DE102020215467A1 - Verfahren zur Steuerung einer Kraftmaschine mit einem Verdichter - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Kraftmaschine (10) mit einem Verdichter (62), wobei mittels eines Momentenmodells (M) für die Kraftmaschine (10) ein zu stellendes Moment (Mstell) ermittelt wird, wobei eine aktuelle Schlucklinie (SC) zu einem aktuellen Betriebspunkt für die Kraftmaschine (10) in Abhängigkeit von mindestens zwei Punkten, bestehend aus je einem Wert für einen Massenstrom (ṁcorr) und ein Druckverhältnis (Π) in dem aktuellen Betriebspunkt, ermittelt wird, wobei ein Gradient aus den mindestens zwei Punkten ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des ermittelten Gradienten und einer aktuellen ersten Temperatur (T1) vor dem Verdichter (62) mittels eines Kennfelds (K) ein maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis (Πmax) ermittelt wird, wobei das Kennfeld (K) aus bauteilspezifischen Werten eines Gradienten und eines Verdichterdruckverhältnisses (Πmax) einer Limitierungslinie (L) und einer Eintrittstemperatur für den Verdichter (62) zusammensetzt und vorzugsweise in einer Applikationsphase ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des ermittelten maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnisses (Πmax) ein maximal zulässiges Moment (Mlim) ermittelt wird und das zu stellende Moment (Mstell) für die Kraftmaschine (10) begrenzt wird.

Description

• Stand der Technik
• Bei Kraftmaschinen und insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise Benzin- und Dieselmotoren, wird zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in den Brennraum der Kraftmaschine mittels eines Verdichters erhöht, wie beispielsweise mittels eines Abgas-Turboladers oder eines rein elektrischen Verdichters. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Kraftmaschine komprimiert wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet. Der Ladedruck wird dabei in bekannter Weise mittels einer Ladedruckregelung geregelt, wobei üblicherweise ein Ist-Ladedruck einem Soll-Ladedruck nachgeführt wird.
• Die DE 10 2004 016 010 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) vorgeschlagen, die eine maximale Beschleunigung ohne Wirkungsgradverlust eines Abgasturboladers ermöglichen. Die Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Verdichter (5) eines Abgasturboladers zur Verdichtung der der Brennkraftmaschine (1) zugeführten Luft und ein Stellglied (10) zur Einstellung eines Sollladedruckes am Ausgang des Verdichters (5). Das Stellglied (10) wird in Abhängigkeit eines einzustellenden Abgasgegendruckes in einem Abgasstrang (25) der Brennkraftmaschine (1) angesteuert.
• Offenbarung der Erfindung
• In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftmaschine mit einem Verdichter vorgeschlagen, wobei mittels eines Momentenmodells für die Kraftmaschine ein zu stellendes Moment ermittelt wird, wobei eine aktuelle Schlucklinie zu einem aktuellen Betriebspunkt für die Kraftmaschine in Abhängigkeit von mindestens zwei Punkten, bestehend aus je einem Wert für einen Massenstrom und ein Druckverhältnis in dem aktuellen Betriebspunkt, ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus den mindestens zwei Punkten ein Gradient ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des ermittelten Gradienten und einer aktuellen ersten Temperatur vor dem Verdichter mittels eines Kennfelds ein maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis ermittelt wird, wobei das Kennfeld aus bauteilspezifischen Werten eines Gradienten und eines Verdichterdruckverhältnisses einer Limitierungslinie und einer Eintrittstemperatur für den Verdichter zusammensetzt und vorzugsweise in einer Applikationsphase ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des ermittelten maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnisses ein maximal zulässiges Moment ermittelt wird und das zu stellende Moment für die Kraftmaschine begrenzt wird.
• Das Verfahren hat den Vorteil, dass in einfacher Weise ein maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis bei einer gegebenen Schlucklinie ermittelt werden kann und somit die Kraftmaschine immer in einem für den Verdichter sicheren Betriebspunkt betrieben werden kann.
• Das Verfahren bietet weiter den Vorteil, dass das Verfahren nur wenig Ressourcen und Rechenzeit auf dem Steuergerät benötigt, da die Ermittlung des Gradienten und die spätere Ermittlung des maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnisses und des maximal zulässigen Moments aus den bereits in Kennfeldern abgespeicherten Daten, ermittelt werden. Diese Kennfelder werden größtenteils bereits in einer Applikationsphase für die entsprechenden Bauteile, wie z.B. den Verdichter, ermittelt und im Steuergerät gespeichert. Somit wird ein von der Topologie unabhängiger Bauteilschutz für die Aufladeeinrichtung erhalten.
• Ferner kann ein invertierter Gradient anstelle des Gradienten für das Verfahren verwendet werden. Durch die Verwendung der Invertierung des Gradienten, kann eine verbesserte numerische Stabilität für die Ermittlung des maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnisses erhalten werden.
• Es ist von Vorteil, wenn eines der zwei Punkte für die Ermittlung der Schlucklinie der Nullpunkt ist. Dies ist von Vorteil, da nur wenig Ressourcen und Rechenzeit zur Ermittlung der Schlucklinie auf dem Steuergerät benötigt werden.
• Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn eines der zwei Punkte für die Ermittlung der Schlucklinie, ein Punkt ist, der einer Volllast für die Kraftmaschine im aktuellen Betriebspunkt bzw. einem Punkt nahe der Volllast entspricht.
• Ferner kann zur Ermittlung des aktuellen Betriebspunktes der Kraftmaschine eine Drehzahl der Kraftmaschine, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, verwendet werden.
• Des Weiteren kann, die Kraftmaschine als eine Verbrennungskraftmaschine oder als eine Brennstoffzelle ausgestaltet ist. Das Verfahren ist unabhängig von der Art des verwendeten Aggregats bzw. der Kraftmaschine. Es eignen sich vorzugsweise Verbrennungskraftmaschinen, Brennstoffzellen und Kraftmaschinen, denen Luft zugeführt wird.
• 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.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• 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 Kraftmaschine 10,
• 2 den beispielhaften Ablauf des Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms in einer bevorzugten Ausführungsform.
• Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Kraftmaschine 10, in Form einer Verbrennungskraftmaschine. Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt ohne Einschränkung eine vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine 10. Die Verbrennungskraftmaschine 10 kann vorzugsweise als Diesel- oder Ottomotor ausgebildet sein. Das Verfahren kann auch mit Verbrennungskraftmaschinen mit beliebig vielen Zylindern, vorzugsweise mit 2-, 3-, 6-, 8-Zylindern, durchgeführt werden. Das Ausführungsbeispiel ist auch auf aufgeladene Kraftmaschinen übertragbar, insbesondere einer aufgeladenen Brennstoffzelle die das Kraftfahrzeug 1 elektrisch antreibt.
• Unter einer Brennstoffzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine galvanische Zelle zu verstehen, die chemische Reaktionsenergie eines über eine Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Der Brennstoff kann Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Das Oxidationsmittel ist üblicherweise Luft bzw. Sauerstoff. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid.
• Der Verbrennungskraftmaschine 10 wird in an sich bekannter Weise Umgebungsluft über ein Luftzuführungssystem 40 zugeführt und Verbrennungsabgas aus den Zylindern (nicht gezeigt) über ein Abgassystem 50 abgeführt. Das Luftzuführungssystem 40 steht über Einlassventile (nicht gezeigt) mit den Zylindern 23 der Verbrennungskraftmaschine 10 in an sich bekannter Weise in Verbindung. Verbrennungsabgas wird über entsprechende Auslassventile (nicht gezeigt) in das Abgassystem 50 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 50 aufweist und einen Verdichter 62 im Luftzuführungssystem 40 aufweist.
• Der erste Sensor 3 kann einen ersten Druck p₁ und eine erste Temperatur T₁ vor dem Verdichter 62, vorzugsweise in einer Umgebung stromaufwärts nahe des Verdichters 62, ermitteln. 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 im Verdichter 62 verwendet wird.
• Zusätzlich kann die Aufladeeinrichtung 6 mithilfe einer elektrischen Maschine 8, welche zusätzliche mechanische Energie über eine mechanische Kopplung zwischen der Turbine 61, dem 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 des Verdichters 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 den Verdichtungsleistungen des Verdichters 62.
• Der Ladeluftabschnitt 41 wird durch eine Drosselklappe 9 stromabwärts begrenzt.
• Es ist ein Steuergerät 100 vorgesehen, der die Verbrennungskraftmaschine 10 in an sich bekannter Weise durch Stellen der Stellgeber, wie beispielsweise der Drosselklappe 9, eines Laderstellers (nicht dargestellt) an der Turbine 61, und dergleichen entsprechend eines momentanen Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine 10 und entsprechend einer Vorgabe, beispielsweise einem Fahrerwunschmoment, betreibt.
• Die Turbine 61 des Abgasturboladers 6 kann dabei als eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie ausgestaltet sein, also als eine Turbine mit verstellbaren Leitschaufeln.
• Durch ein Verdrehen der Leitschaufeln kann der effektive Strömungsquerschnitt vor dem Turbinenrad variiert werden.
• In der 2 ist der beispielhafte Ablauf des Verfahrens zur Steuerung einer Kraftmaschine mit einem Verdichter anhand eines Ablaufdiagramms gezeigt.
• In einem ersten Schritt 500 wird eine aktuelle Schlucklinie SC für die Kraftmaschine 10 ermittelt. Für eine Verbrennungskraftmaschine 10 wird dabei eine aktuelle Drehzahl neng ermittelt. Die aktuelle Drehzahl neng wird hierbei, wie bekannt, z.B. von einem Kurbelwellensensor von einem Steuergerät 100 empfangen und in eine Drehzahl n_eng umgerechnet und abgespeichert.
• Anschließend wird das Verfahren in einem Schritt 510 fortgesetzt.
• In einem Schritt 510 wird in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl n_eng und eines auf dem Steuergerät 100 hinterlegten Modells für die Momentenstruktur, insbesondere eines Momentenmodells, für das Kraftfahrzeug 1 ein maximal mögliches Moment M_max, und der dazu notwendige Massenstrom ṁ_max,theo, um das maximal mögliche Moment abzubilden M_max, abgespeichert.
• Mittels eines Füllungsmodells F auf dem Steuergerät 100 wird in Abhängigkeit des ermittelten notwendigen Massenstroms ṁ_max ein notwendiger Ladedruck p_max,theo für die Verbrennungskraftmaschine 10 ermittelt und abgespeichert. Anschließend wird das Verfahren im Schritt 520 fortgesetzt.
• In einem Schritt 520 wird in Abhängigkeit des notwendigen Massenstroms ṁ_max,_theo ein korrigierter notwendiger Massenstrom ṁ_max,corr wie folgt ermittelt: $${\dot{m}}_{max,corr}={\dot{m}}_{max,theo}\cdot \sqrt{\frac{T_1}{T_{ref}}\cdot }\frac{p_{ref}}{p_1}$$

  

  mit ṁ_max dem notwendigen Massenstrom, T₁ der aktuellen Temperatur vor dem Verdichter 62 und Tref einer Referenztemperatur für den Verdichter 62, p_ref einem Referenzdruck für den Verdichter 62, wobei die Referenztemperatur Tref und der Referenzdruck p_ref während einer Applikationsphase für den Verdichter 62 als Werte ermittelt und in einem Steuergerät 100 hinterlegt werden. Anschließend kann das Verfahren in einem Schritt 530 fortgesetzt werden.
• In einem Schritt 530 wird ein maximal notwendiges Verdichterdruckverhältnis Π_max,theo in Abhängigkeit des ermittelten notwendigen Ladedrucks p_max,theo und des aktuell ermittelten Drucks p₁ vor dem Verdichter 62 ermittelt.
• Der aktuell ermittelte Druck p₁ vor dem Verdichter 62 kann dabei durch einen Drucksensor 3 oder durch entsprechendes Modell im Steuergerät 100 ermittelt werden.
• Anschließend wird das Verfahren im Schritt 540 fortgesetzt.
• In einem Schritt 540 wird in Abhängigkeit des maximal notwendigen Verdichterdruckverhältnisses Π_max,theo und dem korrigierten notwendigen Massenstrom ṁ_max.corr ein Gradient grad_max durch den Nullpunkt ermittelt: $$gra{d}_{max}=\frac{{\mathrm{\Pi }}_{max,theo}}{{\dot{m}}_{max,corr}}$$

  
• Anschließend wird der Gradient grad_max invertiert und das Verfahren wird in einem Schritt 550 fortgesetzt. $$Invgra{d}_{max}=\frac{1}{gra{d}_{max}}.$$

  
• Alternativ kann das Verfahren auch mit den nicht invertierten Gradienten durchgeführt werden.
• In einem Schritt 550 wird ein maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis Π_max mittels des invertierten Gradienten Invgrad_max der aktuellen Schlucklinie SC und der aktuellen ersten Temperatur T₁ in Abhängigkeit eines Kennfelds K ermittelt. Π_max entspricht dabei einem maximal möglichen Verdichterdruckverhältnis bei der aktuellen Schlucklinie SC und der aktuellen Temperatur T₁ vor dem Verdichter 62.
• Das Kennfeld K wird in einer Applikationsphase für den Verdichter 62 ermittelt und auf dem Steuergerät 100 gespeichert. Das Kennfeld K beinhaltet auf der Abszisse diskrete Werte des Quotienten des korrigierten Massenstroms ṁ_corr bei einem maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnis Π_max und dem maximal zulässigen Druckverhältnis Π_max selbst. Die Applikate wird aus dem maximal zulässigen Druckverhältnis Π_max selbst gebildet. Die gewohnte Darstellung der Limitierungslinie L, bei der das maximal zulässige Druckverhältnis Π_max über dem dazugehörenden korrigierten Massenstrom ṁ_corr abgebildet ist, wird so in eine Darstellung des maximal zulässigen Druckverhältnisses Π_max über den Kehrwert des Gradienten Invgrad der zu diesem maximal zulässigen Druckverhältnis nmax gehörenden Schlucklinie SC überführt.
• Auf der Ordinate wird eine Verdichtereintritts-Temperatur, vorzugsweise zwischen -40 und 60°C, aufgetragen.
• Das Kennfeld K gibt somit das maximal zulässige Verdichterdruckverhältnis Π_max, mit bekanntem Kehrwert des Gradienten Invgrad_max einer beliebigen Schlucklinie SC und bekannter Eintrittstemperatur T₁ wieder. Es kann aus Standard-Verdichterkennfeld-Daten, z. B. nach SAE-Konvention ermittelt, und einer als maximal zulässig spezifizierten Verdichter-Austrittstemperatur für den Bauteilschutz gebildet werden.
• Anschließend wird das Verfahren in einem Schritt 560 fortgesetzt.
• In einem Schritt 560 wird ein begrenzter Ladedruck p_lim aus dem ermittelten maximalen Verdichterdruckverhältnis Π_max bei der aktuellen Schlucklinie SC ermittelt.
• Der begrenzte Ladedruck p_lim für den Verdichter 62 lässt sich wie folgt ermitteln: $$p_{lim}={\mathrm{\Pi }}_{max}\cdot p_1,$$

  

  mit Π_max dem maximal Verdichterdruckverhältnis und p₁ dem ersten Druck vor dem Verdichter 62.
• Anschließend wird das Verfahren in einem Schritt 570 fortgesetzt.
• In einem Schritt 570 wird ein Vergleich zwischen dem begrenzten Ladedruck p_lim und dem notwendigen Ladedruck p_max,theo gebildet.
• Für den Vergleich wird ein maximal zulässiger Ladedruck p_max als eine Minimumauswahl zwischen dem begrenzten Ladedruck p_lim und dem notwendigen Ladedruck p_max,theo ermittelt: $$p_{max}=min\left(p_{lim,}{p}_{max,theo}\right).$$

  
• Anschließend wird das Verfahren in einem Schritt 580 fortgesetzt.
• In einem Schritt 580 wird in Abhängigkeit des im Schritt 570 ermittelten maximal zulässigen Ladedrucks p_max mittels des Füllungsmodells ein maximal zulässiger Massenstrom ṁ_lim ermittelt und anschließend über ein Momentenmodell ein maximal zulässiges Moment M_lim ermittelt, welches die Verbrennungskraftmaschine 10 bereitstellen kann. Das Füllungsmodell sowie das Momentenmodell sind hierzu in bekannter Weise auf dem Steuergerät 100 gespeichert. Ein einzustellendes Moment für die Verbrennungskraftmaschine 10 wird in bekannter Weise, z. B. über den Fahrerwunsch, ermittelt und unter Berücksichtigung des ermittelten maximal zulässigen Moments M_lim im Fall einer Überschreitung begrenzt. Anschließend kann das Verfahren im Schritt 500 von Vorne begonnen werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102004016010 A1 [0002]

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung einer Kraftmaschine (10) mit einem Verdichter (62), wobei mittels eines Momentenmodells (M) für die Kraftmaschine (10) ein zu stellendes Moment (M_stell) ermittelt wird, wobei eine aktuelle Schlucklinie (SC) zu einem aktuellen Betriebspunkt für die Kraftmaschine (10) in Abhängigkeit von mindestens zwei Punkten, bestehend aus je einem Wert für einen Massenstrom (ṁ_corr) und ein Druckverhältnis (Π) in dem aktuellen Betriebspunkt, ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient aus den mindestens zwei Punkten ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des ermittelten Gradienten und einer aktuellen ersten Temperatur (T₁) vor dem Verdichter (62) mittels eines Kennfelds (K) ein maximal zulässiges Verdichterdruckverhältnis (Π_max) ermittelt wird, wobei das Kennfeld (K) aus bauteilspezifischen Werten eines Gradienten und eines Verdichterdruckverhältnisses (Π_max) einer Limitierungslinie (L) und einer Eintrittstemperatur für den Verdichter (62) zusammensetzt und vorzugsweise in einer Applikationsphase ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des ermittelten maximal zulässigen Verdichterdruckverhältnisses (Π_max) ein maximal zulässiges Moment (M_lim) ermittelt wird und das zu stellende Moment (M_stell) für die Kraftmaschine (10) begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein invertierter Gradient (gradinv_max) anstelle des Gradienten für das Verfahren verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der zwei Punkte für die Ermittlung der Schlucklinie (SC) der Nullpunkt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der zwei Punkte für die Ermittlung der Schlucklinie (SC) ein Punkt, der einer Volllast für die Kraftmaschine (10) bei aktuellem Betriebspunkt entspricht, ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des aktuellen Betriebspunktes der Kraftmaschine (10) eine Drehzahl der Kraftmaschine (10), insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine (10) als eine Verbrennungskraftmaschine oder als eine Brennstoffzelle ausgestaltet ist.
7. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
8. Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 7.
9. Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (100), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.

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