DE102020208938A1

DE102020208938A1 - Verfahren zum Betreiben eines zweistufigen Aufladungssystems, Steuergerät und ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020208938A1
Application number: DE102020208938.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gebauer; Matthias Hübner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2022-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines zweistufigen Aufladungssystems (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (2), wobei das Aufladungssystem (1) aufweist:- eine Niederdruck(ND)-Aufladungsstufe (3) mit einem ND-Verdichter (5) und einer ND-Turbine (7); und- eine Hochdruck(HD)-Aufladungsstufe (11) mit einem HD-Verdichter (13) und einer HD-Turbine (15),wobei die ND-Turbine (7) mittels einer ND-Stelleinrichtung (9) einstellbar ist und die HD-Turbine (15) mittels einer HD-Stelleinrichtung (17),und wobei das Verfahren umfasst:- Ermitteln eines Soll-Gesamtverdichtungsverhältnisses (Rges,soll) über den ND-Verdichter (5) und den HD-Verdichter (13);- Ermitteln eines Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses (RND,soll) über den ND-Verdichter (5) in Abhängigkeit von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis (Rges,soll), von einer Betriebsart (BA) der Verbrennungskraftmaschine (2) zum optimalen Betreiben des Aufladungssystems (1) und von einer Ist-Größe (ṁist, nist), die indikativ für einen Ist-Gesamtmassenstrom (ṁist) über den ND-Verdichter (5) und über den HD-Verdichter (13) ist;- Einstellen des ND-Verdichters (5) gemäß dem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis (RND,soll), und- Einstellen des HD-Verdichters (13) gemäß dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis (Rges,soll).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines zweistufigen Aufladungssystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen, und ein Kraftfahrzeug mit dem Steuergerät.
Allgemein sind Aufladungssysteme für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, bekannt, um den Ladedruck in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen, so dass mehr und höher verdichtete Luft für die Verbrennung einer erhöhten Kraftstoffmenge zur Verfügung steht und so eine Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine erreicht wird.
Zur Erhöhung des Ladedrucks sind beispielsweise Turbolader und Kompressoren bekannt. Turbolader umfassen einen Verdichter und können entweder mit einem eigenen Antrieb versehen sein, der mechanisch mit dem Verdichter gekoppelt ist (z.B. ein Elektromotor), oder sie werden mechanisch mit einer Turbine gekoppelt, die mit dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird.
Solche Abgasturbolader sind inzwischen die am weitesten verbreitete Lösung im Kraftfahrzeugbereich, um den Ladedruck zu erhöhen. Moderne Abgasturbolader sind zur verbesserten Leistungssteuerung mit einem Bypass-Ventil, auch „Wastegate“ genannt, und/oder mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ausgestattet, die verstellbare, feste Leitschaufeln aufweisen, mit denen der wirksame Strömungsquerschnitt verringert oder erweitert werden kann. Beim Verstellen des Anstellwinkels der Leitschaufeln lässt sich der Gasdurchsatz verändern. Typischerweise wird der Anstellwinkel der Leitschaufeln so geregelt und/oder gesteuert, dass bei wenig Gasdurchsatz und hohem Leistungsbedarf die Leistung des Turboladers durch Verringerung des Strömungsquerschnitts erhöht und bei hohem Gasdurchsatz und niedrigem Leistungsbedarf durch Vergrößerung des Strömungsquerschnitts verringert wird. Damit lässt sich letztlich der Ladedruck, mit dem die Luft zur Verbrennung in den Zylinder geschoben wird, erhöhen oder verringern. Dieser Ladedruck ist eine der maßgeblichen Faktoren für das abrufbare Leistungspotential der Verbrennungskraftmaschine.
Ferner sind zweistufige Aufladungssysteme bekannt, die zwei Abgasturbolader aufweisen. So können bspw. ein Niederdruck(ND)-Turbolader und ein Hochdruck(HD)-Turbolader in Reihe geschaltet sein.
Die US 2015/0068203 A1 beschreibt ein Verfahren zum Regeln eines derartigen zweistufigen Abgasturboladersystems. Die Turbolader umfassen eine ND-Turbine und einen ND-Verdichter sowie eine HD-Turbine und einen HD-Verdichter. Es wird ein Gesamtladedruck ermittelt und aus dem ermittelten Gesamtladedruck eine Leistung des ND-Verdichters und aus der Leistung des ND-Verdichters ein ND-Turbinenstrom. Der ND-Turbolader arbeitet mit dem berechneten ND-Turbinenstrom. Ferner wird eine HD-Verdichterleistung aus dem ermittelten Gesamtdruck der Ladedruckstufe und ein HD-Turbinenstrom aus der HD-Verdichterleistung berechnet. Der HD-Turbolader arbeitet mit dem berechneten HD-Turbinenstrom. Dabei können jeweils die effizientesten Betriebspunkte für den ND-Verdichter und den HD-Verdichter ausgewählt werden, die zusammen ein Gesamtdruckverhältnis ergeben, das einem Verhältnis zwischen dem Gesamtladedruck und dem Umgebungsdruck entspricht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Steuergerät und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die ein Betreiben eines zweistufigen Aufladungssystem verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, das Steuergerät nach Anspruch 9 und das Kraftfahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines zweistufigen Aufladungssystems für eine Verbrennungskraftmaschine. Dabei weist das Aufladungssystem Folgendes auf:

- eine Niederdruck(ND)-Aufladungsstufe mit einem ND-Verdichter und einer ND-Turbine; und
- eine Hochdruck(HD)-Aufladungsstufe mit einem HD-Verdichter und einer HD-Turbine,

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Ermitteln eines Soll-Gesamtverdichtungsverhältnisses über den ND-Verdichter und den HD-Verdichter;
- Ermitteln eines Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses über den ND-Verdichter in Abhängigkeit von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis, von einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine zum optimalen Betreiben des Aufladungssystems und von einer Ist-Größe, die indikativ für einen Ist-Gesamtmassenstrom über den ND-Verdichter und über den HD-Verdichter ist;
- Einstellen des ND-Verdichters gemäß dem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis; und
- Einstellen des HD-Verdichters gemäß dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis.

Die Verbrennungskraftmaschine, für welche das Aufladungssystem vorgesehen ist, kann bspw. ein Ottomotor oder ein Dieselmotor sein.
Das Aufladungssystem weist zwei Aufladungsstufen auf, nämlich die ND-Aufladungsstufe und die HD-Aufladungsstufe. Die ND-Aufladungsstufe weist den ND-Verdichter auf, der mit der ND-Turbine mechanisch gekoppelt ist. Somit treibt das aus der Verbrennungskraftmaschine austretende Abgas die ND-Turbine an, die wiederum den ND-Verdichter antreibt. Die HD-Aufladungsstufe weist einen entsprechenden Aufbau und eine entsprechende Wirkweise auf.
Der HD-Verdichter ist saugrohrseitig stromabwärts nach dem ND-Verdichter angeordnet und die ND-Turbine abgasseitig stromabwärts nach der HD-Turbine angeordnet. Somit wird saugrohrseitig die angesaugte Luft zunächst von dem ND-Verdichter verdichtet und anschließend von dem HD-Verdichter verdichtet. Auf der Abgasseite strömt das Abgas zunächst durch die HD-Turbine und anschließend durch die ND-Turbine.
Dabei ist die ND-Turbine mittels der ND-Stelleinrichtung und die HD-Turbine mittels der HD-Stelleinrichtung einstellbar. Mit „Einstellen der Turbinen“ ist gemeint, dass der Abgasstrom durch die einzelnen Turbinen mittels der entsprechenden Stelleinrichtungen eingestellt/variiert werden kann. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie bspw. ein Wastegate oder eine VTG, die in unten beschriebenen Ausführungsformen näher beschrieben werden. Indem die Turbinen einstellbar sind, also der Abgasstrom durch die Turbinen einstellbar ist, sind auch die Verdichter bzw. deren Verdichterleistung einstellbar, da die Turbinen und die Verdichter (bspw. über eine Welle) mechanisch miteinander gekoppelt sind.
In dem Verfahren wird das Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis ermittelt. Das Gesamtverdichtungsverhältnis entspricht einem Ladedruck geteilt durch einen Umgebungsdruck. Das Gesamtverdichtungsverhältnis gibt somit an, wie stark die angesaugte Luft durch den ND-Verdichter und den HD-Verdichter verdichtet wird.
Der Ladedruck wird in der Regel ermittelt, um einen Fahrer(Beschleunigungs)wunsch umzusetzen, und kann aus einer (Beschleunigungs-)Pedalstellung abgeleitet werden. Vorliegend ist der Ladedruck der Druck (saugrohrseitig in Strömungsrichtung gesehen) nach dem HD-Verdichter.
Ferner wird das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis ermittelt, wobei das ND-Verdichtungsverhältnis einem Verhältnis von einem Druck nach dem ND-Verdichter geteilt durch den Druck vor dem ND-Verdichter entspricht. Der Druck vor dem ND-Verdichter ist in der Regel der Umgebungsdruck.
Das Ermitteln des Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses kann mit verschiedenen Ansätzen erfolgen, bspw. mathematischen oder empirischen Modellen, Kennfeldern oder dergleichen. Jedenfalls werden bei diesen Ansätzen die Abhängigkeit des Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis, der Betriebsart und der Ist-Größe ermittelt.
Die Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine kann eines von Folgenden umfassen: einen Kaltstart-Betrieb, einen HD-Abgasrückführungs(AGR)-Betrieb, Normalbetrieb mit einem hohen Wirkungsgrad für eine Abgasnachbehandlung, Normalbetrieb mit einem niedrigen Wirkungsgrad für die Abgasnachbehandlung.
Dabei erfordern die unterschiedlichen Betriebsarten unterschiedliche Optimierungsziele, deren Anforderungen an Emissionen und/oder den Wirkungsgrad des Aufladungssystems zum Teil gegensätzlich sind. In manchen Ausführungsformen bedeutet also „optimales Betreiben des Aufladungssystems“ ein optimaler Betrieb hinsichtlich der entsprechenden Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine. Die Optimierungsziele können u.a. einen für die jeweilige Betriebsart geeigneten/optimalen Abgasgegendruck umfassen. Hierbei ist der Abgasgegendruck (in Abgasströmungsrichtung gesehen) der Druck vor der HD-Turbine.
So erfordert der Kaltstart-Betrieb einen möglichst hohen und optimalerweise einen maximalen Abgasgegendruck zur Stabilisierung der Verbrennung in den Zylindern sowie zur Unterstützung des Aufheizens der Verbrennungskraftmaschine und/oder einer der Verbrennungskraftmaschine nachgelagerten Abgasanlage.
Hingegen erfordert der HD-AGR-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ein ausreichend großes Spülgefälle über die Zylinder zum Erreichen eines Soll-HD-AGR-Massenstroms, so dass der nutzbare HD-AGR-Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine erweitert werden kann. Dabei bedeutet „ausreichend groß“, dass ein Soll-HD-AGR-Massenstrom auch unter Berücksichtigung von Unsicherheiten und/oder Störeinflüssen bzw. Störgrößen einregelbar ist. Hierbei ist das Spülgefälle die Differenz zwischen dem Ladedruck und dem Abgasgegendruck. In einer Ausführungsform ist das Spülgefälle die Druckdifferenz, die sich ergibt, wenn man den Ladedruck vom Abgasgegendruck subtrahiert.
In dem Normalbetrieb mit dem hohen Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung wird angestrebt, das Aufladungssystem wirkungsgradoptimal zu betreiben. Ein hoher Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung liegt vor, wenn die Abgasnachbehandlung bzw. eine Vorrichtung für die Abgasnachbehandlung in einem optimalen Abgasnachbehandlungstemperaturbereich betrieben wird. Es wird also ein möglichst kleiner und optimalerweise ein minimaler Abgasgegendruck angestrebt, der wiederum zu minimalen CO2-Emissionen führt.
Hingegen liegt ein niedriger Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung vor, wenn die Abgasnachbehandlung bzw. die Vorrichtung für die Abgasnachbehandlung unterhalb des optimalen Abgasnachbehandlungstemperaturbereichs betrieben wird. Der Normalbetrieb mit dem niedrigen Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung sieht daher vor, die Erwärmung der Abgasanlage durch hohe Ladungswechselverluste zu unterstützen. Die Ladungswechselverluste können gesteigert werden, indem das Aufladungssystem mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben wird. Die Ladungswechselverluste werden durch ein höheres inneres Motormoment kompensiert, wodurch eine Abgastemperatur und somit eine Temperatur in der Abgasanlage ansteigt (passives Heizen). So wird in den Abgasnachbehandlungsbetriebsarten (Dieselpartikelfilter(DPF)-Regeneration, Rauchgasentstickung (DeNOx), Rauchgasentschwefelung (DeSOx)) die Last der Verbrennungskraftmaschine durch einen höheren Abgasgegendruck in der Teillast erhöht, wodurch bei schwachlastigem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die untere Momentenschwelle, ab der stabile Brennbedingungen in dem jeweiligen Betrieb erzielt werden, schneller erreicht wird, bzw. das Momentenband, in dem der Betrieb nicht darstellbar ist, kleiner wird.
Die oben genannten Betriebsarten sind lediglich beispielhaft. Es können auch weitere nicht genannte Betriebsarten in Betracht gezogen werden.
Die Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine bspw. von einem als Betriebsartkoordinator vorgesehenen Steuergerät eingestellt werden. Entsprechend kann dieses Steuergerät auch entsprechende Informationen bereitstellen, bspw. für ein weiteres Steuergerät, die einen Rückschluss auf die derzeit vorliegende Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, dass in einem breiten Kennfeldbereich des zweistufigen Aufladungssystems sich der (Gesamt-)Ladedruck durch verschiedene Kombinationen von Verdichtungsverhältnissen über den ND-Verdichter und den HD-Verdichter darstellen lässt. So lässt sich ein Ladedruck durch verschiedene Aufteilungsverhältnisse zwischen der ND-Aufladungsstufe und der HD-Aufladungsstufe realisieren. Dabei wurde festgestellt, dass für einen gleichen Ladedruck sich in Abhängigkeit der Aufteilungsverhältnisse verschiedene Abgasgegendruck-Niveaus einstellen. Mit anderen Worten, der Abgasgegendruck ist abhängig von einem Verhältnis zwischen dem Verdichtungsverhältnis über den ND-Verdichter und dem Verdichtungsverhältnis über den HD-Verdichter. Da der Abgasgegendruck einen Einfluss auf die Ladungswechselverluste hat, kann somit der gleiche Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine mit unterschiedlichen Ladungswechselverlusten bzw. unterschiedlichen Wirkungsgraden des Aufladungssystems dargestellt werden, indem der Abgasgegendruck entsprechend den gewünschten Ladungswechselverlusten eingestellt wird. Wie oben beschrieben hängen der gewünschte Abgasgegendruck und/oder die gewünschten Ladungswechselverluste von der Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine ab. Dadurch kann das Aufladungssystem hinsichtlich des Wirkungsgrades oder hinsichtlich der Betriebsart optimal betrieben werden.
Ferner wird beim Ermitteln des Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses die Ist-Größe berücksichtigt, die indikativ für den Ist-Gesamtmassenstrom über die beiden Verdichter ist. Hierbei ist der Gesamtmassenstrom der Luftmassenstrom, der über den ND-Verdichter und den HD-Verdichter strömt. Dabei kann der Ist-Gesamtmassenstrom eine korrigierte Größe sein, um sie von Randbedingungen der Messung unabhängig zu machen. Dazu wird in der Regel die Machsche Ähnlichkeit berücksichtigt.
Dabei kann das Ermitteln des Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses mittels eines empirischen und/oder mathematischen Modells, eines Algorithmus, etc. erfolgen, die die oben genannten Abhängigkeiten des Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses berücksichtigen. In einer Ausführungsform kann das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis betriebsartabhängig in einem Kennfeld in Abhängigkeit des Soll-Gesamtverdichtungsverhältnisses und der Ist-Größe abgelegt sein.
Der ND-Verdichter wird gemäß dem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis eingestellt. Dabei bedeutet „Einstellen des ND-Verdichters“, dass der Betriebspunkt des ND-Verdichters eingestellt wird, indem die ND-Turbine eingestellt wird. Entsprechendes gilt für das Einstellen des HD-Verdichters gemäß dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis.
Dabei kann das „Einstellen“ ein Regeln oder Steuern des ND-Verdichters umfassen, dass das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis erreicht wird. Das „Regeln“, bzw. die Regelung, ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine variable Größe, die Regelgröße (Ist-Größe), erfasst, mit einer anderen variablen Größe, der Führungsgröße (Soll-Größe), verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Beim „Steuern“ ist ein Kennzeichen ein offener Wirkungsweg oder ein geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch Eingangsgrößen (Soll-Größen) beeinflussten Ausgangsgrößen (Ist-Größen) nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken.
Indem das erfindungsgemäße Verfahren die Betriebsart beim Ermitteln des Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses berücksichtigt, kann ein optimaler Betrieb der Aufladungsstufe erreicht werden. So wird durch die Betriebsart ein optimaler Abgasgegendruck vorgegeben, wobei der Abgasgegendruck maßgeblich durch das Einstellen der HD-Turbine beeinflussbar ist. Indem das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis abhängig von der Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine ermittelt wird, wird somit der Abgasgegendruck berücksichtigt. Dabei wird die Betriebsart und somit der Abgasgegendruck derart berücksichtigt, dass die Aufladungsstufe wirkungsgradoptimal oder betriebsartoptimal betrieben werden kann. So wird das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis derart ausgewählt, dass der ND-Verdichter die Ladeluft ausreichend vorverdichtet. Somit können die HD-Turbine und somit der HD-Verdichter jedenfalls so eingestellt werden, dass der für die jeweilige Betriebsart optimale Abgasgegendruck eingestellt werden kann.
In einer Ausführungsform kann das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis in einem Kennfeld betriebsartabhängig abgelegt sein, wobei das Kennfeld von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis und der Ist-Größe abhängig ist. Dadurch ist es möglich, die zum Teil gegensätzlichen Optimierungsziele hinsichtlich des Abgasgegendrucks zu berücksichtigen. Wie oben erwähnt, gibt es für die oben beschriebenen Betriebsarten unterschiedliche optimale Abgasgegendrücke bzw. Spülgefälle. Das Kennfeld kann empirisch, bspw. an einem Motorprüfstand, ermittelt werden. In anderen Ausführungsformen können für die Betriebsarten unterschiedliche Kennfelder erstellt werden, so dass je nach Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine das entsprechende Kennfeld abgerufen wird. Auch können die Kennfelder derart abgelegt sein, dass bspw. Betriebsarten mit ähnlichen Optimierungszielen, bspw. hinsichtlich des Abgasgegendrucks, in gemeinsamen Kennfeldern abgelegt werden. In manchen Ausführungsformen können die Kennfelder in einem Fahrzeugsteuergerät abgelegt sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Einstellen des ND-Verdichters gemäß dem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis ein Einstellen des ND-Verdichters gemäß einem Soll-Zwischendruck umfassen. Dabei entspricht der Zwischendruck einem Druck zwischen dem ND-Verdichter und dem HD-Verdichter. Somit kann der Soll-Zwischendruck als Führungsgröße für eine Regelung oder Steuerung zum Einstellen des ND-Verdichters verwendet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Einstellen des ND-Verdichters ferner umfassen:

- Bestimmen eines Ist-Zwischendrucks mit einer Erfassungseinrichtung; und
- Einregeln des ND-Verdichters gemäß dem Soll-Zwischendruck.

Dabei kann die Erfassungseinrichtung den Ist-Zwischendruck erfassen. Alternativ kann die Erfassungseinrichtung dazu eingerichtet sein, eine Messgröße zu erfassen, aus welcher der Ist-Zwischendruck ableitbar ist.
Das „Einregeln“ bedeutet hier, dass der ND-Verdichter mittels einer Regelung eingestellt wird, wobei der Soll-Zwischendruck die Führungsgröße ist und der Ist-Zwischendruck die Regelgröße. Dadurch kann der ND-Verdichter vergleichsweise genau und robust gemäß dem Soll-Ladedruck eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Einstellen des ND-Verdichters ferner umfassen:

- Bestimmen eines Ist-Zwischendrucks mit einem Modell; und
- Einstellen des ND-Verdichters gemäß dem Soll-Zwischendruck unter Berücksichtigung des bestimmten Ist-Zwischendrucks.

Dabei kann das Modell zur Bestimmung des Ist-Zwischendrucks ein empirisches und/oder mathematisches Modell umfassen. Das Einstellen des ND-Verdichters kann durch eine Regelung oder eine Steuerung erfolgen. Ferner kann das Einstellen des ND-Verdichters durch eine Regelung mit einer Vorsteuerung erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Ist-Größe den Ist-Gesamtmassenstrom (über den ND-Verdichter und den HD-Verdichter) oder eine Ist-Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine umfassen.
In einer anderen Ausführungsform kann die ND-Stelleinrichtung eine Variable-Turbinengeometrie(VTG)-Vorrichtung und/oder die HD-Stelleinrichtung ein Wastegate umfassen. Somit kann die ND-Aufladungsstufe mittels der VTG-Vorrichtung eingestellt werden und die HD-Aufladungsstufe mittels dem Wastegate. Dabei ist mit „Wastegate“ eine Umgehungsleitung mit einem Ventil oder einer Klappe gemeint, so dass mit dem Wastegate ein Abgasstrom zumindest teilweise um die HD-Turbine geleitet werden kann. Anders ausgedrückt, das Wastegate kann als Bypass-Ventil oder als Bypass-Klappe ausgebildet sein. Dabei kann in manchen Ausführungsformen die ND-Stellvorrichtung eine VTG-Vorrichtung sein und/oder die HD-Stellvorrichtung das Wastegate. Die ND-Aufladungsstufe ist in der Regel kleiner ausgebildet als die HD-Aufladungsstufe und weist daher eine niedrigere Massenträgheit auf. Dadurch kann die ND-Aufladungsstufe mit der VTG-Vorrichtung einen Ladedruck vergleichsweise schnell aufbauen. Die HD-Aufladungsstufe mit einem Wastegate ist vergleichsweise günstig herstellbar. Das zweistufige Aufladungssystem mit der VTG-Vorrichtung für die ND-Aufladungsstufe und dem Wastegate für die HD-Aufladungsstufe weist eine kompakte Bauweise auf und kann eine höhere Leistung im Vergleich zu einem einstufigen Aufladesystem erzielen.
In Beispielen mit einer VTG-Vorrichtung an der ND-Aufladungsstufe ist das Potential für eine Ladedruckaufteilung vergleichsweise hoch. Mit anderen Worten, mittels der VTG-Vorrichtung ist eine Aufteilung der Verdichtungsverhältnisse über den ND-Verdichter und den HD-Verdichter vergleichsweise gut realisierbar.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Einstellen des HD-Verdichters ferner umfassen:

- Ermitteln eines Soll-Ladedrucks; und
- Einregeln des HD-Verdichters gemäß dem Soll-Ladedruck.

Das „Einregeln“ bedeutet hier, dass der HD-Verdichter mittels einer Regelung eingestellt wird, wobei der Soll-Ladedruck die Führungsgröße ist und der Ist-Ladedruck die Regelgröße. Dadurch kann der HD-Verdichter vergleichsweise genau gemäß dem Soll-Ladedruck eingestellt werden. Somit ist die HD-Aufladungsstufe für das Führungsverhalten beim Einregeln des Soll-Ladedrucks zuständig. Mit anderen Worten, der Soll-Ladedruck wird mit der HD-Aufladungsstufe eingeregelt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, das eingerichtet ist, eines der oben beschrieben Verfahren auszuführen. Dabei kann das Steuergerät auch eine Steuergerätanordnung umfassen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit dem oben beschriebenen Steuergerät. Das Kraftfahrzeug ist ausgebildet und eingerichtet, eines der oben beschrieben Verfahren auszuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 schematisch ein zweistufiges Aufladungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine;
2A, 2B Diagramme über einen Einfluss eines Aufteilungsverhältnisses einer Verdichtung des zweistufigen Aufladungssystem auf einen Abgasgegendruck;
3 schematisch verschiedene Betriebsbereiche der Verbrennungskraftmaschine;
4A, 4B Schaltdiagramme für ein Einstellen einer ND-Aufladungsstufe und einer HD-Aufladungsstufe des Aufladungssystems; und
5 ein Verfahren zum Betreiben des zweistufigen Aufladungssystems.

1 zeigt schematisch ein zweistufiges Aufladungssystems 1 einer Verbrennungskraftmaschine 2 eines (schematisch dargestellten) Kraftfahrzeugs 100. Das Aufladungssystem 1 umfasst eine erste Aufladungsstufe 3, die einen ND-Verdichter 5 und eine ND-Turbine 7 aufweist. Der ND-Verdichter 5 wird über eine erste Welle 6 von der ND-Turbine 7 angetrieben. Die ND-Turbine 7 weist eine VTG-Vorrichtung 9 auf, mit der eine Turbinen(antriebs)leistung der ND-Turbine 7 einstellbar ist, indem ein Abgasstrom durch die ND-Turbine 7 einstellbar ist. Ferner umfasst das Aufladungssystem eine zweite Aufladungsstufe 11, die einen HD-Verdichter 13 und eine HD-Turbine 15 aufweist. Der HD-Verdichter 13 wird über eine zweite Welle 14 von der HD-Turbine 15 angetrieben. Die HD-Turbine 15 weist ein Wastegate 17 auf, mit dem eine Turbinen(antriebs)leistung der HD-Turbine 15 einstellbar ist, indem ein Abgasstrom durch die ND-Turbine 15 einstellbar ist.
Ferner ist ein Rückschlagventil 19 in einer um den HD-Verdichter 13 führenden Bypassleitung angeordnet. Das Rückschlagventil 19 ist eingerichtet, einen Fluidstrom in Richtung der Verbrennungskraftmaschine 2 zu erlauben und einen Fluidstrom in umgekehrter Richtung zu unterbinden.
Eine aus der Umgebung angesaugte Luft strömt (in dieser Reihenfolge) über den ND-Verdichter 5, den HD-Verdichter 13 und einen Einlasskrümmer 2a in Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 2. Das in den Zylindern entstehende Luft-Kraftstoff-Gemisch wird zur Erzeugung einer (Fahrzeug-)Antriebsleistung verbrannt. Das aus der Verbrennung entstehende Abgas strömt über einen Ablasskrümmer 2b, die HD-Turbine 15 und die ND-Turbine 17. Somit können die HD-Turbine 15 und die ND-Turbine 7 mit dem Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine 2 versorgt und angetrieben werden.
Die angesaugte Luft kann von dem ND-Verdichter 5 und/oder dem HD-Verdichter 13 verdichtet werden, je nach Leistung der ND-Turbine 7 bzw. HD-Turbine 15.
Ferner ist eine optionale Zwischendruckerfassungseinrichtung 20 zwischen dem ND-Verdichter 5 und dem HD-Verdichter 13 zum Erfassen eines Drucks zwischen dem ND-Verdichter 5 und dem HD-Verdichter 13 angeordnet.
Eine Ladedruckerfassungseinrichtung 22 ist stromabwärts des HD-Verdichters 13 zum Erfassen eines Ladedrucks p₂ angeordnet. Die Ladedruckerfassungseinrichtung 22 kann in einer Leitung stromab des HD-Verdichters 13 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Ladedruckerfassungseinrichtung auch in dem Einlasskrümmer 2a angeordnet sein.
Eine Abgasgegendruckerfassungseinrichtung 24 zum Erfassen eines Abgasgegendrucks p₃ ist in (Abgas)Strömungsrichtung vor der HD-Turbine 15 angeordnet. Die Abgasgegendruckerfassungseinrichtung 24 kann in einer Leitung in Strömungsrichtung vor der HD-Turbine 15 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsformen kann die Abgasgegendruckerfassungseinrichtung 24 in dem Abgaskrümmer 2b angeordnet sein.
Die oben beschriebenen Druckerfassungseinrichtungen 20, 22, 24 können als Drucksensoren ausgebildet sein.
Die Druckerfassungseinrichtungen 20, 22, 24, die Verbrennungskraftmaschine 2 sowie die VTG-Vorrichtung 9 und das Wastegate 17 sind über entsprechende (Daten-)Leitungen a-f mit einem Steuergerät 90 verbunden. Das Steuergerät 90 ist dazu eingerichtet, Signale von den eben erwähnten Einheiten zu empfangen oder Signale an diese Einheiten zu senden. Das Steuergerät 90 ist ferner eingerichtet, die Verbrennungskraftmaschine 2 einzustellen. Auch ist das Steuergerät 90 eingerichtet, das zweistufige Aufladungssystem 2 einzustellen, indem es die VTG-Vorrichtung 9 und das Wastegate 17 einstellt. Hier umfasst „Einstellen“ mindestens eines von Steuern oder Regeln.
In 2A und 2B sind Diagramme gezeigt, die eine Abhängigkeit des Abgasgegendrucks p₃ von einem Verdichtungsaufteilungsverhältnis des zweistufigen Aufladungssystems 1 darstellen. Mit „Verdichtungsaufteilungsverhältnis“, auch „Stufenaufteilung“ genannt, ist das Verhältnis zwischen der Verdichterleistung des ND-Verdichters 5 und der Verdichterleistung des HD-Verdichters 13 gemeint. Dabei kann die Verdichterleistung des ND-Verdichters 5 durch ein ND-Verdichtungsverhältnis R_ND über den ND-Verdichter 5 ausgedrückt werden. Entsprechend kann die Verdichterleistung des HD-Verdichters 13 durch ein HD-Verdichtungsverhältnis R_HD über den HD-Verdichter R_HD ausgedrückt werden. Ein Gesamtverdichtungsverhältnis R_ges über den ND-Verdichter 5 und den HD-Verdichter 13 kann als Produkt aus dem ND-Verdichtungsverhältnis R_ND und dem HD-Verdichtungsverhältnis R_HD ausgedrückt werden. Entsprechend kann der (Gesamt-)Ladedruck p₂ in einem breiten Kennfeldbereich der Verbrennungskraftmaschine 2 durch eine Kombination von ND- und HD-Verdichtung dargestellt werden.
In den Diagrammen aus 2A und 2B sind jeweils auf der x-Achse das ND-Verdichtungsverhältnis R_ND aufgetragen und auf der y-Achse der Ist-Abgasgegendruck p_3,ist.
2A zeigt den Einfluss des ND-Verdichtungsverhältnisses R_ND auf den Ist-Abgasgegendruck p_3,ist für einen vorbestimmten (Soll-)Ladedruck p₂ und einen ersten Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 2. Aus dem ND-Verdichtungsverhältnis R_ND und dem vorbestimmten Ladedruck p₂ lässt sich das HD-Verdichtungsverhältnis R_HD und somit das Aufteilungsverhältnis des Aufladungssystems 1 ableiten. Wenn bspw. das ND-Verdichtungsverhältnis R_ND 1 beträgt, so wird die ansaugte Luft nur durch den HD-Verdichter 13 auf den vorbestimmten Ladedruck p₂ verdichtet. Aus 2A ist erkennbar, dass sich der Ist-Abgasgegendruck p_3,ist in Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses verändert. Somit zeigen sich in Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses unterschiedliche Niveaus für den Ist-Abgasgegendruck p₃, ist für den gleichen Ladedruck p₂, d.h. der gleiche Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 2 ist mit unterschiedlichen Ladungswechselverlusten darstellbar. In dem gezeigten Beispiel befinden sich ein Minimum und ein Maximum des Ist-Abgasgegendrucks p_3,ist bei einem ND-Verdichtungsverhältnis von 1,15 bzw. 1,55.
2B zeigt den Einfluss des ND-Verdichtungsverhältnisses R_ND und somit des Aufteilungsverhältnisses auf den Ist-Abgasgegendruck p_3,ist für den gleichen vorbestimmten Ladedruck p₂ aus 2A. Im Gegensatz zu 2A wird die Verbrennungskraftmaschine 2 an einem zweiten Betriebspunkt betrieben, der sich von dem ersten Betriebspunkt unterscheidet.
Wie aus 2B ersichtlich ist, hat der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 2 ebenfalls einen Einfluss auf den Ist-Abgasgendruck p_3,ist. Im Vergleich zu 2A ist ein Bereich um das Minimum des Ist-Abgasgegendrucks p_3,ist zu 2A breiter und das Maximum befindet sich auf der linken Seite des Minimums (anstatt auf der rechten Seite).
Somit ist aus 2A und 2B ersichtlich, dass sich ein von den Ladungswechselverlusten abhängiger Wirkungsgrad des Aufladungssystems 2 über das Aufteilungsverhältnis zwischen dem ND-Verdichter und dem HD-Verdichter oder, anders ausgedrückt, über das Aufteilungsverhältnis zwischen der ND-Aufladungsstufe 3 und der HD-Aufladungsstufe 11 einstellen lässt. Die Ladungswechselverluste und somit der Wirkungsgrad sind maßgeblich vom Abgasgegendruck p₃ abhängig. In dem Aufladungssystem 2 lässt sich der Abgasgegendruck p₃ zumindest teilweise oder maßgeblich, wenn nicht sogar vollständig, durch die HD-Turbinenleistung einstellen, wobei die HD-Turbinenleistung durch eine Ventilstellung des Wastegates 17 einstellbar ist. Durch das Einstellen der Ladungswechselverluste ist auch ein Spülgefälle einstellbar, wobei das Spülgefälle der Druckdifferenz zwischen dem Abgasgegendruck p₃ und dem Ladedruck p₂ entspricht.
In 3 ist ein Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 2 schematisch und beispielhaft dargestellt. Über die x-Achse ist eine Drehzahl n der Verbrennungskraftmaschine 2 aufgetragen und über die y-Achse ein Drehmoment M der Verbrennungskraftmaschine 2. Ferner sind beispielhaft vier verschiedene Betriebsbereiche I, II, III, IV der Verbrennungskraftmaschine 2 dargestellt. Der erste Betriebsbereich I, der zweite Betriebsbereich II und der vierte Betriebsbereich IV grenzen aneinander an. Der dritte Betriebsbereich III, der durch die gestrichelte Linie sowie der maximalen Momentenlinie begrenzt ist, überlappt den zweiten und den dritten Betriebsbereich II, III.
Gemäß einer Ausführungsform kann das zweistufige Aufladungssystem 1 wie nachfolgend beschrieben betrieben werden:

In dem ersten Betriebsbereich I, der einem Niedriglastbereich entspricht, werden die ND-Aufladungsstufe und die HD-Aufladungsstufe gesteuert.

In dem zweiten Betriebsbereich II, wird die HD-Aufladungsstufe gemäß dem Soll-Ladedruck p_2,soll geregelt und die ND-Aufladungsstufe wird gesteuert. Der Soll-Ladedruck p_2,soll wird hier durch die ND-Aufladungsstufe 3 und die HD-Aufladungsstufe 11 bereitgestellt. Die ND-Aufladungsstufe 3 wird betriebspunktabhängig gesteuert. Dabei sind Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 2 gemeint. Somit erfolgt das Einregeln des Soll-Ladedrucks p_2,soll vorrangig mit der HD-Aufladungsstufe 11.
In dem dritten Betriebsbereich III wird das Aufladungssystem 2 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben. So wird die ND-Aufladungsstufe 3 gemäß einem Soll-Zwischendruck p_12,soll geregelt, der einem Druck zwischen dem ND-Verdichter 5 und dem HD-Verdichter 13 entspricht. Die HD-Aufladungsstufe 11 wird gemäß dem Soll-Ladedruck p_2,soll geregelt. Der Soll-Ladedruck P_2,soll wird hier durch die ND-Aufladungsstufe 3 und die HD-Aufladungsstufe 11 bereitgestellt. In dem dritten Betriebsbereich III kann die Verbrennungskraftmaschine 2 in mindestens einem der folgenden Betriebsarten betrieben werden: einem Kaltstart-Betrieb, einem HD-AGR-Betrieb, einem Normalbetrieb mit einem hohen Wirkungsgrad für eine Abgasnachbehandlung, einem Normalbetrieb mit einem niedrigen Wirkungsgrad für die Abgasnachbehandlung.
In dem vierten Betriebsbereich IV wird die HD-Aufladungsstufe 11 offen betrieben, d.h. das Wastegate 17 wird derart gesteuert, dass das aus dem Verbrennungsmotor 2 strömende Abgas möglichst vollständig um die HD-Turbine 15 herumgeleitet wird und die HD-Turbine 15 nicht antreibt. Somit wird die angesaugte Luft nicht durch den HD-Verdichter 13 verdichtet. Die ND-Aufladungsstufe wird hingegen gemäß dem Soll-Ladedruck p_2,soll geregelt. Mit anderen Worten, im vierten Betriebsbereich IV wird der Soll-Ladedruck p_2,soll möglichst vollständig durch die ND-Aufladungsstufe 5 eingeregelt.
Alternativ kann eine Steuerung und/oder Regelung der ND-Aufladungsstufe 3 und/oder der HD-Aufladungsstufe 11 gemäß dem Soll-Zwischendruck P_12,soll oder dem Soll-Ladedruck p_2,soll auch gemäß einem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis R_ND,soll bzw. einem Soll-HD-Verdichtungsverhältnis R_HD,soll erfolgen.
Da der dritte Betriebsbereich III den vierten Betriebsbereich IV zumindest teilweise überlappt, kann das erfindungsgemäße Verfahren einen kontinuierlichen Übergang von einem Betrieb des Aufladungssystems 1 mit beiden Aufladungsstufen 3, 11 zu einem Betrieb des Aufladungssystems 1 mit nur der ND-Aufladungsstufe 3 ermöglichen. So kann bspw. die Leistung der HD-Turbine 15 stetig und graduell heruntergefahren werden, während die Leistung der ND-Turbine 7 entsprechend eingestellt wird, um dennoch den Soll-Ladedruck p_2,soll, umzusetzen. Somit kann ein Sprung in den Ladungswechselverlusten und dem Effektivmoment der Verbrennungskraftmaschine 2 zumindest teilweise vermieden werden.
4A und 4B zeigen Diagramme zum Betreiben des Aufladungssystems 1 in dem dritten Betriebsbereich III. Dabei zeigt 4A beispielhaft eine erste Regelung 40 zum Betreiben der ND-Aufladungsstufe 3 und 4B beispielhaft eine zweite Regelung 50 zum Betreiben der HD-Aufladungsstufe 11. Diese Regelungen 40, 50 und die dazugehörigen Elemente können von dem Steuergerät 90 des Fahrzeugs durchgeführt werden.
So wird in 4A der Soll-Ladedruck p_2,soll als Eingangsgröße für den Block 41 verwendet. Der Soll-Ladedruck p_2,soll kann bspw. aus der (Beschleunigungs-)Pedalstellung eines Fahrzeugs abgeleitet werden. In dem Block 41 wird der Soll-Ladedruck p_2,soll in das Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis R_ges,soll umgerechnet, welcher als Ausgansgröße aus dem Block 41 hervorgeht. Das Gesamtverdichtungsverhältnis Rges lässt sich als Quotient aus dem Ladedruck p₂ geteilt durch den Umgebungsdruck p₁ ausdrücken.
In den Block 43 gehen als Eingangsgröße das Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis R_ges,soll, der Ist-Gesamtmassenstrom ṁ_ist über den ND-Verdichter und den HD-Verdichter und die derzeitige Betriebsart BA der Verbrennungskraftmaschine 2 ein. Der Ist-Gesamtmassenstrom ṁ_ist kann über entsprechend eingerichtete (nicht gezeigte) Erfassungseinrichtungen erfasst und/oder durch entsprechende Modelle ermittelt werden. Alternativ zum Ist-Gesamtmassenstrom ṁ_ist kann auch die Ist-Drehzahl n_ist der Verbrennungskraftmaschine verwendet werden. In einer weiteren Alternative kann auch die Ist-Drehzahl n_ist erfasst werden und in den Ist-Gesamtmassenstrom ṁ_ist umgerechnet werden. In dem Block 43 wird ein betriebsartenabhängiges Kennfeld abgerufen, aus dem das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis R_ND,soll in Abhängigkeit der Eingangsgrößen des Blocks 43 ermittelt werden kann.
Das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis R_ND,soll wird im Block 45 in den Soll-Zwischendruck p_12,soll umgerechnet. Der Soll-Zwischendruck P_12,soll, dient als Führungsgröße für den Regelkreis, der den Subtraktionspunkt 46, einen ersten Regler 47 und eine erste Regelstrecke 49 aufweist. Die erste Regelstrecke 49 ist im vorliegenden Beispiel die VTG-Vorrichtung 9. Über die VTG-Vorrichtung 9 wird der Ist-Zwischendruck p_12,ist eingestellt. Der Ist-Zwischendruck p_12,ist ist die Regelgröße und wird zum Subtraktionspunkt 46 zurückgeführt, aus dem die Zwischendruck-Regelabweichung Δp₁₂ hervorgeht, die durch Differenz zwischen Soll- und Ist-Zwischendruck gebildet wird. Der Ist-Zwischendruck p_12,ist kann über eine entsprechend vorgesehene Erfassungseinrichtung erfasst und/oder Modelle bestimmt werden. Dabei können die Modelle mathematischer, empirischer, etc., Natur sein.
Die Zwischendruck-Regelabweichung Δp₁₂ geht eingangsseitig in den ersten Regler 47 ein, der bspw. als Zustandsregler, klassischer PID-Regler mit modellbasierter Vorsteuerung, Kaskadenregler oder IMC (Internal Model Control) ausgebildet sein kann. Ausgangsseitig geht aus dem ersten Regler 47 eine Stellgröße u_VTG für die VTG-Vorrichtung 9 hervor, mittels der die ND-Turbine 7 und somit der ND-Verdichter 5 (also die ND-Aufladungsstufe 3) eingestellt werden kann.
In 4B dient der Soll-Ladedruck p_2,soll als Führungsgröße für einen zweiten Regelkreis 50, der den Subtraktionspunkt 51, einen zweiten Regler 53 und eine zweite Regelstrecke 55 aufweist. Die zweite Regelstrecke 55 ist im vorliegenden Beispiel das Wastegate 17. Über das Wastegate 17 wird der Ist-Ladedruck p_2,ist eingestellt. Der Ist-Ladedruck p₂ ist die Regelgröße und wird zum Subtraktionspunkt 51 zurückgeführt, aus dem die Ladedruck-Regelabweichung Δp₂ hervorgeht, die durch Differenz zwischen Soll- und Ist-Ladedruck gebildet wird. Die Ladedruck-Regelabweichung Δp₂ geht eingangsseitig in den zweiten Regler 53 ein, der bspw. als Zustandsregler, klassischer PID-Regler mit modellbasierter Vorsteuerung, Kaskadenregler, oder IMC (Internal Model Control) ausgebildet sein kann. Zusätzlich berücksichtigt der zweite Regler 53 den Ist-Zwischendruck p_12,ist. Ausgangsseitig geht aus dem zweiten Regler 53 eine Stellgröße u_WG für das Wastegate 17 hervor, mittels der die HD-Turbine 15 und somit der HD-Verdichter 13 (also die HD-Aufladungsstufe 11) eingestellt werden kann.
Die in 4A und 4B gezeigten Regelungen 40, 50 zum Betreiben des Aufladungssystems 1 sind lediglich beispielhaft. In anderen Ausführungsformen sind auch andere Regelung(skreise)/Diagramme möglich, nach welchen die ND-Aufladungsstufe 3 gemäß dem Soll-Zwischendruck P_12,soll und die HD-Aufladungsstufe 11 gemäß dem Soll-Ladedruck p_2,soll eingeregelt werden. Ergänzend zu den obigen Schaltdiagrammen kann auch eine Vorsteuerung in der ersten Regelung 40 und oder zweiten Regelung 50 vorgesehen sein.
In weiteren Ausführungsformen kann die ND-Aufladungsstufe 3, wenn der Ist-Zwischendruck p_12,ist mit einem Modell ermittelt wird, auch gemäß dem Soll-Zwischendruck p_12,soll gesteuert werden.
In 5 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt. Dabei stellen Block S und Block E den Start bzw. das Ende des Verfahrens dar.
In S1 wird das Soll-Gesamtverdichtungsverhältnisses R_ges,soll über den ND-Verdichter 5 und den HD-Verdichter 13 ermittelt. Alternativ oder ergänzend kann der Soll-Ladedruck p₂ ermittelt werden.
In S2 wird das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis R_ND über den ND-Verdichter in Abhängigkeit von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis R_ges,soll von einer Betriebsart BA der Verbrennungskraftmaschine 2 zum wirkungsgradoptimalen Betreiben des Aufladungssystems 1 und von einer Ist-Größe, die indikativ für einen Ist-Gesamtmassenstrom ṁ_ist über den ND-Verdichter 5 und über den HD-Verdichter 13 ist, ermittelt. Die Ist-Größe kann der Ist-Gesamtmassenstrom ṁ_ist sein oder die Ist-Drehzahl n_ist der Verbrennungskraftmaschine 2. Dabei wird das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis R_ND,soll betriebsartenabhängig aus mindestens einem Kennfeld ermittelt, das von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis R_ges,soll und der Ist-Größe abhängig ist.
In S3 wird der ND-Verdichter 5 gemäß dem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis R_ND,soll eingestellt.
In S4 wird der HD-Verdichter 13 gemäß dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis R_ges,soll eingestellt.
Bezugszeichenliste

1: Aufladungssystem
2: Verbrennungskraftmaschine
2a: Einlasskrümmer
2b: Abgaskrümmer
3: ND-Aufladungsstufe
5: ND-Verdichter
6: erste Welle
7: ND-Turbine
9: ND-Stellvorrichtung / VTG-Vorrichtung
11: HD-Aufladungsstufe
13: HD-Verdichter
14: zweite Welle
15: HD-Turbine
17: Wastegate
20: Zwischendruckerfassungseinrichtung
22: Ladedruckerfassungseinrichtung
24: Abgasgegendruckerfassungseinrichtung
40: erste Regelung
41: Umrechnungsblock
43: Kennfeld(er)
45: Umrechnungsblock
46: Subtraktionspunkt
47: erster Regler
49: erste Regelstrecke (VTG-Vorrichtung)
50: zweite Regelung
51: Subtraktionspunkt
53: zweiter Regler
55: zweite Regelstrecke (Wastegate)
90: Steuergerät
100: Kraftfahrzeug
a-f: (Daten-)Leitungen
S: Verfahrensstart
S1-S3: Verfahrensschritte
E: Verfahrensende

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

US 2015/0068203 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines zweistufigen Aufladungssystems (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (2), wobei das Aufladungssystem (1) aufweist: - eine Niederdruck(ND)-Aufladungsstufe (3) mit einem ND-Verdichter (5) und einer ND-Turbine (7); und - eine Hochdruck(HD)-Aufladungsstufe (11) mit einem HD-Verdichter (13) und einer HD-Turbine (15), wobei die ND-Turbine (7) mittels einer ND-Stelleinrichtung (9) einstellbar ist und die HD-Turbine (15) mittels einer HD-Stelleinrichtung (17), und wobei das Verfahren umfasst: - Ermitteln eines Soll-Gesamtverdichtungsverhältnisses (R_ges,soll) über den ND-Verdichter (5) und den HD-Verdichter (13); - Ermitteln eines Soll-ND-Verdichtungsverhältnisses (R_ND,soll) über den ND-Verdichter (5) in Abhängigkeit von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis (R_ges,soll), von einer Betriebsart (BA) der Verbrennungskraftmaschine (2) zum optimalen Betreiben des Aufladungssystems (1) und von einer Ist-Größe (ṁ_ist, n_ist), die indikativ für einen Ist-Gesamtmassenstrom (ṁ_ist) über den ND-Verdichter (5) und über den HD-Verdichter (13) ist; - Einstellen des ND-Verdichters (5) gemäß dem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis (R_ND,soll); und - Einstellen des HD-Verdichters (13) gemäß dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis (R_ges,soll).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Soll-ND-Verdichtungsverhältnis (R_ND,soll) in einem Kennfeld betriebsartabhängig abgelegt ist, wobei das Kennfeld von dem Soll-Gesamtverdichtungsverhältnis (R_ges,soll) und der Ist-Größe (ṁ_ist, n_ist) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einstellen des ND-Verdichters (5) gemäß dem Soll-ND-Verdichtungsverhältnis (R_ND) ein Einstellen des ND-Verdichters (5) gemäß einem Soll-Zwischendruck (p_12,soll) umfasst, wobei der Zwischendruck einem Druck zwischen dem ND-Verdichter (5) und dem HD-Verdichter (13) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Einstellen des ND-Verdichters (5) ferner umfasst: - Bestimmen eines Ist-Zwischendrucks (p_12,ist) mit einer Zwischendruckerfassungseinrichtung (20); und - Einregeln des ND-Verdichters (5) gemäß dem Soll-Zwischendruck (p_12,soll).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Einstellen des ND-Verdichters (5) ferner umfasst: - Bestimmen eines Ist-Zwischendrucks (p_12,ist) mit einem Modell; und - Einstellen des ND-Verdichters (5) gemäß dem Soll-Zwischendruck (p_12,soll) unter Berücksichtigung des bestimmten Ist-Zwischendrucks.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ist-Größe (ṁ_ist, n_ist) einen Ist-Gesamtmassenstrom (ṁ_ist) oder eine Ist-Drehzahl (n_ist) der Verbrennungskraftmaschine 2 umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ND-Stelleinrichtung (9) eine Variable-Turbinengeometrie(VTG)-Vorrichtung umfasst und/oder die HD-Stelleinrichtung (17) ein Wastegate umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Einstellen des HD-Verdichters (15) ferner umfasst: - Ermitteln eines Soll-Ladedrucks (p_2,soll); und - Einregeln des HD-Verdichters (15) gemäß dem Soll-Ladedruck (p_2,soll).
Steuergerät (90), das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Kraftfahrzeug (100) mit einem Steuergerät (90) nach Anspruch 9, wobei das Kraftfahrzeug (100) ausgebildet und eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.