DE102019215310A1 - Verfahren zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6), wobei in einem Beobachterpfad (87) für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader (6) eine geplante effektive Turbinenfläche (Atrb,des) und in einem geplanten Regelungspfad (88) eine beobachtete effektive Turbinenfläche (Atrb,obs) ermittelt werden, wobei in Abhängigkeit der Differenz zwischen der geplanten effektiven Turbinenfläche (Atrb,des) von der beobachteten effektiven Turbinenfläche (Atrb,obs) ein Korrektursignal (Δ4) für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader (6) ermittelt wird und ein Stellgeber in Abhängigkeit der geplanten effektiven Turbinenfläche (Atrb,des) und/oder die elektrische Maschine (8) zur Steuerung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6) angesteuert wird.

Description

  • Stand der Technik
  • 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)
  • 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-Istwert (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.
  • Weiterhin ist die Kombination einer einstufigen Abgasturboaufladung mit einem in Reihe geschalteten elektrischen Zusatzverdichter bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers vorgestellt, wobei in einem Beobachterpfad für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader eine geplante effektive Turbinenfläche und in einem geplanten Regelungspfad eine beobachtete effektive Turbinenfläche ermittelt werden, wobei in Abhängigkeit der Differenz zwischen der geplanten effektiven Turbinenfläche von der beobachteten effektiven Turbinenfläche ein Korrektursignal für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader ermittelt wird und ein Stellgeber in Abhängigkeit der geplanten effektiven Turbinenfläche und/oder die elektrische Maschine zur Steuerung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers angesteuert wird.
  • Das obige Verfahren offenbart eine Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers, bei dem ein elektrisch unterstützender und/oder rekuperativer Betrieb des elektrisch unterstützten Abgasturboladers mit in der Ladedruckregelung unter Einhaltung der Bauteilschutz-Begrenzung von Laderdrehzahl, Pumpvermeidung, maximalem Abgasgegendruck und maximaler Temperatur nach Verdichter berücksichtigt wird. Der Abgasturbolader und die Unterstützung durch die elektrische Maschine werden dabei durch die physikalische Beschreibung der Wirkzusammenhänge als ein Bauteil modelliert. Die Regelung nutzt die zusätzliche Dynamik durch die elektrische Unterstützung, sowie die Bestimmung der maximal möglichen Rekuperationsleistung im jeweiligen Betriebszustand.
    Mittels des Verfahrens kann ein besonders effizienter Betrieb des elektrisch unterstützten Abgasturboladers bereitgestellt werden. Dieser Vorteil ergibt sich dadurch, dass der Anteil der elektrischen Maschine zum Anteil der mechanischen Turbinenleistung aus der Strategie bestimmt wird, die elektrische Unterstützung nur dann anzufordern, wenn der Abgasturbolader die gewünschte Dynamik der Sollladedruckänderung unter Berücksichtigung von Bauteilschutz und physikalischen Begrenzungen nicht darstellen kann.
  • Weiterhin kann eine Korrektur des Beobachterpfads und des geplanten Regelungspfads in Abhängigkeit der Differenz zwischen einer aktuell ermittelten Drehzahl und einer modellierten Drehzahl des elektrisch unterstützten Abgasturboladers durchgeführt werden. Dies erhöht die Robustheit und die Präzision der Regelung bei aktiver elektrischer Unterstützung.
  • Des Weiteren kann ein maximaler möglicher Drehzahlgradient in Abhängigkeit der minimalen effektiven Fläche und/oder der Abgastemperatur und/oder des Abgasmassenstroms und der Einbeziehung der maximal verfügbaren elektrischen Leistung der elektrischen Maschine ermittelt werden. Damit ist die maximal mögliche Dynamik unter Einhaltung der Bauteilschutzgrenzen auf Turbinenseite ohne weiteren Applikationsaufwand bekannt.
  • Insbesondere kann die maximal mögliche Leistung der Abgasturbine in Abhängigkeit einer minimalen Turbinenfläche und/oder des Abgasgegendrucks und/oder des Abgasmassenstroms ermittelt werden. Durch Begrenzung des Abgasgegendrucks lässt sich der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungsmaschine reduzieren, wenn die fehlende Antriebsleistung der Turbine durch die elektrische Unterstützung bereitgestellt werden kann.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine geplante Turbinenleistung auf eine maximal mögliche Turbinenleistung begrenzt wird. Somit können Bauteilschutzgrenzen und somit eine mögliche Beschädigung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers verhindert werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass als Stellgeber ein Waste-Gate-Ventil und/oder eine variable Turbinengeometrie des elektrisch unterstützten Abgasturboladers verwendet wird.
  • Vorteilhaft ist es, wenn ein Gradient der Soll-Drehzahl einen maximal möglichen Drehzahlgradienten überschreitet, insbesondere wenn der Gradient der Soll-Drehzahl den maximal möglichen Drehzahlgradienten um mindestens 10 % überschreitet, ein unterstützender Betrieb der elektrischen Maschine für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader durchgeführt und der Turbinensteller auf die minimale Turbinenfläche eingestellt wird. Dies ist von Vorteil, da Aufgrund der Überschreitung des Gradienten direkt auf einen elektrisch unterstützenden, insbesondere elektrisch maximal unterstützenden, Betrieb für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader umgeschaltet wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass schnell auf eine Leistungsanforderung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers reagiert werden kann, ohne dass die gesamte Reglerstruktur durchlaufen werden muss.
  • Des Weiteren kann, wenn der Gradient der Soll-Drehzahl den maximal möglichen Drehzahlgradienten überschreitet, ein Signal vom Motorsteuergerät an das Steuergerät des elektrisch unterstützten Abgasturboladers gesendet werden und das Steuergerät in einem Koordinator einen elektrisch unterstützenden Betrieb, insbesondere maximal elektrisch unterstützenden Betrieb, für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader anfordern. Dies hat den besonderen Vorteil, dass es schnell auf eine Leistungsanforderung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers reagiert werden kann, ohne dass die gesamte Reglerstruktur durchlaufen werden muss.
  • Insbesondere kann ein unterstützender Betrieb des elektrisch unterstützten Abgasturboladers angefordert werden, wenn die geplante Turbinenleistung die maximal mögliche Turbinenleistung überschreitet.
  • Ferner kann eine Leistungsdifferenz zwischen der geplanten Turbinenleistung und der begrenzten Leistung als Vorsteuerwert für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader verwendet wird. Dies ist von Vorteil, da das System somit schnell eingeregelt werden kann.
  • Des Weiteren entspricht eine Differenz zwischen der maximal möglichen Turbinenleistung und der geplante Verdichterleistung einer maximal möglichen Rekuperationsleistung. Somit kann auf einfache Art und Weise ermittelt werden, wie viel überschüssige Energie dem System für einen Rekuperationsvorgang zur Verfügung steht, wobei weiterhin der Fahrerwunsch erfüllt werden kann.
  • Ferner kann in Abhängigkeit eines Gewichtungsfaktors, insbesondere eines Gewichtungsfaktors von 85 %, und/oder einer Bauteilschutzfunktion, insbesondere einer Pumpvermeidung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers oder eines Gangwechsels des Kraftfahrzeugs und/oder in Abhängigkeit eines Batteriezustands des Kraftfahrzeugs die maximal mögliche Rekuperationsleistung ganz oder nur teilweise rekuperiert wird. Dies ist von Vorteil, da somit auf Begrenzungen durch das verwendete System entschieden werden kann, ob Energie rekuperiert werden kann oder soll.
  • 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.
  • Figurenliste
  • 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 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers,
    • 3 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung einer Drehzahl- und Leistungsregelung für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Verbrennungskraftmaschine 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.
  • 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 erster Sensor 3, z. B. ein Heißfilmluftmassenmesser 3 (HFM), eine Aufladeeinrichtung 6, die eine Abgasturbine 61 im Abgassystem 5 aufweist und einen Verdichter 62 im Luftzuführungssystem 4 aufweist.
  • Der erste Sensor 3 kann einen Druck p1, eine Temperatur T1 und einen Massenstrom ṁcmpr bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann für jede Systemgröße auch jeweils ein Sensor verbaut sein. Auch können die Messgrößen mittels Modellen, welche auf dem Steuergerät 100 berechnet werden, ermittelt werden. Die Aufladeeinrichtung 6 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 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, oder 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 der Verdichtungsleistung 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. Vorzugsweise lässt sich ein Druck p20 und eine Temperatur T20 zwischen dem Verdichterrad 62 und dem Ladeluftkühler 7 modellieren. Das Modell zu Modellierung wird vorzugsweise auf einem Motorsteuergerät 100 ermittelt.
  • Des Weiteren kann ein Druck p21 und eine Temperatur T21 zwischen dem Ladeluftkühler 7 und der Drosselklappe 9, mittels eines auf dem Motorsteuergerät 100 berechneten Modells, ermittelt werden.
  • Das Motorsteuergerät 100 ist derart vorgesehen, die 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 Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine 22 und entsprechend einer Vorgabe, beispielsweise einem Fahrerwunschmoment, zu betreiben. Des Weiteren kann ein Steuergerät 110 vorhanden sein, welches vorzugsweise die Steuerung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 übernimmt. Dieses Steuergerät 110 verarbeitet vornehmlich Parameter, die mit dem elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 zusammenhängen, wie z. B. die aktuelle Drehzahl nsens, die aktuelle Drehmomentinformation Mtrb,act, eine Drehmomentinformation Mtrb,maxboost wie viel Drehmoment im aktuellen Betriebspunkt für einen unterstützenden Betrieb durch die elektrische Maschine 8 zur Verfügung steht, sowie eine Drehmomentinformation Mtrb,maxrekup wie viel Drehmoment im aktuellen Betriebspunkt für einen rekuperierenden Betrieb durch die elektrische Maschine 8 aufgenommen werden kann. Vom Motorsteuergerät 100 zum Steuergerät 110 werden z. B. Steuerungsparameter, wie Vorsteuerwerte für die elektrische Maschine 8 und Regelungsparameter für den unterstützenden und den rekuperativen Betrieb der elektrischen Maschine übertragen Das Steuergerät 110 tauscht dabei seine Daten, z. B. über einen CAN-Bus, mit dem Motorsteuergerät 100 aus. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise kabelgebunden oder kabellos.
  • Stromabwärts des Motors 22, d.h. auf der Abgasseite 5 des Kraftfahrzeugs 1, wird zwischen dem Motor und der Turbine 61 eine Temperatur T3, ein Druck p3 und ein Abgasmassenstrom ṁtrb ermittelt. Des Weiteren stehen die Information für die aktuelle Turbinenleistung Ptrb und die aktuelle Verdichterleistung Pcmpr zur Verfügung.
  • Hierzu können Sensoren für die Ermittlung des Drucks und der Temperatur verbaut sein, oder diese Größen werden mittels eines Modells, welches auf dem Steuergerät 100 berechnet werden, ermittelt.
  • Weiterhin kann der Turbine 61 ein sogenannter Bypass 63 parallelgeschaltet sein. 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. Weiterhin kann das Ventil 64 in Positionen zwischen vollständig offen und vollständig geschlossen eingestellt werden.
  • In einer alternativen Ausführung ist ein effektiver Strömungsquerschnitt des Turbineneintritts veränderlich ausgestaltet. Dazu können beispielsweise in einem Turbinengehäuse des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6, 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 6 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.
  • In einer weiteren Variante kann auch ein elektrisch unterstützter Turbolader 6 mit einem Waste-Gate und einer variablen Ventilgeometrie vorhanden sein.
  • Die beschriebenen Größen können z. B. aus Sensorwerten oder aus von Sensorwerten abgeleiteten Größen bestimmt werden oder als Modellwerte vorliegen. Weiterhin kann für die beschriebenen Größen auch jeweils ein einzelner Sensor verbaut sein. Ein Motorsteuergerät 100 ist dabei vorgesehen, die genannten Messgrößen zu empfangen, abzuspeichern und diese z.B. in Form von Modellen weiter zu verarbeiten.
  • In der 2 ist ein Funktionsdiagramm dargestellt, welches einen Beobachterpfad 87 und einen geplanten Regelungspfad 88 umfasst. Im geplanten Regelungsblock 88 wird in einem Verdichtermodellblock 70 ein Druckverhältnis über den Verdichter 62 umgerechnet. Beim Verdichterfunktionsblock 70 handelt es sich um ein Verdichterkennfeld, welchem das Verhältnis aus Soll-Ladedruck pdes und dem Druck vor Verdichter p1 zugeführt wird.
  • Aus dem Verdichterkennfeld lässt sich unter Verwendung des Massenstroms ṁcmpr über den Verdichter 62 die Soll-Drehzahl nset des Verdichters 62 ermitteln. Zusätzlich wird auf dem Steuergerät 100 der Gradient der Soll-Drehzahl nset ermittelt.
  • Unter Verwendung der minimal zulässigen effektiven Turbinenfläche Atrb,min wird mittels eines Drosselmodellblocks 71 ein maximal möglicher Abgasgegendruck p3,max ermittelt. Die minimal zulässige effektive Fläche Atrb,min kann z. B. durch eine Prüfstandsmessung für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 ermittelt werden.
  • Mit dem maximal zulässigen Abgasgegendruck p3,mαx wird in einem Turbinenmodellblock 72 unter Verwendung der Temperatur T3 und der Abgasenthalpie S eine maximal mögliche Turbinenleistung Ptrb,max ermittelt.
  • Auf die maximal mögliche Turbinenleistung Ptrb,max wird dann die maximal verfügbare elektrische Antriebsleistung Pel,max aufaddiert. Die maximal verfügbare elektrische Antriebsleistung Pel,max ist dabei eine dynamische Leistung, da die Leistung der elektrischen Maschine 8 unter anderem temperaturabhängig und vom Ladezustand der Batterie des Fahrzeugs 1 ist.
  • Mittels eines weiteren Modellblocks 73 wird aus dieser Differenz der maximal möglicher Drehzahlgradient ṅmax ermittelt. Im Modellblock 73 wird in Abhängigkeit der Antriebsleistung, welche der Summe der Turbinen- und der elektrischen Leistung entspricht, sowie der Verdichterleistung und der Reibungsleistung der maximal mögliche Drehzahlgradient ṅmax ermittelt. Für elektrisch unterstützte Systeme ist dies der Anknüpfpunkt, um die maximal verfügbare elektrische Leistung Pel,max bei der Bestimmung der maximal möglichen Drehzahländerung des elektrischen unterstützten Abgasturboladers 6 zu berücksichtigen.
  • In einer speziellen Ausführungsform wird, wenn der Gradient der Soll-Drehzahl nset viel größer ist als der Gradient der maximalen Drehzahl ṅmax ist, ein Volllastbit vom Motorsteuergerät 100 zum Steuergerät 110 des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 gesendet, wobei eine volle Unterstützung der elektrischen Maschine 8 angefordert und eingestellt wird. Unter viel größer kann z. B. verstanden werden, dass der Gradient der Soll-Drehzahl nset den Gradienten der maximalen Drehzahl ṅmax um mindestens 15 % überschreitet.
  • In einem Trajektorien-Generatorblock 74 wird mit den Eingangsgrößen der Soll-Drehzahl nset, des Gradienten der Soll-Drehzahl nset und des maximal möglichen Drehzahlgradienten ṅmax die geplante Drehzahl ndes sowie deren Gradient ndes ermittelt. Mittels dieser Trajektorienplanung wird die dynamische Vorgabe der Soll-Drehzahl nset auf eine geplante Drehzahl ndes begrenzt, die physikalisch durch das gegebene System im aktuellen Betriebspunkt erreicht werden kann. Dabei muss die geplante Drehzahl ndes nicht mit der Soll-Drehzahl nset übereinstimmen, da der vorgegebene Soll-Ladedruck pdes in der Dynamik durchaus höher sein kann, als es durch das System darstellbar ist. Des Weiteren können Bauteilschutzgrenzen, wie z. B. Drehzahlgrenzen, Temperaturgrenzen nach Verdichter, Pumpkennlinien des Verdichters, maximale Abgasgegendrücke für die Trajektorienplanung berücksichtigt.
  • Mit der geplanten Drehzahl ndes und deren ermitteltem Gradienten ndes kann ein Leistungsgleichgewicht zwischen der Verdichter- und der Turbinenseite des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 aufgestellt werden, um die geplante Turbinenleistung Ptrb,des zu ermitteln, die für das Erreichen des geplanten Ladedrucks erforderlich ist. Dies wird in Abhängigkeit der Antriebsleistung, welche der Summe der Turbinen- und der elektrischen Leistung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 entspricht, sowie der Verdichterleistung und der Reibungsleistung in einem Funktionsblock 75 durchgeführt. Außerdem wird im Normalfall die geplante Laderdrehzahl als Sollwert an das Steuergerät 110 des elektrisch unterstützten Turboladers übergeben.
  • Anschließend wird die geplante Turbinenleistung Ptrb,des auf die maximal mögliche Turbinenleistung Ptrb,max begrenzt. Die daraus resultierende Leistung PDif wird von der geplanten Turbinenleistung Ptrb,des subtrahiert und bildet einen geplanten Vorsteuerwert Pel,pre für die Antriebsleistung der elektrischen Maschine 8. Dieser Vorsteuerwert wird an den Regler 92 im Steuergerät 110 des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6, welcher detailliert in der 3 beschrieben wird, übergeben.
  • Dieser geplante Vorsteuerwert Pel,pre wird vorzugsweise im Motorsteuergerät 100 ermittelt und an das Steuergerät 110 des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 gesendet und empfangen. Bei aktiver elektrischer Unterstützung durch die elektrische Maschine 8 entspricht die geplante Turbinenleistung Ptrb,des also der maximal zulässigen Turbinenleistung Ptrb,max.
  • Die begrenzte geplante Turbinenleistung dient als Eingangsgröße für den Turbinenmodellblock 76. Als Ergebnis erhält man das Druckverhältnis zwischen dem geplanten Abgasgegendruck p3,des und dem Druck p4 nach der Turbine 61. Dieses Druckverhältnis dient als Eingangsgröße für den Drosselmodellblock 77 und es wird die geplante effektive Turbinenfläche Atrb,des ermittelt. Solange der Bauteilschutz für den maximal zulässigen Abgasgegendruck p3,max nicht aktiv ist, liefert die restliche Rechenkette die minimale Turbinenleistung Atrb,min als geplante effektive Turbinenfläche Atrb,des.
  • Diese geplante effektive Turbinenfläche Atrb,des wird in einem Kennfeldblock 78 in ein Tastverhältnis für den Steller umgewandelt.
  • Auf dem Beobachterpfad 87, startend mit dem Funktionsblock 79, wird mit den Eingangsgrößen des Drucks p21,sens und des Drucks p1 die modellierte Beobachter-Drehzahl nobs ermittelt. Der Funktionsblock 79 entspricht hierbei einem Verdichterkennfeld bzw. Verdichtermodell.
  • Anschließend wird eine geplante korrigierte Drehzahl nobs,cor sowie der Gradient der geplanten korrigierten Drehzahl ṅobs,cor des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 ermittelt. Hierzu wird zuerst eine Differenz zwischen der aktuell ermittelten Drehzahl nsens und der modellierten Drehzahl nobs ermittelt. Diese Differenz wird mittels eines Funktionsblocks 80, welcher wie ein PT1-Filter aufgebaut ist und zusätzlich eine Maximal- und Minimalbegrenzung vornimmt, verarbeitet. Die Maximal- und Minimalbegrenzung verhindert dabei, dass unzulässige Abweichungen in der Beobachterstruktur einberechnet werden. Diese Differenz entspricht dabei dem Fehler des Verdichtermodells 70 bzw. 79. Die dabei gewonnene Systemgröße wird anschließend mit der modellierten Drehzahl nobs aufaddiert und es wird eine die modellierte korrigierte Drehzahl ṅobs,cor ermittelt. Des Weiteren wird diese Korrektur auch bei der Ermittlung der Soll-Drehzahl nset einberechnet.
  • Des Weiteren wird eine geplante korrigierte Laderdrehzahl ndes,cor aus der Differenz zwischen der aktuellen Laderdrehzahl nsens und der korrigierten modellierten Laderdrehzahl ṅobs,cor ermittelt. Diese Größe dient als Eingangsgröße für die Regelung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 8. Diese Regelung wird vorteilsweise auf dem Steuergerät 110 durchgeführt und in 3 beschrieben. Für die Ermittlung des geplanten Drucks p2,des wird eine Differenz zwischen der geplanten Drehzahl ndes und der aktuell ermittelten Drehzahl nsens gebildet. Anschließend wird diese ermittelte Größe dem Funktionsblock 85 bereitgestellt und man erhält den geplanten Druck p2,des. Auf diesen geplanten Druck p2,des wird eingeregelt. Wenn dieser aufgrund von Bauteilschutzgrenzen oder physikalischen Begrenzungen, wie z. B. der minimalen effektiven Turbinenfläche oder zu geringer elektrischer Unterstützung durch die elektrische Maschine 8 unterhalb des Soll-Ladedruck liegt, kann dies für eine Diagnosefunktion verwendet werden. Bei mehrstufigen Systemen wird aus dem geplanten Ladedruck p2,des das Druckverhältnis für die nächste Verdichterstufe berechnet.
  • Mittels des Funktionsblocks 81 wird die beobachtete Turbinenleistung Ptrb,obs aus der modellierten korrigierten Drehzahl nobs,cor sowie des Gradienten der modellierten korrigierten Drehzahl ṅbs,cor ermittelt. Die modellierte Turbinenleistung Ptrb,obs, die sich aus der korrigierten modellierten Drehzahl nobs ergibt, setzt sich aus der elektrischen Leistung der elektrischen Maschine 8 und der modellierten Turbinenleistung Ptrb,obs zusammen. Die aktuelle elektrische Leistung Pel,act wird daher von der modellierten Turbinenleistung Ptrb,obs abgezogen. Diese Differenzleistung wird dann einem Turbinenmodellblock 82 zur Verfügung gestellt und es wird ein Druckverhältnis zwischen dem modellierten Abgasgegendruck p3,obs und dem Druck p4 nach der Turbine 61 ermittelt. Aus diesem Druckverhältnis wird mittels des Drosselmodellblocks 83 in eine effektive modellierte Turbinenfläche Atrb,obs umgerechnet. Anschließend wird die Differenz zwischen der modellierten effektiven Turbinenfläche Atrb,obs und der effektiven geplanten Turbinenfläche Atrb,des ermittelt. Diese Differenz ΔA wird anschließend dem PID Regler 84 zur Verfügung gestellt und man erhält ein Differenztastverhältnis ΔDC.
  • Das Differenztastverhältnis ΔDC wird auf das ermittelte geplante Tastverhältnis DCdes aufaddiert und an den Steller ausgegeben. Durch die Veränderung des Stellers, z. B. des Waste-Gate-Ventils 64 oder der variablen Turbinengeometrie des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6. Anschließend wird im Funktionsblock 86 der gemessene Druck p21,sens zurück in den Beobachterregelungsblock übertragen.
  • Der Anteil der elektrischen Unterstützung an der gesamten Turbinenleistung lässt sich über die Begrenzung des maximal zulässigen Abgasgegendrucks p3,max steuern. Dadurch kann der Ladedruck und der Abgasgegendruck erstmals unabhängig voneinander eingestellt werden, solange das Bordnetz in der Lage ist die erforderliche elektrische Antriebsleistung bereit zu stellen.
  • In der 3 ist ein Funktionsdiagramm dargestellt, in dem ein Koordinator 92 für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 zur Regelung dargestellt ist. Für einen unterstützenden Betrieb (Boost mode) des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 wird die Strategie verfolgt, die mechanische Antriebsleistung primär aus der Abgas-Turbine 61 zu entnehmen, bis diese durch z. B. Bauteilschutzgrenzen, insbesondere durch den maximalen Abgasgegendruck p3,max, begrenzt wird. Erst die darüber erforderliche Antriebsleistung zur Darstellung des Soll-Ladedrucks pdes erfolgt über den elektrischen Anteil des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6.
  • Aus dem Beobachterpfad 87 und dem geplanten Regelungspfad 88 wird dazu die geplante korrigierte Laderdrehzahl ndes,cor und die aktuelle Laderdrehzahl ndes,cor an das Steuergerät 110 des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 übertragen und empfangen. Anschließend wird eine Differenz Δn zwischen der geplanten korrigierten Laderdrehzahl ndes,cor und der aktuell ermittelten Drehzahl nsens gebildet. Anschließend wird die Differenz Δn einem PID-Regler 90 als Eingangssignal zur Verfügung gestellt. Als Ausgangssignal des PID-Reglers 90 wird eine elektrische Leistung Pdes,cor erhalten. Auf diese Leistung Pdes,cor wird der im geplanten Regelungspfad 88 ermittelte geplante Vorsteuerwert Pel,pre für die elektrische Maschine 8 aufaddiert und man erhält die Gesamtleistung Pel,ges. Anschließend wird diese Gesamtleistung Pel,ges an den Funktionsblock 91 übertragen. Der Funktionsblock 91 ist ein Schalter, wobei in Abhängigkeit des im geplanten Regelungspfad 88 ermittelten Volllastbits stETAmaxPowReq, die maximal mögliche Leistung Pmax oder die Gesamtleistung Pel,ges als Ausgangssignal übertragen wird. Hat das Volllastbits stETAmaxPowReq den Wert Null, so wird die ermittelte Gesamtleistungsanforderung Pel,ges vom Funktionsblock 91 an die Leistungsendstufe des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 übertragen. Überträgt das Volllastbit stETAmaxPowReq den Wert 1, d.h. wenn der Gradient der Soll-Drehzahl nset viel größer ist als der Gradient der maximalen Drehzahl ṅmax, dann wird die maximale Leistungsanforderung Pmax an die Leistungsendstufe des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 übertragen.
  • Alternativ kann anstelle der Turbinenleistung auch das Drehmoment für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 als Ausgangsgröße des PID-Reglers 90 für den Koordinator verwendet werden.
  • Für den rekuperativen Betrieb des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 wird die Differenz zwischen der geplanten Leistung des Verdichters zur Realisierung des aktuellen Soll-Ladedrucks p2,des und der maximal möglichen Antriebsleistung Ptrb,max des Abgas-Turbine 61 bei geschlossenem Waste-Gate-Ventil 64 unter Berücksichtigung der Bauteilgrenzen, insbesondere des maximalen Abgasgegendruck p3,mαx, gebildet. Dieser Leistungsüberschuss stellt die maximal mögliche Rekuperationsleistung Prek,max zur Gewinnung elektrischer Energie dar, die dem System bei Realisierung des Soll-Ladedrucks p2,des noch entnommen werden kann. Die Rekuperation kann z. B. angefordert werden, wenn Prek,max einen positiven Mindestwert übersteigt, oder wenn das Bordnetz bzw. das Batterienetz des Systems diese Energie noch in der Autobatterie oder für andere Verbraucher aufnehmen kann. Ansonsten ist die Rekuperationsanforderung nicht freigegeben. Des Weiteren wird die angeforderte Rekuperationsleistung auf einen Bruchteil der maximal vom elektrisch unterstützten Abgasturbolader 6 mögliche Rekuperationsleistung Prek,max begrenzt, z. B. auf 85 %. Die Rekuperationsanforderung kann vorzugsweise vom Motorsteuergerät 100 zum Steuergerät 110 des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 6 mittels eines Statusbits durchgeführt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10302453 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Steuerung eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6), wobei in einem Beobachterpfad (87) für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader (6) eine geplante effektive Turbinenfläche (Atrb,des) und in einem geplanten Regelungspfad (88) eine beobachtete effektive Turbinenfläche (Atrb,obs) ermittelt werden, wobei in Abhängigkeit der Differenz zwischen der geplanten effektiven Turbinenfläche (Atrb,des) von der beobachteten effektiven Turbinenfläche (Atrb,obs) ein Korrektursignal (ΔA) für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader (6) ermittelt wird und ein Stellgeber in Abhängigkeit der geplanten effektiven Turbinenfläche (Atrb,des) und/oder die elektrische Maschine (8) zur Steuerung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6) angesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur des Beobachterpfads (87) und des geplanten Regelungspfads (88) in Abhängigkeit der Differenz zwischen einer aktuell ermittelten Drehzahl (nsens) und einer modellierten Drehzahl (nobs) des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler möglicher Drehzahlgradient (ṅmax) in Abhängigkeit der minimalen effektiven Fläche (Atrb,min) und/oder der Abgastemperatur (T3) und/oder des Abgasmassenstroms (ṁtrb) und der Einbeziehung der maximal verfügbaren elektrischen Leistung (Pel,max) der elektrischen Maschine (8) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal mögliche Leistung (Ptrb,max) der Abgasturbine (61) in Abhängigkeit einer minimalen Turbinenfläche (Aeff,min) und/oder des Abgasgegendrucks (p3,max) und/oder des Abgasmassenstroms (ṁtrb) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geplante Turbinenleistung (Ptrb,des) auf eine maximal mögliche Turbinenleistung (Ptrb,max) begrenzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgeber ein Waste-Gate-Ventil (64) und/oder eine variable Turbinengeometrie des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6) verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn ein Gradient der Soll-Drehzahl (ṅset) einen maximal möglichen Drehzahlgradient (ṅmax) überschreitet, insbesondere wenn der Gradient der Soll-Drehzahl (ṅset) den maximal möglichen Drehzahlgradient (ṅmax) um mindestens 10 % überschreitet, ein unterstützender Betrieb der elektrischen Maschine (8) für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader (6) durchgeführt und der Turbinensteller (VTG/Wastegate) auf die minimale Turbinenfläche eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Gradient der Soll-Drehzahl (ṅset) den maximal möglichen Drehzahlgradient (ṅmax) überschreitet, ein Signal (stETAmaxPowReq) vom Motorsteuergerät (100) an das Steuergerät (110) des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6) gesendet und das Steuergerät (110) in einem Koordinator (92) einen elektrisch unterstützenden Betrieb für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader (6) anfordert.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterstützender Betrieb des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6) angefordert wird, wenn die geplante Turbinenleistung (Ptrb,des) die maximal mögliche Turbinenleistung (Ptrb,max) überschreitet.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsdifferenz zwischen der geplanten Turbinenleistung (Ptrb,des) und der begrenzten Leistung (PDif) als Vorsteuerwert (Pel,pre) für den elektrisch unterstützten Abgasturbolader (6) verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen der maximal möglichen Turbinenleistung (Ptrb,max) und der geplante Verdichterleistung (Pcmp,des) einer maximal möglichen Rekuperationsleistung (Prek,max) entspricht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines Gewichtungsfaktors, insbesondere eines Gewichtungsfaktors von 85 %, und/oder einer Bauteilschutzfunktion, insbesondere einer Pumpvermeidung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (6) oder eines Gangwechsels des Kraftfahrzeugs (1) und/oder in Abhängigkeit eines Batteriezustands des Kraftfahrzeugs (1) die maximal mögliche Rekuperationsleistung (Prek,max) ganz oder nur teilweise rekuperiert wird.
  13. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
  14. Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 13.
  15. Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (100), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
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