkleinert wird. Einstellen des Betriebs des Kompressorverdichters auf Grundlage des Luftstromfehlbetrags kann beispielsweise beinhalten, dass eine Leistung des Kompressorverdichters unabhängig von einer Position des Wastegates und unabhängig von einer Turbinendrehzahl des Turboladers eingestellt wird.
Auf diese Art und Weise kann, während mit einem Turbolader eines mehrstufigen Aufladesystems Aufladung bereitgestellt wird, ein elektrischer Kompressor als Reaktion auf einen Ladedruckmangel angeschaltet werden, um einen gewünschten Ladedruck zu erreichen, wobei sowohl der Turbolader als auch der elektrische Kompressor auf Grundlage von Druckverhältnismessungen gesteuert werden. Die technische Wirkung des dynamischen Einstellens der Druckverhältniszuweisung zu dem elektrischen Kompressor auf Grundlage der Leistungsfähigkeit des Turboladers zur Aufladung in Echtzeit besteht darin, dass das Einschwingladeverhalten verbessert werden kann. Insbesondere kann der elektrische Kompressor nur so lange angeschaltet werden, wie es erforderlich ist, um den Turbolader zu unterstützen, was die aus dem Kompressor entnommene elektrische Unterstützung minimiert. Indem die Nutzung von elektrischer Leistung eingespart wird, wird die Kraftstoffökonomie verbessert. Indem das dem elektrischen Kompressor und dem Turbolader befohlene Druckverhältnis aggressiver kalibriert wird, kann dem Aufladungsbedarf zweckmäßiger nachgekommen werden. Indem dem elektrischen Kompressor positives Elektromotordrehmoment bereitgestellt wird, wenn die Leistungsfähigkeit des Turboladers zur Aufladung der tatsächliche Ladedruck oder geringer ist, kann ein Turboloch angegangen werden. Die technische Wirkung des Übergehens zum Bereitstellen eines negativen Elektromotordrehmoments, wenn der Ladedruck innerhalb einer Schwellenentfernung von dem Solldruck liegt, besteht darin, dass der Ladedruck auf den Solldruck auslaufen kann, ohne dass es zu Drucküberschwingen kommt. Zusätzlich wird die Fähigkeit des Elektromotors zur Energierückgewinnung verbessert. Insgesamt kann Ladedruck schnell und effizienter bereitgestellt werden.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren Folgendes: als Reaktion auf Drehmomentbedarf eines Fahrers Erzeugen eines Gesamtdruckverhältnisbefehls für eine erste, langsamere Verdichtungsvorrichtung eines Motoreinlasses; und Einstellen eines Druckverhältnisbefehls für eine zweite, schnellere Verdichtungsvorrichtung in dem Motoreinlass als Reaktion auf einen Ladedruckfehlbetrag, der für den Drehmomentbedarf des Fahrers erforderlich ist. In dem vorhergehenden Beispiel beinhaltet zusätzlich oder optional das Erzeugen, dass der Gesamtdruckverhältnisbefehl auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers erzeugt wird, wobei der Ladedruckfehlbetrag eines von einem Luftstromfehlbetrag und einem Druckverhältnisfehlbetrag beinhaltet, und wobei das Einstellen beinhaltet, dass ein tatsächliches Druckverhältnis über der ersten Verdichtungsvorrichtung geschätzt wird, der Ladedruckfehlbetrag auf Grundlage des tatsächlichen Druckverhältnisses in Bezug auf den Gesamtdruckverhältnisbefehl geschätzt wird und der Gesamtdruckverhältnisbefehl für die zweite Verdichtungsvorrichtung auf Grundlage des Ladedruckfehlbetrags eingestellt wird. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet zusätzlich oder optional das Einstellen ferner, dass der Ladedruckfehlbetrag dynamisch reduziert wird, wenn sich das tatsächliche Druckverhältnis über der ersten Verdichtungsvorrichtung dem Gesamtdruckverhältnisbefehl annähert, und der Druckverhältnisbefehl für die zweite Verdichtungsvorrichtung dynamisch eingestellt wird, wenn sich der Ladedruckfehlbetrag reduziert. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele ist zusätzlich oder optional die erste Verdichtungsvorrichtung stufenweise stromabwärts von der zweiten Verdichtungsvorrichtung in dem Motoreinlass angeordnet. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele ist zusätzlich oder optional die erste Verdichtungsvorrichtung ein Turbolader und die zweite Verdichtungsvorrichtung ein elektrischer Kompressor. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst zusätzlich oder optional das Verfahren ferner Einstellen einer Öffnung eines Wastegate-Ventils, das über eine Abgasturbine des Turboladers gekoppelt ist, auf Grundlage des Gesamtdruckverhältnisbefehls, wobei die Öffnung des Wastegate-Ventils verkleinert wird, wenn der Gesamtdruckverhältnisbefehl zunimmt. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele ist zusätzlich oder optional eine Abgasturbine des Turboladers eine Turbine mit variabler Geometrie und wobei Erzeugen eines Gesamtdruckverhältnisbefehls für die erste Verdichtungsvorrichtung beinhaltet, dass ein Schaufelwinkel für die Abgasturbine auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers befohlen wird. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet zusätzlich oder optional Erzeugen des Gesamtdruckverhältnisbefehls auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers, dass der Gesamtdruckverhältnisbefehl auf Grundlage von einem oder mehreren von einem Absolutwert des Drehmomentbedarfs des Fahrers und einer Änderungsrate des Drehmomentbedarfs des Fahrers erzeugt wird. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet zusätzlich oder optional Einstellen des Druckverhältnisbefehls für die zweite Verdichtungsvorrichtung, dass dann, wenn der Ladedruckfehlbetrag zunimmt, eine positive Elektromotordrehmomentabgabe von einem Elektromotor an den elektrischen Kompressor erhöht wird. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst zusätzlich oder optional das Verfahren ferner, dass als Reaktion darauf, dass der Drosseleinlassdruck innerhalb einer Schwellenentfernung von einem Soll-Ladedruck auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers liegt, eine negative Elektromotordrehmomentabgabe von dem Elektromotor an den elektrischen Kompressor erhöht wird. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst zusätzlich oder optional das Verfahren ferner, dass als Reaktion darauf, dass der Drosseleinlassdruck bei dem Soll-Ladedruck liegt, der Elektromotor und der elektrische Kompressor deaktiviert werden, während der Drehmomentbedarf des Fahrers nur über die erste Verdichtungsvorrichtung erfüllt wird.
Ein anderes beispielhaftes Verfahren umfasst Betreiben eines Turboladerverdichters, der stromabwärts von einem Kompressorverdichter gekoppelt ist, über eine Wastegate-Einstellung, um ein Gesamtdruckverhältnis zwischen einem Einlass des Kompressorverdichters und einem Auslass des Turboladerverdichters auf Grundlage eines Drehmomentbedarfs eines Fahrzeugführers bereitzustellen; und dynamisches Einstellen des Betriebs des Kompressorverdichters über Einstellung eines Elektromotors auf Grundlage eines Echtzeit-Luftstromfehlbetrags an dem Turboladerverdichter. In dem vorhergehenden Beispiel beinhaltet zusätzlich oder optional Betreiben des Turboladerverdichters über die Wastegate-Einstellung, dass eine Öffnung des Wastegates verkleinert wird, wenn der Aufladungsbedarf des Fahrzeugführers zunimmt, um eine Abgasturbine des Turboladers hochzudrehen und das Gesamtdruckverhältnis zu erhöhen, wobei das Verfahren ferner Schätzen des Echtzeit-Luftstromfehlbetrags an dem Turboladerverdichter auf Grundlage eines tatsächlichen Druckverhältnisses über dem Turboladerverdichter in Bezug auf das Gesamtdruckverhältnis umfasst, wobei sich das tatsächliche Druckverhältnis über dem Turboladerverdichter ändert, wenn die Abgasturbine hochdreht. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet zusätzlich oder optional Einstellen des Betriebs des Kompressorverdichters, wenn der Luftstromfehlbetrag zunimmt, dass ein positives Elektromotordrehmoment erhöht wird, das dem Kompressorverdichter von dem Elektromotor bereitgestellt wird, um eine Drehzahl des Kompressorverdichters zu erhöhen, während ein tatsächliches Druckverhältnis über dem Kompressorverdichter unter einem Schwellendruckverhältnis auf Grundlage des Gesamtdruckverhältnisses und ferner auf Grundlage des tatsächlichen Druckverhältnisses über dem Turboladerverdichter gehalten wird. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet zusätzlich oder optional Einstellen des Betriebs des Kompressorverdichters ferner, dass als Reaktion auf eine Differenz zwischen dem tatsächlichen Drosseleinlassdruck und einem Soll-Drosseleinlassdruck auf Grundlage dessen, dass der Aufladungsbedarf des Fahrzeugführers höher als ein Schwellenwert ist, ein negatives Elektromotordrehmoment erhöht wird, das dem Kompressorverdichter von dem Elektromotor bereitgestellt wird, um die Drehzahl des Kompressorverdichters zu verringern. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst zusätzlich oder optional das Verfahren ferner Folgendes: als Reaktion auf ein Ladedrucküberschwingen Reduzieren der Drehzahl des Kompressorverdichters, indem negatives Elektromotordrehmoment von dem Elektromotor bereitgestellt wird, während die verkleinerte Öffnung des Wastegates beibehalten wird; und als Reaktion auf ein Ladedruckunterschwingen Erhöhen der Drehzahl des Kompressorverdichters, indem zusätzliches positives Elektromotordrehmoment von dem Elektromotor bereitgestellt wird, während die Öffnung des Wastegates weiter verkleinert wird. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet zusätzlich oder optional Einstellen des Betriebs des Kompressorverdichters auf Grundlage des Luftstromfehlbetrags, dass eine Leistung des Kompressorverdichters unabhängig von einer Position des Wastegates und unabhängig von einer Turbinendrehzahl des Turboladers eingestellt wird.
Ein anderes beispielhaftes Fahrzeugsystem umfasst Folgendes: einen Motor, der einen Einlass aufweist; ein Fahrpedal zum Empfangen eines Drehmomentbedarfs eines Fahrzeugführers; ein mehrstufiges Aufladesystem, das einen ersten Kompressorverdichter, der durch einen Elektromotor angetrieben wird, der elektrische Leistung aus einer Batterie aufnimmt, und einen zweiten Turboladerverdichter, der durch eine Abgasturbine angetrieben wird, beinhaltet, wobei der zweite Verdichter stromabwärts von dem ersten Verdichter in dem Motoreinlass positioniert ist; eine über den ersten Verdichter gekoppelte Umgehung, die ein Umgehungsventil beinhaltet; ein über die Abgasturbine gekoppeltes Wastegate, das einen Wastegate-Aktor beinhaltet; einen ersten Drucksensor, der stromaufwärts von dem ersten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, um den Luftdruck zu schätzen; einen zweiten Drucksensor, der stromabwärts von dem ersten Verdichter und stromaufwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen des Turboladerverdichtereinlassdrucks; einen dritten Drucksensor, der stromabwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen eines Drosseleinlassdrucks; und eine Steuerung mit auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten computerlesbaren Anweisungen zu Folgendem: als Reaktion auf den Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers Befehlen eines Gesamtdruckverhältnisses über dem mehrstufige Aufladesystem über eine Einstellung an dem Wastegate-Aktor; und Variieren des über dem ersten Verdichter befohlenen Druckverhältnisses über eine Einstellung an einer Leistung des Elektromotors auf Grundlage eines Ladedruckfehlbetrags, wobei der Ladedruckfehlbetrag auf Grundlage eines tatsächlichen Druckverhältnisses über dem zweiten Verdichter geschätzt wird. In dem vorhergehenden Beispiel beinhaltet zusätzlich oder optional Befehlen des Gesamtdruckverhältnisses, dass die Öffnung des Wastegate-Aktors verkleinert wird, wenn der Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers zunimmt, um das tatsächliche Druckverhältnis über dem zweiten Verdichter zu erhöhen, und wobei Variieren des über dem ersten Verdichter befohlenen Druckverhältnisses beinhaltet, dass ein Luftstromfehlbetrag an dem zweiten Verdichter auf Grundlage des Ladedruckfehlbetrags geschätzt wird und der Elektromotor in einem Motormodus betrieben wird, wenn der Luftstromfehlbetrag über einen Schwellenwert zunimmt, und der Elektromotor in einem Generatormodus betrieben wird, wenn der Luftstromfehlbetrag unter den Schwellenwert abnimmt. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele beinhaltet zusätzlich oder optional die Steuerung weitere Anweisungen zum Schließen des ESBV, wenn der Ladedruckfehlbetrag über einen Schwellenwert zunimmt, um das Druckverhältnis über dem ersten Verdichter zu erhöhen; und Öffnen des ESBV, wenn der Ladedruckfehlbetrag unter den Schwellenwert abnimmt, um das Druckverhältnis über dem ersten Verdichter zu verringern.
In einer weiteren Darstellung kann die Steuerung weitere Anweisungen zu Folgendem beinhalten: Schätzen des tatsächlichen Druckverhältnisses über dem ersten Verdichter auf Grundlage einer Ausgabe des zweiten Drucksensors in Bezug auf die Ausgabe des ersten Drucksensors; Schätzen des tatsächlichen Druckverhältnisses über dem zweiten Verdichter auf Grundlage der Ausgabe des dritten Drucksensors in Bezug auf die Ausgabe des zweiten Drucksensors; und Schätzen des Gesamtdruckverhältnisses des Motoreinlasses auf Grundlage der Ausgabe des dritten Drucksensors in Bezug auf die Ausgabe des ersten Drucksensors.
In einer anderen weiteren Darstellung beinhaltet ein Verfahren für einen aufgeladenen Motor Leiten eines Gesamtdruckverhältnisbefehls an einen Turbolader; und dynamisches Einstellen der Zuweisung eines Anteils des Gesamtdruckverhältnisbefehls zu dem Kompressor auf Grundlage eines Luftstromfehlbetrags an dem Turboladerverdichter, wobei der Luftstromfehlbetrag auf der Turbinendrehzahl beruht. In dem vorhergehenden Beispiel beinhaltet zusätzlich oder optional das Leiten eines Gesamtdruckverhältnisbefehls zu dem Turbolader eine Wastegate-Einstellung. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele wird zusätzlich oder optional der Luftstromfehlbetrag auf Grundlage eines tatsächlichen Druckverhältnisses an dem Turbolader in Bezug auf den Gesamtdruckverhältnisbefehl geschätzt, wobei das tatsächliche Druckverhältnis von der Turbinendrehzahl abgeleitet wird.
Es ist anzumerken, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in nichtflüchtigem Speicher gespeichert und durch das Steuersystem einschließlich der Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktoren und sonstiger Motorhardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere aus einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Demnach können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der veranschaulichten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsläufig erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern wird vielmehr zur Erleichterung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine(r) oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen können je nach konkret eingesetzter Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch Code darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Motorsteuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, das die verschiedenen Motorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung beinhaltet, ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und diese konkreten Ausführungsformen nicht in einschränkendem Sinn aufzufassen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die vorstehende Technik mit dem elektrischen Kompressor stromaufwärts oder stromabwärts von dem Turboladerverdichter und auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, 4-Zylinder-Boxer- und andere Motorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und sonstige hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die folgenden Patentansprüche legen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen dar, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Patentansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Patentansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente beinhalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch Einreichung neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Patentansprüche werden unabhängig davon, ob sie im Vergleich zu den ursprünglichen Patentansprüchen einen weiteren, engeren, gleichen oder anderen Umfang aufweisen, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
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

EP 1927739 A1 [0003]

Claims

Verfahren, umfassend: als Reaktion auf Drehmomentbedarf eines Fahrers Erzeugen eines Gesamtdruckverhältnisbefehls für eine erste, langsamere Verdichtungsvorrichtung eines Motoreinlasses; und Einstellen eines Druckverhältnisbefehls für eine zweite, schnellere Verdichtungsvorrichtung in dem Motoreinlass als Reaktion auf einen Ladedruckfehlbetrag, der für den Drehmomentbedarf des Fahrers erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen beinhaltet, dass der Gesamtdruckverhältnisbefehl auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers erzeugt wird, wobei der Ladedruckfehlbetrag eines von einem Luftstromfehlbetrag und einem Druckverhältnisfehlbetrag beinhaltet, und wobei das Einstellen beinhaltet, dass ein tatsächliches Druckverhältnis über der ersten Verdichtungsvorrichtung geschätzt wird, der Ladedruckfehlbetrag auf Grundlage des tatsächlichen Druckverhältnisses in Bezug auf den Gesamtdruckverhältnisbefehl geschätzt wird und der Gesamtdruckverhältnisbefehl für die zweite Verdichtungsvorrichtung auf Grundlage des Ladedruckfehlbetrags eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Einstellen ferner beinhaltet, dass der Ladedruckfehlbetrag dynamisch reduziert wird, wenn sich das tatsächliche Druckverhältnis über der ersten Verdichtungsvorrichtung dem Gesamtdruckverhältnisbefehl annähert, und der Druckverhältnisbefehl für die zweite Verdichtungsvorrichtung dynamisch eingestellt wird, wenn sich der Ladedruckfehlbetrag reduziert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Verdichtungsvorrichtung stufenweise stromabwärts von der zweiten Verdichtungsvorrichtung in dem Motoreinlass angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Verdichtungsvorrichtung ein Turbolader ist und die zweite Verdichtungsvorrichtung ein elektrischer Kompressor ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend Einstellen einer Öffnung eines Wastegate-Ventils, das über eine Abgasturbine des Turboladers gekoppelt ist, auf Grundlage des Gesamtdruckverhältnisbefehls, wobei die Öffnung des Wastegate-Ventils verkleinert wird, wenn der Gesamtdruckverhältnisbefehl zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Abgasturbine des Turboladers eine Turbine mit variabler Geometrie ist und wobei Erzeugen eines Gesamtdruckverhältnisbefehls für die erste Verdichtungsvorrichtung beinhaltet, dass ein Schaufelwinkel für die Abgasturbine auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers befohlen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Erzeugen des Gesamtdruckverhältnisbefehls auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers beinhaltet, dass der Gesamtdruckverhältnisbefehl auf Grundlage von einem oder mehreren von einem Absolutwert des Drehmomentbedarfs des Fahrers und einer Änderungsrate des Drehmomentbedarfs des Fahrers erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei Einstellen des Druckverhältnisbefehls für die zweite Verdichtungsvorrichtung beinhaltet, dass dann, wenn der Ladedruckfehlbetrag zunimmt, eine positive Elektromotordrehmomentabgabe von einem Elektromotor an den elektrischen Kompressor erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass als Reaktion darauf, dass der Drosseleinlassdruck innerhalb einer Schwellenentfernung von einem Soll-Ladedruck auf Grundlage des Drehmomentbedarfs des Fahrers liegt, eine negative Elektromotordrehmomentabgabe von dem Elektromotor an den elektrischen Kompressor erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend, dass als Reaktion darauf, dass der Drosseleinlassdruck bei dem Soll-Ladedruck liegt, der Elektromotor und der elektrische Kompressor deaktiviert werden, während der Drehmomentbedarf des Fahrers nur über die erste Verdichtungsvorrichtung erfüllt wird.
Fahrzeugsystem, umfassend: einen Motor, der einen Einlass aufweist; ein Fahrpedal zum Empfangen eines Drehmomentbedarfs eines Fahrzeugführers; ein mehrstufiges Aufladesystem, das einen ersten Kompressorverdichter, der durch einen Elektromotor angetrieben wird, der elektrische Leistung aus einer Batterie aufnimmt, und einen zweiten Turboladerverdichter, der durch eine Abgasturbine angetrieben wird, beinhaltet, wobei der zweite Verdichter stromabwärts von dem ersten Verdichter in dem Motoreinlass positioniert ist; eine über den ersten Verdichter gekoppelte Umgehung, die ein Umgehungsventil beinhaltet; ein über die Abgasturbine gekoppeltes Wastegate, das einen Wastegate-Aktor beinhaltet; einen ersten Drucksensor, der stromaufwärts von dem ersten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, um den Luftdruck zu schätzen; einen zweiten Drucksensor, der stromabwärts von dem ersten Verdichter und stromaufwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen des Turboladereinlassdrucks; einen dritten Drucksensor, der stromabwärts von dem zweiten Verdichter an den Einlass gekoppelt ist, zum Schätzen eines Drosseleinlassdrucks; und eine Steuerung mit auf einem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten computerlesbaren Anweisungen zu Folgendem: als Reaktion auf den Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers Befehlen eines Gesamtdruckverhältnisses über dem mehrstufigen Aufladesystem über eine Einstellung an dem Wastegate-Aktor; und Variieren des über dem ersten Verdichter befohlenen Druckverhältnisses über eine Einstellung an einer Leistung des Elektromotors auf Grundlage eines Ladedruckfehlbetrags, wobei der Ladedruckfehlbetrag auf Grundlage eines tatsächlichen Druckverhältnisses über dem zweiten Verdichter geschätzt wird.
System nach Anspruch 12, wobei Befehlen des Gesamtdruckverhältnisses beinhaltet, dass die Öffnung des Wastegate-Aktors verkleinert wird, wenn der Drehmomentbedarf des Fahrzeugführers zunimmt, um das tatsächliche Druckverhältnis über dem zweiten Verdichter zu erhöhen.
System nach Anspruch 12, wobei Variieren des über dem ersten Verdichter befohlenen Druckverhältnisses beinhaltet, dass ein Luftstromfehlbetrag an dem zweiten Verdichter auf Grundlage des Ladedruckfehlbetrags geschätzt wird, der Elektromotor in einem Motormodus betrieben wird, wenn der Luftstromfehlbetrag über einen Schwellenwert zunimmt, und der Elektromotor in einem Generatormodus betrieben wird, wenn der Luftstromfehlbetrag unter den Schwellenwert abnimmt.
System nach Anspruch 12, wobei die Steuerung weitere Anweisungen zu Folgendem beinhaltet: Schließen des ESBV, wenn der Ladedruckfehlbetrag über einen Schwellenwert zunimmt, um das Druckverhältnis über dem ersten Verdichter zu erhöhen; und Öffnen des ESBV, wenn der Ladedruckfehlbetrag unter den Schwellenwert abnimmt, um das Druckverhältnis über dem ersten Verdichter zu verringern.