DE102021204937A1 - Method for optimizing a speed of an electric machine of an exhaust gas turbocharger, engine control unit and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Drehzahl (y(t)) einer elektrischen Maschine (102-2) eines Abgasturboladers (102), umfassend: Ermitteln einer Führungsgröße (w(t)), wobei die Führungsgröße (w(t)) der Soll-Drehzahl der elektrischen Maschine (102-2) entspricht; Ermitteln einer Aufschaltungsgröße (uv(t)) basierend auf der Führungsgröße (w(t)), wobei das Ermitteln der Aufschaltungsgröße (uv(t)) folgende Schritte umfasst: Erkennen (230-1) eines negativen Lastwechsels eines Verdichters (102-3) des Abgasturboladers (102); Ermitteln (230-3) eines maximalen Verzögerungsmoments (Mges) der elektrischen Maschine (102-2) des Abgasturboladers (102). Die Erfindung betrifft weiterhin Motorsteuergerät (620), welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen, sowie ein Fahrzeug (100, 600) mit einem solchen Motorsteuergerät (620). The present invention relates to a method for optimizing a speed (y(t)) of an electric machine (102-2) of an exhaust gas turbocharger (102), comprising: determining a reference variable (w(t)), the reference variable (w(t) ) corresponds to the setpoint speed of the electric machine (102-2); Determining an injection variable (u v (t)) based on the command variable (w(t)), the determination of the injection variable (u v (t)) comprising the following steps: detecting (230-1) a negative load change of a compressor (102 -3) the exhaust gas turbocharger (102); Determining (230-3) a maximum deceleration torque (M tot ) of the electrical machine ( 102-2 ) of the exhaust gas turbocharger (102). The invention also relates to an engine control unit (620) which is set up to carry out such a method, and a vehicle (100, 600) having such an engine control unit (620).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Drehzahl einer elektrischen Maschine eines Abgasturboladers, ein Motorsteuergerät zur Durchführung des Optimierungsverfahrens und ein Fahrzeug, welches das Motorsteuergerät umfasst.The invention relates to a method for optimizing a speed of an electric machine of an exhaust gas turbocharger, an engine control unit for carrying out the optimization method and a vehicle which includes the engine control unit.
Der Verbrauch von Verbrennungskraftmaschinen kann durch konsequente Steigerung des Verdichtungsverhältnisses enorm reduziert werden. Dabei kommen beispielsweise Brennverfahren nach Miller oder Brennverfahren mit Niederdruck-Abgasrückführung zum Einsatz. Diese Brennverfahren erfordern einen hohen Aufladegrad, um heutige Ansprüche an die Fahrperformance zu erfüllen.The consumption of internal combustion engines can be reduced enormously by consistently increasing the compression ratio. Here, for example, combustion processes according to Miller or combustion processes with low-pressure exhaust gas recirculation are used. These combustion processes require a high degree of supercharging in order to meet today's driving performance requirements.
Zum Erreichen dieses Aufladegrades können Aufladekonzepte wie elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) zum Einsatz kommen. Diese werden durch elektrische Energie angetrieben und können zusätzlichen Ladedruck zum konventionellen Abgasturbolader (ATL) erzeugen bzw. den Betriebspunkt des Abgasturboladers verschieben. Das von einem euATL erzeugte Drehmoment kann sowohl zum Bremsen als auch zum Beschleunigen des Abgasturboladers genutzt werden. Der Ladedruck kann erhöht, es kann aber auch Energie rekuperiert werden. Sie werden heutzutage meist genutzt, um das Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine und somit das Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs zu verbessern. Sie können auch z.B. bei Nennleistung zur Energierekuperation benutzt werden. (z.B. Hochleistungskonzepte). Bei Hochleistungskonzepten können zwei Strategien benutzt werden: Energierekuperation, wenn Abgastemperatur und Abgasgegendruck es zulassen. Das Potential ist hier groß, da viel Enthalpie im Abgas vorhanden ist. Auch kurzzeitiges Boosten ist möglich, um Nennleistung zu erhöhen. Hier braucht man aber viel elektrische Leistung. EuATL werden auch genutzt, um die Katalysatortemperatur abzusenken.In order to achieve this degree of supercharging, supercharging concepts such as electrically assisted exhaust gas turbochargers (euATL) can be used. These are driven by electrical energy and can generate additional boost pressure to the conventional exhaust gas turbocharger (ATL) or shift the operating point of the exhaust gas turbocharger. The torque generated by an euATL can be used both for braking and for accelerating the exhaust gas turbocharger. The boost pressure can be increased, but energy can also be recuperated. Nowadays they are mostly used to improve the response behavior of the internal combustion engine and thus the acceleration behavior of the vehicle. They can also be used, for example, for energy recuperation at nominal power. (e.g. high-performance concepts). Two strategies can be used for high-performance concepts: Energy recuperation, if exhaust gas temperature and exhaust back pressure allow it. The potential here is great because there is a lot of enthalpy in the exhaust gas. Short-term boosting is also possible in order to increase the nominal power. But here you need a lot of electrical power. EuATL are also used to lower the catalyst temperature.
Wenn Verdichterpumpen eines Abgasturboladers bei negativem Lastwechsel auftritt, können unerwünschte Geräusche (Kaudergeräusche, Absteuerfauchen und -pfeifen) durch Druckschwingungen vorkommen.If compressor surges of an exhaust gas turbocharger occur during a negative load change, undesirable noises (rattling noises, hissing and whistling during discharge) can occur due to pressure fluctuations.
Ein Pumpen kann durch den Einsatz eines Schubumluftventils im negativen Lastwechsel verhindert werden. Unerwünschte Geräusche (Kaudergeräusche) können durch konstruktive Maßnahmen in luftführende Teile vermindert werden. Ein Schubumluftventil ist ein zusätzliches Bauteil, das mit Kosten, zusätzlichen Funktionen für das Verfahren und die Diagnose, sowie mit Absicherungsaufwand verbunden ist. Im Fehlerfall des Bauteils, z.B. offen klemmend, resultiert ein anzeigepflichtiger Leistungsverlust. Die konstruktiven Maßnahmen zur Geräuschunterdrückung beheben zwar teilweise das Symptom - die Geräuschwahrnehmung im Innenraum und nah des Fahrzeugs wird reduziert, aber nicht die Ursache.Pumping can be prevented by using a diverter valve in the negative load change. Unwanted noises (chewing noises) can be reduced by constructive measures in air-conducting parts. A blow-off valve is an additional component that is associated with costs, additional functions for the procedure and the diagnosis, as well as with protection effort. In the event of a component failure, e.g. open clamping, a notifiable loss of performance results. The constructive noise suppression measures partially eliminate the symptom - the noise perception in the interior and near the vehicle is reduced, but not the cause.
Es besteht also die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer elektrischen Maschine als euATL (elektrisch Unterstützter Abgasturbolader) bereit zu stellen, bei dem die oben angegebenen Nachteile wenigstens teilweise ausgeräumt sind und insbesondere auch eine Geräuschreduzierung bei einem negativen Lastwechsel möglich ist.The object is therefore to provide an improved method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an electric machine as an euATL (electrically assisted exhaust gas turbocharger), in which the disadvantages specified above are at least partially eliminated and, in particular, noise is reduced in the event of a negative load change is possible.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, das Motorsteuergerät nach Anspruch 9 und das Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.This object is achieved by the method according to
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Drehzahl einer elektrischen Maschine eines Abgasturboladers, umfassend:
- Ermitteln einer Führungsgröße, wobei die Führungsgröße der Soll-Drehzahl der elektrischen Maschine entspricht;
- Ermitteln einer Aufschaltungsgröße basierend auf der Führungsgröße, wobei das Ermitteln der Aufschaltungsgröße folgende Schritte umfasst:
- Erkennen eines negativen Lastwechsels eines Verdichters des Abgasturboladers;
- Ermitteln eines maximalen Verzögerungsmoments der elektrischen Maschine des Abgasturboladers.
- determining a reference variable, the reference variable corresponding to the target speed of the electrical machine;
- Determining an override variable based on the reference variable, the determination of the override variable comprising the following steps:
- detecting a negative load change of a compressor of the exhaust gas turbocharger;
- Determining a maximum deceleration torque of the electric machine of the exhaust gas turbocharger.
Das Verfahren dient dazu, die Drehzahl so zu regeln, dass Geräusche bei der Gasfreigabe (Pfeifen und Pfeifen des Gashebels, Rudergeräusche, etc.) vermieden werden. Dazu wird mit der elektrischen Maschine ein Moment erzeugt, um den Abgasturbolader zu bremsen und somit Geräusche beim negativen Lastwechsel zu verhindern/minimieren. Man kann so z.B. auf das Schubumluftventil verzichten oder bei Konzepten ohne Schubumluftventil auf geometrische Maßnahmen in der Ansaughutze.The purpose of the procedure is to regulate the speed in such a way that noises when the throttle is released (whistling and whistling of the throttle lever, rudder noises, etc.) are avoided. For this purpose, a torque is generated with the electric machine in order to brake the exhaust gas turbocharger and thus prevent/minimize noise during negative load changes. For example, the diverter valve can be dispensed with, or in the case of concepts without diverter valve, geometric measures in the intake scoop can be used.
Der Verbrennungsmotor kann ein Ottomotor sein. Ein Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor mit Fremdzündung. Dabei wird ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt und damit die im Kraftstoff gebundene chemische Energie freigesetzt und in mechanische Energie umgewandelt. Das Konzept kann aber auch bei Selbstzündern, also Dieselmotoren realisiert werden.The internal combustion engine can be an Otto engine. A gasoline engine is an internal combustion engine with spark ignition. An air-fuel mixture is burned and the chemical energy bound in the fuel is released and converted into mechanical energy. However, the concept can also be implemented in self-igniting engines, ie diesel engines.
Bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern können bei negativen Lastwechseln Druckschwingungen durch Verdichterpumpen auftreten. Diese Druckschwingungen sind als Kaudergeräusch vom Kunden wahrnehmbar. Das Verfahren ermöglicht die Einstellung einer Aufschaltungsgröße und das direkte und unmittelbare Arbeiten mit einem Rückführungssignal (Feedbacksignal) der Regelstrecke. Anhand dieser Aufschaltungsgröße kann die Drehzahl der elektrischen Maschinen so angepasst werden, dass die unerwünschten Geräusche reduziert werden.In internal combustion engines with exhaust gas turbochargers, pressure fluctuations can occur due to compressor pumps in the event of negative load changes. These pressure fluctuations can be perceived by the customer as a chewing noise. The method enables the setting of a feedforward variable and direct and immediate work with a feedback signal from the controlled system. The speed of the electric machines can be adjusted on the basis of this feedforward variable in such a way that the unwanted noise is reduced.
Die Verzögerung kann durch die Erzeugung eines negativen Moments (Verzögerungsmoments) durch die elektrische Maschine im Abgasturbolader erfolgen. Die Momentenangleichung, mit der die maximale Verzögerung realisiert wird, kann mit einer Vorsteuerung realisiert werden. Die maximale Verzögerung kann so lange aufrechterhalten werden, bis ein Schwellenwert der Drehzahldifferenz überschritten wird. Die Angleichung an die Solldrehzahl des Abgasturboladers durch eine Drehmomentreduzierung der elektrischen Maschine am Abgasturbolader kann durch eine Kombination aus der Sinusquadrat-Vorsteuerung und dem konventionellen Regler erfolgen. Durch diese Kombination kann eine weitgehend ruckelfreie Drehzahlangleichung sowie ein glatter Momentenverlauf gewährleistet werden. So kann das Verdichterpumpen effektiv verhindert werden. Die Akustik des Abgasturboladers kann verbessert werden und eine Energierückgewinnung ist ebenfalls möglich. Zusätzlich kann das System auch robuster gestaltet werden und die Regelgeschwindigkeit kann erhöht werden.The deceleration can take place through the generation of a negative moment (deceleration moment) by the electric machine in the exhaust gas turbocharger. The torque adjustment, with which the maximum deceleration is realized, can be realized with a pre-control. The maximum deceleration may be maintained until a speed differential threshold is exceeded. The adjustment to the target speed of the exhaust gas turbocharger by reducing the torque of the electric machine on the exhaust gas turbocharger can be carried out by a combination of the sine square pre-control and the conventional controller. With this combination, a largely jerk-free speed adjustment and a smooth torque curve can be guaranteed. In this way, compressor pumping can be effectively prevented. The acoustics of the exhaust gas turbocharger can be improved and energy recovery is also possible. In addition, the system can also be made more robust and the control speed can be increased.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren:
- Ermitteln einer Stellgröße basierend auf der Führungsgröße;
- Erfassen einer Regelgröße;
- Ermitteln einer Sollwertabweichung basierend auf einer Abweichung der Führungsgröße und der Regelgröße;
- Ermitteln einer neuen Stellgröße anhand der Sollwertabweichung; und
- Korrigieren der neuen Stellgröße anhand der Aufschaltungsgröße umfassen.
- determining a manipulated variable based on the reference variable;
- detecting a controlled variable;
- determining a setpoint deviation based on a deviation of the reference variable and the controlled variable;
- Determining a new manipulated variable based on the setpoint deviation; and
- Correcting the new manipulated variable based on the injection variable.
Durch die Ermittlung einer neuen Stellgröße auf Basis der Sollwertabweichung können Störgrößen weiter eliminiert oder reduziert werden.By determining a new manipulated variable based on the setpoint deviation, disturbance variables can be further eliminated or reduced.
In manchen Ausführungsformen kann das Erkennen der negativen Lastwechsel des Verdichters des Abgasturboladers
Ermitteln, ob die Führungsgröße größer als eine Mindestdrehzahl ist;
Ermitteln einer Differenz zwischen der Regelgröße und der Führungsgröße des Abgasturboladers; und
Erkennen eines negativen Lastwechsels, wenn die Differenz größer als ein vorbestimmter Wert ist, umfassen.In some specific embodiments, the detection of the negative load changes of the compressor of the exhaust gas turbocharger
determining if the command is greater than a minimum speed;
determining a difference between the controlled variable and the reference variable of the exhaust gas turbocharger; and
Detecting a negative load change when the difference is greater than a predetermined value include.
Die Drehzahlregelung der elektrischen Maschine des Abgasturboladers kann aktiviert werden, wenn zwei Schwellwerte überschritten werden. Mit dem ersten Schwellwert kann ermittelt werden, ob die Differenz zwischen Ist- und Solldrehzahl des Abgasturboladers einen definierten Wert überschreitet. Zum anderen kann eine Mindestdrehzahl erforderlich sein. Wenn die Drehzahlregelung aktiviert wird, kann zuerst die maximale Verzögerung berechnet werden, mit der der Abgasturbolader abgebremst werden soll. Diese Ermittlung kann mit einer Hilfe einer Leistungsbilanz erfolgen, in der die maximale Rekuperationsleistung, der maximale Strom, die Wärmeentwicklung und andere Bauteilgrenzen der elektrischen Maschine berücksichtigt werden. Zusätzlich kann die Drehzahldifferenz miteinbezogen werden.The speed control of the electric machine of the exhaust gas turbocharger can be activated when two threshold values are exceeded. The first threshold value can be used to determine whether the difference between the actual and setpoint speeds of the exhaust gas turbocharger exceeds a defined value. On the other hand, a minimum speed may be required. If the speed control is activated, the maximum deceleration with which the exhaust gas turbocharger should be braked can first be calculated. This determination can be made with the help of a power balance, in which the maximum recuperation power, the maximum current, the heat development and other component limits of the electrical machine are taken into account. The speed difference can also be included.
In manchen Ausführungsformen kann das maximale Verzögerungsmoment anhand einer maximalen Rekuperationsleistung der elektrischen Maschine ermittelt werden. Durch Berücksichtigung der maximalen Rekuperationsleistung der elektrischen Maschine des Abgasturboladers zur Bestimmung des maximalen Verzögerungsmoments kann die Beschädigung der elektrischen Maschine des Abgasturboladers reduziert werden.In some specific embodiments, the maximum deceleration torque can be determined using a maximum recuperation power of the electrical machine. By taking into account the maximum recuperation power of the electric machine of the exhaust gas turbocharger to determine the maximum deceleration torque, the damage to the electric machine of the exhaust gas turbocharger can be reduced.
In manchen Ausführungsformen kann die maximale Rekuperationsleistung PE wie folgt ermittelt werden:
Beim gewünschten eATL Bremsen wird eine Leistung von der E-Maschine als Generator erzeugt. Die resultierende Stromstärke hängt vom Wirkungsgrad des E-Motors am Abgasturbolader ab und zusätzlich vom Wirkungsgrad der Leistungselektronik und dem Wirkungsgrad, um die Energie in der Batterie zu speichernWith the desired eATL braking, power is generated by the e-machine as a generator. The resulting amperage depends on the efficiency of the electric motor on the exhaust gas turbocharger and also on the efficiency of the power electronics and the efficiency of storing the energy in the battery
In manchen Ausführungsformen kann das maximale Verzögerungsmoment anhand der Leistung des Abgasturboladers ermittelt werden. Durch Berücksichtigung der Leistung des Abgasturboladers zur Bestimmung des maximalen Verzögerungsmoments kann die Beschädigung der elektrischen Maschine des Abgasturboladers reduziert werden. Dabei kann als Randbedingung für die Funktion die maximale Leistung der E-Maschine im generatorischen Betrieb hinterlegt sein (Volllast des E-Motors als Generator). Es handelt sich um eine Kurve über die Abgasturboladerdrehzahl, d.h. die Leistung beim Verzögerungsvorgang wird sich vom Startpunkt bis zu einer kleinen Drehzahl hin (geregelter Betrieb) ändern. Das wird i.d.R. von der Leistungselektronik geregelt.In some specific embodiments, the maximum deceleration torque can be determined based on the performance of the exhaust gas turbocharger. By taking into account the power of the exhaust gas turbocharger to determine the maximum deceleration torque, damage to the electrical machine of the exhaust gas turbocharger can be reduced. The maximum power of the e-machine in generator mode can be stored as a boundary condition for the function (full load of the e-motor as a generator). It is a curve over the exhaust gas turbocharger speed, i.e. the performance during the deceleration process will change from the starting point down to a low speed (controlled operation). This is usually regulated by the power electronics.
In manchen Ausführungsformen kann das maximale Verzögerungsmoment anhand einer Sinusquadratvorsteuerung ermittelt werden. Gegenüber einem Regler, der einen ähnlichen Verlauf aufweist, bietet die Sinusquadratvorsteuerung den Vorteil, dass er unendlich differenzierbar ist und über weniger zu applizierende Parameter verfügt.In some specific embodiments, the maximum deceleration torque can be determined using a sine square pre-control. Compared to a controller with a similar curve, the sine square pre-control offers the advantage that it can be infinitely differentiated and has fewer parameters to be applied.
Beim Abgasturbolader handelt es sich um einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader (euATL). Ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader umfasst die elektrische Maschine. Durch die Integration der elektrischen Maschine in den Abgasturbolader kann Verdichterpumpen unterdrückt sowie die vorhandene kinetische Energie durch Rekuperieren genutzt werden. Des Weiteren kann die Dynamik des Systems durch den zusätzlichen Drehmoment an der Welle des Abgasturboladers mit der elektrische Maschine verbessert werden.The exhaust gas turbocharger is an electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL). An electrically assisted exhaust gas turbocharger includes the electric machine. By integrating the electrical machine into the exhaust gas turbocharger, compressor surges can be suppressed and the existing kinetic energy can be used through recuperation. Furthermore, the dynamics of the system can be improved by the additional torque on the shaft of the exhaust gas turbocharger with the electric machine.
Ein zweiter Aspekt betrifft ein Motorsteuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen durchzuführen. Das Motorsteuergerät kann Anforderungen an die Verbrennungskraftmaschine aufnehmen, verarbeiten und entsprechende Signale an Aktuatoren geben. Aktuatoren können Elektromotoren oder elektromagnetische Ventile sein, die dafür zuständig sind, die Signale des Steuergerätes in eine bestimmte Aktion umzusetzen.A second aspect relates to an engine control unit that is set up to carry out a method according to one of the preceding specific embodiments. The engine control unit can receive requests to the internal combustion engine, process them and send corresponding signals to actuators. Actuators can be electric motors or electromagnetic valves that are responsible for converting the signals from the control unit into a specific action.
Ein dritter Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit dem vorhergehenden Motorsteuergerät. Das Motorsteuergerät kann eine präzise zentrale Steuerung der für den Motorbetrieb relevanten Funktionen des Fahrzeugs ermöglichen.A third aspect relates to a vehicle having the foregoing engine control device. The engine control unit can enable precise central control of the vehicle functions relevant to engine operation.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 als ein Ausführungsbeispiel ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader; -
2 als ein Ausführungsbeispiel, einen Drehzahlregelkreis für die elektrische Maschine (des Abgasturboladers); -
3 als ein Ausführungsbeispiel, Verfahrensschritte der Vorsteuerung; -
4 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Ladedrucks und des Massenstroms, die sich aus dem Verdichter ergeben; -
5 zeigt einen beispielhaften Verlauf des Drucksignals ohne die in3 dargestellte Vorsteuerung und einen beispielhaften Verlauf des Drucksignals mit der in3 dargestellten Vorsteuerung im Arbeitskennfeld des Verdichters; und -
6 zeigt, als ein Ausführungsbeispiel, ein Fahrzeug mit einer Motoranordnung.
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1 as an exemplary embodiment, a vehicle with an internal combustion engine and an electrically assisted exhaust gas turbocharger; -
2 as an embodiment, a speed control circuit for the electric machine (of the exhaust gas turbocharger); -
3 as an embodiment, method steps of the pre-control; -
4 shows an example of the course of the charge pressure and the mass flow over time, which result from the compressor; -
5 shows an example of the pressure signal curve without the in3 shown pre-control and an exemplary course of the pressure signal with the in3 illustrated pilot control in the working map of the compressor; and -
6 12 shows, as one embodiment, a vehicle having an engine assembly.
Die Verbrennungskraftmaschine 101 kann ein Ottomotor sein, wobei der Ottomotor in teilelektrifizierten Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine 101 wird durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs angetrieben. Die Verbrennungskraftmaschine 101 umfasst einen Kolben, einen Zylinder, ein Einlassventil, ein Auslassventil, einen Kraftstoffinjektor und eine Zündkerze. Die Energieumwandlung kann entweder nach dem Vier- oder Zweitaktprinzip erfolgen.
Der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 umfasst eine Turbine 102-1 und einen Verdichter 102-3. Die Turbine 102-1 nutzt die Energie (thermische Energie, d. h. Wärmeenergie, teilweise auch kinetische Energie, d. h. Bewegungsenergie) der austretenden Abgase der Verbrennungskraftmaschine 101 und ist mit dem Verdichter 102-3 verbunden. Der Verdichter 102-3 wird von der Turbine 102-1 angetrieben, wodurch der Luftdurchsatz erhöht und die Ansaugarbeit der Kolben vermindert wird. Der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 kann ferner ein Bypassventil (Wastegate) im Abgasstrom umfassen, um den Ladedruck zu regeln.The electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 includes a turbine 102-1 and a compressor 102-3. The turbine 102-1 uses the energy (thermal energy, ie heat energy, sometimes also kinetic energy, ie kinetic energy) of the exiting exhaust gases of the
Ferner kann die Turbine 102-1 verstellbare Leitschaufeln (verstellbare Turbinengeometrie - VTG) umfassen. Durch die verstellbaren Leitschaufeln kann dem zuströmenden Gas bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ein höherer Drehimpuls (in Form einer höheren Tangentialgeschwindigkeit) gegeben werden. Der Öffnungswinkel der Leitschaufeln kann so geregelt werden, dass bei geringem Gasdurchsatz das Abgas durch Reduzieren der Strömungsquerschnitte - Schließen der VTG - tangential beschleunigt und auf die verstellbaren Leitschaufeln geleitet wird, wodurch die Turbinenleistung und damit die Leistung des Verdichters erhöht wird. Umgekehrt kann bei hohem Gasdurchsatz die Strömungsgeschwindigkeit durch große Strömungsquerschnitte reduziert werden.Furthermore, the turbine 102-1 may include variable turbine geometry (VTG) vanes. Due to the adjustable guide vanes, the inflowing gas can be given a higher angular momentum (in the form of a higher tangential velocity) at low flow velocities. The opening angle of the guide vanes can be regulated in such a way that when the gas throughput is low, the exhaust gas is accelerated tangentially by reducing the flow cross-sections - closing the VTG - and directed to the adjustable guide vanes, which increases the turbine output and thus the output of the compressor. Conversely, with a high gas throughput, the flow velocity can be reduced by large flow cross sections.
Ferner umfasst der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 eine elektrische Maschine 102-2. Durch die elektrische Maschine 102-2 kann der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 zusätzlich mit geregeltem Drehmoment beschleunigt oder verzögert werden. Bei Stationärunterstützung kann auch dauerhaft ein zusätzliches Drehmoment aufgeprägt werden. Es können auch effizientere Randbedingungen für die Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden. Auch Bremsen zur Energierekuperation ist möglich, dabei wird der Betriebspunkt am ATL (nicht am Motor) durch ein Bremsmoment an der euATL-Welle verschoben.Furthermore, the electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 includes an electric machine 102-2. The electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 can additionally be accelerated or decelerated with controlled torque by the electric machine 102-2. In the case of stationary support, an additional torque can also be applied permanently. More efficient boundary conditions for the internal combustion engine can also be set. Braking for energy recuperation is also possible, with the operating point on the ATL (not on the engine) being shifted by a braking torque on the euATL shaft.
Die elektrische Maschine 102-2 kann auf der Antriebswelle 102-4 zwischen der Turbine 102-1 und dem Verdichter 102-3 angeordnet sein oder auch an einem Wellenende im Anschluss an der Turbine 102-1 bzw. an den Verdichter 102-3. Mittels der zugeführten elektrischen Energie kann so zusätzlicher Ladedruck zur Ladedruckerhöhung und damit zur Beschleunigung zur Verfügung gestellt werden. In anderen Betriebsarten kann auch gebremst werden. Wenn Verdichterpumpen eines Abgasturboladers bei negativen Lastwechseln auftritt, können unerwünschte Geräusche (Kaudergeräusche) durch Druckschwingungen vorkommen. Um dieses unerwünschte Rauschen zu vermeiden, ist in
Der Ladeluftkühler 103 dient als Wärmetauscher, der die Temperatur der in den Ansaugtrakt einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 101 zugeführten Verbrennungsluft reduziert. Er kann im Ansaugtrakt zwischen dem Verdichter 102-3 und dem Einlassventil der Verbrennungskraftmaschine 101 eingebaut werden und führt einen Teil der Wärme ab, die bei der Verdichtung der Luft im euATL 102 entsteht. Dadurch erhöht sich die Leistung und Effizienz der Verbrennungskraftmaschine 101. Durch die Senkung der Temperatur der zugeführten Luft entsteht im gleichen Volumen eine größere Luftmasse, sodass proportional mehr Kraftstoff verbrannt werden kann.The
Die Drosselklappe 104 befindet sich im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine 101. Die Drosselklappe 104 regelt zusammen mit dem euATL 102 die Luftzufuhr für die Verbrennungskraftmaschine 101.
Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 101 wird über die Turbine 102-1 des euATL 102 expandiert und über die gemeinsame Welle 102-4 wird der Verdichter 102-3 des euATL 102 angetrieben. Auf der Welle 102-4 des euATL 102 befindet sich die elektrische Maschine 102-2, durch welche die Ladedruckerzeugung elektrisch unterstützt werden kann. Auch eine Rekuperation über die elektrische Maschine 102-2 kann bei quasi stationären Betriebspunkten in einigen Motorkennfeldbereichen zur Energiegewinnung sinnvoll sein (z.B. zur Deckung des Bordnetzbedarfs) Nach der Kompression im Verdichter 102-3 des euATL 102 wird die Frischluft über den Ladeluftkühler 103 und die Drosselklappe 104 der Verbrennungskraftmaschine 101 zugeführt.The exhaust gas of the
Die Abgasrückführung 105 kann eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) sein und umfasst ein Abgasrückführungs-Ventil 105-1 und einen Abgasrückführungs-Kühler 105-2. Die Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) dient zur Senkung der Klopfneigung im klopfbegrenzten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine 101. Dies führt zu besseren Verbrennungsschwerpunktlagen und somit zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch.The
Der Drehzahlregelkreis 200 umfasst einen Regler 210, eine Regelstrecke 220 und eine Vorsteuerung 230. Die Vorsteuerung 210 und der Regler 210 erfassen eine Führungsgröße (Sollwert) w(t), welche der Soll-Drehzahl der elektrischen Maschine (102-2 in
Der Regler 210 ermittelt basierend auf der erfassten Führungsgröße w(t) eine Stellgröße uR(t). Diese Stellgröße uR(t) wird zu einer Regelstrecke 220 weitergeleitet. Die Regelstrecke 220 ermittelt anhand der Stellgröße uR(t) eine Regelgröße (Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine) y(t), welche zu der der elektrische Maschine (102-2 in
Die Vorsteuerung 210 ermittelt basierend auf der erfassten Führungsgröße w(t) eine Aufschaltungsgröße uv(t). Diese Aufschaltungsgröße uv(t) wird mit der Stellgröße uR(t) des Reglers 210 kombiniert (addiert). Damit wären die wünschenswerten Eigenschaften der Robustheit und Störkompensation (Kaudergeräusche) der Regelung mit der schnellen Umsteuerung kombiniert. Dabei könnte die Vorsteuerung 210 so gewählt werden, dass die Regelstrecke 220 möglichst schnell der Führungsgröße w(t) nachgeführt wird. Eine ausführlichere Darstellung der Verfahrensschritte der Vorsteuerung 210 ist in
Die Vorsteuerung 210 kann eine Sinusquadratvorsteuerung sein. Gegenüber einem PT5-Regler, der einen ähnlichen Verlauf aufweist, bietet die Sinusquadratvorsteuerung den Vorteil, dass sie unendlich differenzierbar ist und über weniger zu applizierende Parameter verfügt.The feed forward 210 may be a sine square feed forward. Compared to a PT5 controller, which has a similar curve, the sine square pre-control offers the advantage that it can be infinitely differentiated and has fewer parameters to be applied.
Die Vorsteuerung umfasst Erkennen 230-1 von negativen Lastwechseln des Verdichterpumpens des Abgasturboladers (102 in
Wenn ein negativer Lastwechsel erkannt wird, wird die maximale Rekuperationsleistung der elektrischen Maschine (102-2 in
Anhand der ermittelten maximalen Rekuperationsleistung PE, wird eine maximale Verzögerungsleistung Pges ermittelt, aus der ein maximales Verzögerungsmoment Mges 230-3 ableitbar ist, mit dem der Abgasturbolader abgebremst wird. Diese Ermittlung kann mit Hilfe einer Leistungsbilanz erfolgen, welche die ermittelte maximale Rekuperationsleistung PE, den maximalen Strom, die Wärmeentwicklung und andere Bauteilgrenzen des elektrischen Maschine berücksichtigt.Based on the determined maximum recuperation power P E , a maximum deceleration power P tot is determined, from which a maximum deceleration torque M tot 230-3 can be derived, with which the exhaust gas turbocharger is braked. This determination can be made using a power balance, which takes into account the determined maximum recuperation power P E , the maximum current, the heat development and other component limits of the electrical machine.
Die maximale Verzögerungsleistung Pges kann wie folgt ermittelt werden:
Die Leistung Pturbo des Abgasturboladers kann wie folgt ermittelt werden:
Anhand des so ermittelten maximalen Verzögerungsmoments 230-3 wird eine Aufschaltungsgröße (uv(t) in
Die x-Achse von
Die x-Achse von
Der Linie L500 entspricht das Drucksignal ohne die in
BezugszeichenlisteReference List
- 100; 600100; 600
- Fahrzeugvehicle
- 101101
- Verbrennungskraftmaschineinternal combustion engine
- 102102
- elektrisch unterstützter Abgasturbolader (euATL)electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL)
- 102-1102-1
- Turbineturbine
- 102-2102-2
- elektrische Maschineelectric machine
- 102-3102-3
- Verdichtercompressor
- 102-4102-4
- WelleWave
- 103103
- Ladeluftkühlerintercooler
- 104104
- Drosselklappethrottle
- 105105
- Abgasrückführungexhaust gas recirculation
- 200200
- Drehzahlregelkreisspeed control loop
- 210210
- Reglercontroller
- 220220
- Regelstreckecontrolled system
- 230230
- Vorsteuerung pre-control
- w(t)w(t)
- Führungsgrößebenchmark
- uR(t)uR(t)
- Stellgrößemanipulated variable
- y(t)y(t)
- Regelgrößecontrolled variable
- uv(t)uv(t)
- Aufschaltungsgrößestaging size
- PEPE
- maximale Rekuperationsleistungmaximum recuperation performance
- PgesPges
- maximale Verzögerungsleistungmaximum deceleration performance
- Mgesmg
- maximales Verzögerungsmomentmaximum deceleration torque
- PturboPturbo
- Leistung des AbgasturboladersPerformance of the exhaust gas turbocharger
- ηturboη turbo
- Wirkungsgrad des AbgasturboladersEfficiency of the exhaust gas turbocharger
- ηEηE
- Wirkungsgrad der elektrischen MaschineEfficiency of the electric machine
- hH
- Größe für das Druck- und MassenstromverhältnisQuantity for the pressure and mass flow ratio
- nn
- Drehzahl der Turbinespeed of the turbine
- Uu
- Spannung der elektrischen MaschineVoltage of the electrical machine
- ImaxImax
- maximal zulässiger Strommaximum allowable current
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102018121017 A1 [0006]DE 102018121017 A1 [0006]
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DE102011081946A1 (en) | 2011-09-01 | 2013-03-07 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating exhaust-driven charging unit for internal combustion engine of motor system, involves operating charging unit depending on operating point of internal combustion engine |
DE102018121017A1 (en) | 2017-08-31 | 2019-02-28 | Ford Global Technologies, Llc | METHOD AND SYSTEM FOR A CHARGED ENGINE |
DE102019216576A1 (en) | 2019-10-28 | 2021-01-14 | Mtu Friedrichshafen Gmbh | Method for operating an internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method |
-
2021
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