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Stand der Technik
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Stand der Technik ist eine elektronische Ladedruckregelung für ein- und zweistufige Abgasturbolader. Der Ladedruck eines Abgasturboladers wird dabei einem Ladedruck-Sollwert mittels einer Regelung nachgeführt. Die Regelung des Ladedrucks erfolgt dabei über einen Bypass zur Turbine (Waste-Gate) oder durch eine variable Turbinengeometrie (VTG - Variable Turbine Geometry)
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Aus der
DE 103 02 453 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Ladedrucks eines Abgasturboladers (
1) bekannt, bei dem ein Ladedruck-Ist-wert (pvdkds) einem Ladedruck-Sollwert (plsoll) nachgeführt wird. Dabei wird der Ladedruck des Abgasturboladers (
1) in Abhängigkeit einer charakteristischen Größe eines mit dem Abgasturbolader (
1) zur Verdichtung der angesaugten Luft zusammenwirkenden elektrischen Hilfsladers (
5) geregelt. Auf diese Weise wird ein unnötiges Öffnen eines Bypass-Ventils des Abgasturboladers (
1) vermieden.
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Weiterhin ist die Kombination einer einstufigen Abgasturboaufladung mit einem in Reihe geschalteten elektrischen Zusatzverdichter bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers vorgestellt, wobei der elektrisch unterstütze Abgasturbolader mittels eines ersten und eines zweiten Regelkreises geregelt wird, wobei ein Ist-Wert des elektrisch unterstützen Abgasturboladers und ein modellierter Wert, sowie ein erster Sollwert für den elektrisch unterstützen Abgasturbolader ermittelt werden, wobei der modellierte Wert dem Ist-Wert reduziert um die Leistung der elektrischen Maschine entspricht, wobei im ersten Regelkreis der modellierte Wert dem ersten Soll-Wert nachgeführt und im zweiten Regelkreis der Ist-Wert des elektrisch unterstützen Abgasturboladers dem ersten Soll-Wert oder ein zweiter Ist-Wert einem zweiten Sollwert nachgeführt wird.
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Das Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass die Regelung des ersten und des zweiten Regelkreises, respektive des geregelten Anteils der Turbinenleistung und der geregelten Leistung der elektrischen Maschine, sauber voneinander entkoppelt sind, so dass eine Applikation ohne großen Aufwand und effizient sichergestellt ist. Der Anteil der elektrischen Maschine zum Anteil der Turbinenleistung wird somit stets minimal geregelt. Dies wird dadurch erreicht, dass dem ersten Regelkreis ein System ohne elektrische Maschine unterstellt wird. Das offenbarte Verfahren zeichnet sich durch eine höhere Dynamik aus und erfordert lediglich eine angepasste Applikation der Regelparameter.
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Es ist vorteilhaft, wenn der erste Regelkreis einen modellierten Ladedruck einem Soll-Ladedruck oder einen modellierten Luftmassenstrom einem Soll-Luftmassenstrom nachregelt. Die Regelung mittels des Ladedrucks oder des Luftmassenstroms der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht eine einfache und effiziente Regelung.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der zweite Regelkreis einen Ist-Ladedruck einem Soll-Ladedruck oder eine Ist-Drehzahl einer Soll-Drehzahl nachregelt. Die Regelung mittels des Ladedrucks oder mittels der Drehzahl ist besonders gut für die elektrische Maschine geeignet und ermöglicht eine einfache und effiziente Regelung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der modellierte Wert auf Basis einer Modellrechnung aus dem Ist-Wert für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader und weiteren Zustandsgrößen ermittelt.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Modellrechnung in Abhängigkeit mindestens einer der Zustandsgrößen eines Luftdurchsatzes über den elektrisch unterstützen Turbolader und/oder einer Drehzahl des Abgasturboladers und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eines Ladedrucks und/oder eines Umgebungsdrucks durchgeführt wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der erste Regelkreis die Turbinenleistung, insbesondere mittels eines Waste-Gates oder einer variablen Turbinengeometrie, aktuiert.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der zweite Regelkreis die Leistung der elektrischen Maschine, insbesondere durch eine Spannungs- oder Stromregelung, aktuiert.
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In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer Verbrennungskraftmaschine 22,
- 2 den beispielhaften Ablauf des Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Motorsystem 20 und einer Verbrennungskraftmaschine 22, die eine Anzahl von Zylindern 23 aufweist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt ohne Einschränkung eine vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine 22. Die Verbrennungskraftmaschine 22 kann als Diesel- oder Ottomotor ausgebildet sein.
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Die Verbrennungskraftmaschine 22 wird in an sich bekannter Weise Umgebungsluft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt und Verbrennungsabgas aus den Zylindern 23 über ein Abgassystem 5 abgeführt. Das Luftzuführungssystem 4 steht über Einlassventile (nicht gezeigt) mit den Zylindern 23 der Verbrennungskraftmaschine 22 in an sich bekannter Weise in Verbindung. Verbrennungsabgas wird über entsprechende Auslassventile (nicht gezeigt) in das Abgassystem 5 in an sich bekannter Weise ausgestoßen.
In Strömungsrichtung der Luft 2 ist Folgendes angeordnet: Ein Heißluftmassenmesser 3 (HFM), eine Aufladeeinrichtung, die eine Abgasturbine 61 im Abgassystem 5 aufweist und einen Verdichter 62 im Luftzuführungssystem 4 aufweist. Die Aufladeeinrichtung ist als ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader 6 aufgebaut. Die Turbine 61 ist mit dem Verdichter 62 mechanisch gekoppelt, so dass Abgasenthalpie, die in der Turbine 61 in mechanische Energie umgesetzt wird, zur Verdichtung von aus der Umgebung entnommener Umgebungsluft in dem Verdichter 62 verwendet wird.
Zusätzlich kann die Aufladeeinrichtung mithilfe einer elektrischen Maschine 8, welche zusätzliche mechanische Energie über eine mechanische Kopplung zwischen der Turbine 61, Verdichter 62 und der elektrischen Maschine 8 einbringen kann, elektrisch betrieben werden, so dass der Verdichter 62 auch unabhängig von der Turbine bereitgestellten mechanischen Energie oder auch unterstützend betrieben werden kann.
Der elektrische Unterstützungsantrieb kann in verschiedenen Bauformen umgesetzt sein. Z. B. als Medienspaltmotor vor dem Verdichterrad 62, als Mittelmotor zwischen der Turbine und dem Verdichterrad.
Stromabwärts des Verdichters 62 kann ein Ladeluftkühler 7 vorgesehen sein. Der Ladedruck im Ladeluftabschnitt 41 ergibt sich aus den Verdichtungsleistungen des Verdichters 62.
Der Ladeluftabschnitt 41 wird durch eine Drosselklappe 9 stromabwärts begrenzt. Zwischen der Drosselklappe 9 und Einlassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 23 der Verbrennungskraftmaschine 22 befindet sich ein Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4.
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Es ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die den Verbrennungskraftmaschine 22 in an sich bekannter Weise durch Stellen der Stellgeber, wie beispielsweise der Drosselklappe 9, eines Laderstellers an der Turbine 61, und dergleichen entsprechend eines momentanen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 22 und entsprechend einer Vorgabe, beispielsweise einem Fahrerwunschmoment, betreibt.
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Weiterhin ist der Turbine 61 ist ein sogenannter Bypass 63 parallelgeschaltet. Im Bypass ist ein Ventil 64 angeordnet, das auch als Waste-Gate bezeichnet wird. Ist das Ventil 64 geschlossen, so wird der Abgasstrom vollständig durch die Turbine 61 geleitet. Ist das Ventil 64 geöffnet, so wird zumindest ein Teil des Abgasstromes an der Turbine 61 vorbeigeleitet.
In einer alternativen Ausführung ist ein effektiver Strömungsquerschnitt des Turbineneintritts veränderlich ausgestaltet. Dazu können beispielsweise in einem Turbinengehäuse des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 8, in welchem das Turbinenrad angeordnet ist, verstellbare Leitschaufeln angeordnet sein. Durch Verstellen der Einstellung der Leitschaufeln kann die Drehzahl des Turbinenrads bei gleichem Abgasstrom verändert werden, wodurch die von dem Verdichterrad erzeugte Verdichtung, der sogenannte Ladedruck verändert werden kann. Der elektrisch unterstützte Abgasturbolader 8 mit variabler Turbinengeometrie weist bevorzugt eine Radialturbine und einen Radialverdichter auf. Im Turbinenradeintritt kann eine Leitschaufelmimik vorgesehen sein, die über einen elektrischen Steller verstellt wird. Dabei kann durch Verdrehen der Leitschaufeln der effektive Strömungsquerschnitt vor dem Turbinenrad variiert werden.
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In der 2 ist der beispielhafte Ablauf des Verfahrens zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers 8 anhand eines Ablaufdiagramms gezeigt.
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In einem ersten Schritt 500 wird für den ersten Regelkreis ein Soll-Wert für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 bestimmt. Der Soll-Wert entspricht hierbei vorzugsweise einem Soll-Ladedruck oder alternativ einem Soll-Luftmassenstrom. Im folgenden Beispiel wird ein Soll-Ladedruck für den ersten Regelkreis verwendet. Dieser kann z. B. mittels eines Modells in Abhängigkeit mit Eingangsgrößen, insbesondere der Fahrpedalinformation und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors, ermittelt werden. Für den zweiten Regelkreis kann z. B. der gleiche Soll-Wert wie für den ersten Regelkreis oder alternativ ein in direkter Abhängigkeit des Soll-Werts des ersten Regelkreises ermittelter Soll-Wert verwendet werden. Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine Soll-Drehzahl für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 für den zweiten Regelkreis, z. B. als Funktion des Soll-Ladedrucks des ersten Regelkreises, ermittelt. Alternativ kann für den zweiten Regelkreis anstelle der Soll-Drehzahl der Soll-Ladedruck des ersten Regelkreises verwendet werden.
In einem Schritt 510 wird ein Ist-Ladedruckwert für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 bestimmt. Dies kann insbesondere über eine Funktion in Abhängigkeit der Größen der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 22, dem Drosselklappenwinkel der Drosselklappe 9, der Ladelufttemperatur und dem Luftmassendurchsatz berechnet werden. Der Luftmassendurchsatz kann dabei insbesondere über einen Heißfilmluftmassensensor 3 bestimmt werden. Alternativ kann hierzu anstelle einer Modellrechnung auch ein Ladedrucksensor verwendet werden.
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Weiterhin wird im zweiten Regelkreis die Ist-Drehzahl für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 ermittelt. Dies wird vorzugsweise über die Elektronik bzw. die vorliegenden Messgrößen der elektrischen Maschine 8 durchgeführt. Anschließend wird in einem Schritt 520 ein modellierter Wert für den ersten Regelkreis ermittelt. Der modellierte Wert wird aus dem Ist-Ladedruckwert und der derzeit anliegenden Leistung der elektrischen Maschine 8 wie folgt berechnet. Ausgehend von einem Verdichtermodell für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 wird die elektrische Leistung p der elektrischen Maschine 8 von der aktuellen Verdichterleistung subtrahiert. Die Leistung p der elektrischen Maschine 8 kann dabei mittels eines Sensors oder eines Modellwerts der Steuerungselektronik für elektrischen Maschine 8 ermittelt werden. Die Ist-Verdichterleistung wird z. B. mittels eines Verdichtermodells als Funktion des Luftmassenstroms, der Drehzahl der elektrischen Maschine 6 und eines Druckverhältnisses am Verdichter des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 ermittelt.
Weiterhin werden die Beschleunigungsleistung und die Reibung der Welle des elektrischen Abgasturboladers 6 von diesem Ergebnis subtrahiert. Somit erhält man eine virtuelle Ist-Verdichterleistung.
Mittels eines Kennfelds mit den Eingangsgrößen der virtuellen Ist-Verdichterleistung und derzeitigen Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 22 erhält man einen modellierten Wert für das Druckverhältnis am Verdichter 62. Multipliziert man diese mit dem aktuellen Umgebungsdruck bzw. dem Verdichtereingangsdruck erhält man den modellierten oder virtuellen Ist-Ladedruck.
Dieser modellierte Ist-Ladedruck entspricht dabei dem Ist-Ladedruck des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 reduziert um die derzeit anliegende Leistung der elektrischen Maschine 8.
In einem Schritt 540 wird die Regeldifferenz für den ersten Regelkreis zwischen dem Ladedruck-Sollwert und dem modellierten Ladedruckwert berechnet. Gleichzeitig wird eine Regeldifferenz für den zweiten Regelkreis zwischen der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl berechnet.
Der erste und der zweite Regelkreis können hierbei als aus dem Stand der Technik bekannte Regelkreise mit P-, I- und D-Anteilen ausgebildet sein.
Der erste und der zweite Regelkreis erhalten dann jeweils ihre Regeldifferenz als Eingangswert.
In einem Schritt 550 wird mittels des ersten Regelkreises eine Stellposition für den Waste-Gatesteller eingestellt. Falls das System als ein Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie ohne Waste-Gate ausgebildet ist, wird die Stellung der Leitschaufeln dementsprechend eingestellt.
Mittels des zweiten Regelkreises wird die Bestromung der elektrischen Maschine 8 eingestellt. Dies kann mittels einer Spannungs- und/oder Stromregelung durchgeführt werden.
Für den Fall, dass die Regeldifferenz im zweiten Regelkreis einen negativen Wert annimmt, kann die elektrische Maschine 8 den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 einbremsen. Die elektrische Maschine 8 wird dabei im rekuperativen Modus betrieben, so dass Überschwingvorgänge des ersten Regelkreises gedämpft werden und die Überschuss-Energie in das Fahrzeug Bordnetz zurückgeführt wird.
Anschließend wird das Verfahren im Schritt 500 von vorne gestartet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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