DE102021204937A1 - Method for optimizing a speed of an electric machine of an exhaust gas turbocharger, engine control unit and vehicle - Google Patents

Method for optimizing a speed of an electric machine of an exhaust gas turbocharger, engine control unit and vehicle Download PDF

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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).

Figure DE102021204937A1_0000
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).
Figure DE102021204937A1_0000

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.

DE 10 2018 121 017 A1 offenbart ein Verfahren zur koordinierten Steuerung eines Aufladungsverbundsystems, das einen ersten Verdichter umfasst, der in einem zweiten Verdichter in einem Motoreinlass gestuft ist. Ein Zeitpunkt und eine Menge einer elektrischen Unterstützung, die bereitgestellt wird, um den ersten, stromaufwärts angeordneten Verdichter vorübergehend zu betreiben, können dynamisch angepasst werden, wenn sich das Druckverhältnis am zweiten Verdichter verändert. Durch das Anpassen einer positiven Drehzahlausgabe zu einem elektrischen Motor, der die elektrische Unterstützung bereitstellt, kann eine vorübergehende Aufladungsreaktion verbessert werden. Für eine gezielte Reduzierung unerwünschter Geräusche (Kaudergeräusche) ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet. DE 10 2018 121 017 A1 discloses a method for coordinated control of a boost system including a first compressor staged in a second compressor in an engine intake. A timing and amount of electrical assist provided to temporarily operate the first, upstream compressor may be dynamically adjusted as the pressure ratio at the second compressor changes. By matching a positive speed output to an electric motor that provides the electric assist, transient boost response may be enhanced. However, this method is not suitable for a targeted reduction of unwanted noises (chewing noises).

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 claim 1, the engine control unit according to claim 9 and the vehicle according to claim 10. Further advantageous refinements of the invention result from the dependent claims and the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention.

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.
A first aspect of the present invention relates to a method for optimizing a speed of an electric machine of an exhaust gas turbocharger, comprising:
  • 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.
In some embodiments, the method can:
  • 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: Rekuperationsleistung  ( P E ) = U I m a x η E .

Figure DE102021204937A1_0001
wobei U die Spannung der elektrischen Maschine, Imax der maximal zulässige Strom, ηE der elektrische Wirkungsgrad ist.In some embodiments, the maximum recuperation power P E can be determined as follows: recuperation performance ( P E ) = u I m a x n E .
Figure DE102021204937A1_0001
where U is the voltage of the electrical machine, I max is the maximum permissible current, η E is the electrical efficiency.

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 in 3 dargestellte Vorsteuerung und einen beispielhaften Verlauf des Drucksignals mit der in 3 dargestellten Vorsteuerung im Arbeitskennfeld des Verdichters; und
  • 6 zeigt, als ein Ausführungsbeispiel, ein Fahrzeug mit einer Motoranordnung.
Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 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 in 3 shown pre-control and an exemplary course of the pressure signal with the in 3 illustrated pilot control in the working map of the compressor; and
  • 6 12 shows, as one embodiment, a vehicle having an engine assembly.

1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader (euATL). Das Fahrzeug 100 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 101, einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader (euATL) 102, einen Ladeluftkühler 103, eine Drosselklappe 104, eine Abgasrückführung 105. 1 shows a vehicle with an internal combustion engine and an electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) as an exemplary embodiment. The vehicle 100 includes an internal combustion engine 101, an electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102, an intercooler 103, a throttle valve 104, an exhaust gas recirculation 105.

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.Internal combustion engine 101 can be a spark-ignition engine, in which case the spark-ignition engine can be used in partially electrified vehicles. The internal combustion engine 101 is driven by the combustion of a fuel-air mixture. The internal combustion engine 101 includes a piston, a cylinder, an intake valve, an exhaust valve, a fuel injector, and a spark plug. The energy conversion can take place either according to the four- or two-stroke principle.

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 internal combustion engine 101 and is connected to the compressor 102-3. The compressor 102-3 is driven by the turbine 102-1, which increases the air throughput and reduces the suction work of the pistons. The electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 may further include a bypass valve (wastegate) in the exhaust flow to regulate boost pressure.

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 2 ein Drehzahlregelkreis der elektrischen Maschine 102-2 dargestellt. Der in 2 dargestellte Drehzahlregelkreis kann ferner die Robustheit des Abgasturboladers erhöhen und die Regelgeschwindigkeit verbessern.The electrical machine 102-2 can be arranged on the drive shaft 102-4 between the turbine 102-1 and the compressor 102-3 or also at a shaft end following the turbine 102-1 or the compressor 102-3. By means of the electrical energy supplied, additional charge pressure can be made available to increase the charge pressure and thus for acceleration. Braking is also possible in other operating modes. If compressor surges of an exhaust gas turbocharger occur during negative load changes, undesirable noises (rattling noises) can occur due to pressure fluctuations. To avoid this unwanted noise, in 2 a speed control loop of the electric machine 102-2 is shown. the inside 2 The speed control circuit shown can also increase the robustness of the exhaust gas turbocharger and improve the control speed.

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 intercooler 103 serves as a heat exchanger that reduces the temperature of the combustion air fed into the intake tract of a supercharged internal combustion engine 101 . It can be installed in the intake tract between the compressor 102-3 and the intake valve of the internal combustion engine 101 and dissipates some of the heat that is produced when the air is compressed in the euATL 102. This increases the power and efficiency of the internal combustion engine 101. By lowering the temperature of the air supplied, a larger air mass is produced in the same volume, so that proportionately more fuel can be burned.

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.Throttle valve 104 is located in the intake tract of internal combustion engine 101. Together with euATL 102, throttle valve 104 regulates the air supply for internal combustion engine 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 internal combustion engine 101 is expanded via the turbine 102-1 of the euATL 102 and the compressor 102-3 of the euATL 102 is driven via the common shaft 102-4. The electric machine 102-2 is located on the shaft 102-4 of the euATL 102 and can electrically support the generation of the charging pressure. Recuperation via the electric machine 102-2 can also be useful at quasi-stationary operating points in some areas of the engine map to generate energy (e.g. to cover the on-board network requirement). After compression in the compressor 102-3 of the euATL 102, the fresh air is pumped through the intercooler 103 and the throttle valve 104 of the internal combustion engine 101 supplied.

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 exhaust gas recirculation 105 may be low pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR) and includes an exhaust gas recirculation valve 105-1 and an exhaust gas recirculation cooler 105-2. The low-pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR) serves to reduce the tendency to knock in the knock-limited operating range of the internal combustion engine 101. This leads to better combustion center positions and thus to lower fuel consumption.

2 zeigt, als ein Ausführungsbeispiel, einen Drehzahlregelkreis für die elektrische Maschine (102-2 in 1) des Abgasturboladers (102 in 2). 2 shows, as an embodiment, a speed control circuit for the electric machine (102-2 in 1 ) of the exhaust gas turbocharger (102 in 2 ).

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 1) des Abgasturboladers (102 in 2) entspricht.The speed control circuit 200 includes a controller 210, a controlled system 220 and a pre-control 230. The pre-control 210 and the controller 210 detect a reference variable (setpoint) w(t), which corresponds to the setpoint speed of the electrical machine (102-2 in 1 ) of the exhaust gas turbocharger (102 in 2 ) is equivalent to.

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 1) des Abgasturboladers (102 in 2) weiter geleitet wird. Die Regelgröße y(t) kann von der Führungsgröße w(t) abweichen, da die Regelstrecke 220 durch verschiedene Störgrößen d(t) beeinflusst werden kann. Die Regelgröße y(t) der Regelstrecke 220 wird von einem Messglied (nicht in 2) erfasst und wird von der vorgegebenen Führungsgröße w(t) subtrahiert. Der Regler 210 bestimmt aus der Sollwertabweichung (Regelabweichung/Regeldifferenz) und den vorgegebenen Regelparametern eine neue Stellgröße uR(t). Diese wirkt über die Regelstrecke 220 so auf die Regelgröße y(t) ein, dass sie die Regelabweichung trotz vorhandener Störgrößen d(t) minimiert und die Regelgröße y(t) je nach gewählten Gütekriterien ein gewünschtes Zeitverhalten annimmt. Der Regler 210 kann ein proportional wirkender Regler (P-Regler), ein integral wirkender Regler (I-Regler), ein proportional und integral wirkender Regler (PI-Regler) oder ein proportional, integral und derivativ wirkender Regler (PID-Regler) oder ein komplexer Regler sein.The controller 210 determines a manipulated variable u R (t) based on the recorded command variable w(t). This manipulated variable u R (t) is forwarded to a controlled system 220 . The controlled system 220 uses the manipulated variable u R (t) to determine a controlled variable (actual speed of the electrical machine) y(t), which corresponds to that of the electrical machine (102-2 in 1 ) of the exhaust gas turbocharger (102 in 2 ) is forwarded. The controlled variable y(t) can deviate from the command variable w(t) since the controlled system 220 can be influenced by various disturbance variables d(t). The controlled variable y(t) of the controlled system 220 is measured by a measuring element (not in 2 ) and is subtracted from the specified reference variable w(t). The controller 210 determines a new manipulated variable u R (t) from the setpoint deviation (control deviation/control difference) and the specified control parameters. This acts on the controlled variable y(t) via the controlled system 220 in such a way that it minimizes the control deviation despite the presence of disturbance variables d(t) and the controlled variable y(t) assumes a desired time behavior depending on the selected quality criteria. The controller 210 can be a proportional controller (P controller), an integral controller (I controller), a proportional and integral controller (PI controller) or a proportional, integral and derivative controller (PID controller) or be a complex controller.

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 3 dargestellt. The pilot control 210 determines an injection variable u v (t) based on the recorded reference variable w(t). This injection variable u v (t) is combined (added) with the manipulated variable u R (t) of the controller 210 . This would combine the desirable properties of robustness and interference compensation (chattering noises) of the control with fast reversal. In this case, the pilot control 210 could be selected in such a way that the controlled system 220 tracks the command variable w(t) as quickly as possible. A more detailed description of the procedural steps of pre-control 210 is in 3 shown.

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.

3 zeigt, als ein Ausführungsbeispiel, Verfahrensschritte der Vorsteuerung (210 in 2). 3 shows, as an exemplary embodiment, method steps of the pre-control (210 in 2 ).

Die Vorsteuerung umfasst Erkennen 230-1 von negativen Lastwechseln des Verdichterpumpens des Abgasturboladers (102 in 2). Negative Lastwechsel des Verdichterpumpens des Abgasturboladers (102 in 2) werden erkannt, wenn die Differenz zwischen Ist (y(t) in 2)- und Solldrehzahl (w(t) in 2) des Abgasturboladers einen definierten Wert überschreitet und eine Mindestdrehzahl erforderlich ist.The pre-control includes detection 230-1 of negative load changes of the compressor pumping of the exhaust gas turbocharger (102 in 2 ). Negative load changes of the compressor surge of the exhaust gas turbocharger (102 in 2 ) are detected when the difference between Actual (y(t) in 2 ) and target speed (w(t) in 2 ) of the exhaust gas turbocharger exceeds a defined value and a minimum speed is required.

Wenn ein negativer Lastwechsel erkannt wird, wird die maximale Rekuperationsleistung der elektrischen Maschine (102-2 in 1) des Abgasturboladers (102 in 1) ermittelt 230-2. Die maximale Rekuperationsleistung PE ist abhängig von dem maximal zulässigen Strom Imax, den das Bauteil (Leistungselektronik, die Batterie und/oder E-Maschine an der Turboladerwelle) aktuell leisten kann. Die maximale Rekuperationsleistung PE kann wie folgt ermittelt werden: P E = U I m a x η E .

Figure DE102021204937A1_0002
wobei U die Spannung der elektrischen Maschine, Imax der maximal zulässige Strom, den das Bauteil (Leistungselektronik und/oder E-Maschine an der Turboladerwelle) aktuell leisten kann, ηE der elektrische Wirkungsgrad der ist.If a negative load change is detected, the maximum recuperation power of the electrical machine (102-2 in 1 ) of the exhaust gas turbocharger (102 in 1 ) determines 230-2. The maximum recuperation power P E depends on the maximum permissible current I max that the component (power electronics, the battery and/or electric machine on the turbocharger shaft) can currently deliver. The maximum recuperation power P E can be determined as follows: P E = u I m a x n E .
Figure DE102021204937A1_0002
where U is the voltage of the electric machine, I max is the maximum permissible current that the component (power electronics and/or electric machine on the turbocharger shaft) can currently deliver, η E is the electric efficiency.

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: P g e s = P t u r b o + P E

Figure DE102021204937A1_0003
wobei Pturbo die Leistung des Abgasturboladers und PE die maximale Rekuperationsleistung ist. Die Leistung Pturbo des Abgasturboladers kann anhand der Turbinendrehzahl n und des Wirkungsgrads ηturbo des Abgasturboladers mithilfe des Druck- und Massenstromverhältnisses ermittelt werden.The maximum deceleration power P tot can be determined as follows: P G e s = P t and right b O + P E
Figure DE102021204937A1_0003
where P turbo is the output of the exhaust gas turbocharger and P E is the maximum recuperation output. The output P turbo of the exhaust gas turbocharger can be determined using the turbine speed n and the efficiency η turbo of the exhaust gas turbocharger using the pressure and mass flow ratio.

Die Leistung Pturbo des Abgasturboladers kann wie folgt ermittelt werden: P t u r b o = n η t u r b o h

Figure DE102021204937A1_0004
wobei ηturbo der Wirkungsgrad des Abgasturboladers, h eine Größe für das Druck- und Massenstromverhältnis und n die Drehzahl ist.The output P turbo of the exhaust gas turbocharger can be determined as follows: P t and right b O = n n t and right b O H
Figure DE102021204937A1_0004
where η turbo is the efficiency of the exhaust gas turbocharger, h is a variable for the pressure and mass flow ratio and n is the speed.

Anhand des so ermittelten maximalen Verzögerungsmoments 230-3 wird eine Aufschaltungsgröße (uv(t) in 2) ermittelt 230-4, welche zu der Stellgröße (uR(t) in 2) des Reglers (210 in 2) kombiniert (addiert) wird. Das Verzögerungsmoment erfolgt, indem ein negatives Moment durch die elektrische Maschine erzeugt wird. Die Momentenangleichung, mit der die maximale Verzögerung realisiert wird, wird mit der Vorsteuerung realisiert. Danach erfolgt Bremsen der elektrischen Maschine anhand des maximalen Verzögerungsmoments, bis ein Schwellwert der Drehzahldifferenz überschritten wird. Die Angleichung an die Solldrehzahl des Abgasturboladers durch eine Momentenreduktion der elektrischen Maschine resultiert aus einer Kombination aus der Sinusquadratvorsteuerung und dem konventionellen Regler.Based on the maximum deceleration torque 230-3 determined in this way, an injection variable (u v (t) in 2 ) determines 230-4 which to the manipulated variable (u R (t) in 2 ) of the regulator (210 in 2 ) is combined (added). The deceleration moment takes place by a negative moment by the elec ric machine is generated. The torque adjustment, with which the maximum deceleration is realized, is realized with the pre-control. The electric machine is then braked using the maximum deceleration torque until a threshold value of the speed difference is exceeded. The adjustment to the target speed of the exhaust gas turbocharger by reducing the torque of the electric machine results from a combination of the sine square pre-control and the conventional controller.

4 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Ladedrucks und des Massenstroms, die sich aus dem Verdichter (102-3 in 1) ergeben. 4 shows an example of the course of the charge pressure and the mass flow over time, which result from the compressor (102-3 in 1 ) result.

Die x-Achse von 4 stellt die Zeitachse in Sekunden dar, die Y1-Achse von 4 stellt die Druckachse in Hektopascal dar und die Y2-Achse von 4 stellt die Massenstromachse in kg/h (Kilogramm pro Stunde) dar. Die Linie L1 entspricht dem aus dem Verdichter resultierenden Massenstrom (102-3 in 1) und die Linie L2 entspricht dem aus dem Verdichter resultierenden Ladedruck (102-3 in 1). Bereich E, ist der Bereich, in dem ein negativer Lastwechsel auftritt. Im Bereich E tritt eine hochfrequente Schwingung der Verdichterpumpen auf, welche die tatsächliche Drehzahl (Ist-Drehzahl der elektrischen Maschine) der elektrischen Maschine ergibt.The x-axis of 4 represents the time axis in seconds, the Y1 axis from 4 represents the pressure axis in hectopascals and the Y2 axis of 4 represents the mass flow axis in kg/h (kilograms per hour). Line L1 corresponds to the mass flow resulting from the compressor (102-3 in 1 ) and line L2 corresponds to boost pressure resulting from the compressor (102-3 in 1 ). Area E is the area in which a negative load change occurs. In area E, a high-frequency oscillation of the compressor pumps occurs, which results in the actual speed (actual speed of the electric machine) of the electric machine.

5 zeigt einen beispielhaften Verlauf des Drucksignals ohne die in 3 dargestellte Vorsteuerung und einen beispielhaften Verlauf des Drucksignals mit der in 3 dargestellten Vorsteuerung im Arbeitskennfeld des Verdichters (102-3 in 1). 5 shows an example of the pressure signal curve without the in 3 shown pre-control and an exemplary course of the pressure signal with the in 3 shown pre-control in the working map of the compressor (102-3 in 1 ).

Die x-Achse von 5 stellt die Massenstromachse (Luftmassenstrom) in kg/h (Kilogramm pro Stunde) dar und die Y-Achse von 5 stellt das Druckverhältnis dar. Der Arbeitsbereich im Arbeitskennfeld des Verdichters (102-3 in 1) wird auf der einen Seite durch die Pumpgrenze P, auf der anderen Seite durch die Stopfgrenze S und die maximal zulässige Drehzahl (physikalische ATL-Drehzahl) n des Verdichters begrenzt. Die Pumpgrenze P trennt im Arbeitskennfeld die Bereiche der stabilen P1 und der instabilen P2 Strömungsverhältnisse. Das Verhalten des Verdichters wird als instabil P1 bezeichnet, wenn eine zyklische Rückströmung der Ansaugluft vorhanden ist. Die Stopfgrenze S ist der maximal mögliche Volumenstrom bzw. Massenstrom, der bei Druckabsenkung aus dem Verdichter austritt. Hier wird bei ausreichend hohen Drehzahlen die Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt des Verdichters erreicht. Dieser kritische Strömungsbereich kann sich entweder im Strömungskanal des Laufrades oder im Diffusor befinden.The x-axis of 5 represents the mass flow axis (air mass flow) in kg/h (kilograms per hour) and the y-axis of 5 represents the pressure ratio. The working range in the operating map of the compressor (102-3 in 1 ) is limited on the one hand by the surge limit P, on the other hand by the choke limit S and the maximum permissible speed (physical turbocharger speed) n of the compressor. The surge limit P separates the areas of stable P1 and unstable P2 flow conditions in the operating map. The behavior of the compressor is referred to as unstable P1 when there is a cyclic backflow of the intake air. The choke limit S is the maximum possible volume flow or mass flow that exits the compressor when the pressure drops. At sufficiently high speeds, the speed of sound is reached in the narrowest cross-section of the compressor. This critical flow area can be located either in the flow channel of the impeller or in the diffuser.

Der Linie L500 entspricht das Drucksignal ohne die in 3 dargestellte Vorsteuerung. Wie in 5 zu erkennen ist, tritt das Drucksignal der Leitung L500 in den instabilen Bereich P1 ein, wenn der Massenstrom unter 150 kg/h liegt. Die Linie L510 entspricht das Drucksignal mit der in 3 dargestellten Vorsteuerung. Durch die bilanzierte Rekuperation des Elektromotors (elektrische Maschine 102-2 in 1) des Abgasturboladers (102 in 1) tritt das Drucksignal nicht in den instabilen Bereich P1, auch wenn negative Lastwechsel auftreten.The line L500 corresponds to the pressure signal without the in 3 shown pilot control. As in 5 As can be seen, the pressure signal of line L500 enters the unstable area P1 when the mass flow is below 150 kg/h. The line L510 corresponds to the pressure signal with the in 3 shown pilot control. Due to the balanced recuperation of the electric motor (electrical machine 102-2 in 1 ) of the exhaust gas turbocharger (102 in 1 ) the pressure signal does not enter the unstable range P1, even if negative load changes occur.

6 zeigt, als ein Ausführungsbeispiel, ein Fahrzeug 600 mit einer Motoranordnung. Die Motoranordnung 610 umfasst ein Motorsteuergerät 620 und einen Verbrennungsmotor (101 in 1 oder 4). Das Motorsteuergerät 620 ist dazu ausgebildet, den Drehzahlregelkreis für die elektrische Maschine (102-2 in 1) des Abgasturboladers (102 in 2). nach 2 durchzuführen. 6 12 shows, as one embodiment, a vehicle 600 having an engine assembly. The engine assembly 610 includes an engine controller 620 and an internal combustion engine (101 in 1 or 4 ). Engine control unit 620 is designed to control the speed control circuit for the electric machine (102-2 in 1 ) of the exhaust gas turbocharger (102 in 2 ). after 2 to perform.

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

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102018121017 A1 [0006]DE 102018121017 A1 [0006]

Claims (10)

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).A method for optimizing a speed (y(t)) of an electric machine (102-2) of an exhaust gas turbocharger (102), comprising: determining a command variable (w(t)), the command variable (w(t)) being the target speed corresponds to 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). Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Ermitteln einer Stellgröße (uR(t) basierend auf der Führungsgröße (w(t)); Erfassen einer Regelgröße (y(t)); Ermitteln einer Sollwertabweichung (w(t) - y(t)) basierend auf einer Abweichung der Führungsgröße (w(t)) und der Regelgröße (y(t)); Ermitteln einer neuen Stellgröße (uR(t) anhand der Sollwertabweichung (w(t) - y(t)); und Korrigieren der neuen Stellgröße (uR(t) anhand der Aufschaltungsgröße (uv(t)).procedure after claim 1 , further comprising: determining a manipulated variable (u R (t) based on the command variable (w(t)); detecting a controlled variable (y(t)); determining a setpoint deviation (w(t)−y(t)) based on a deviation of the reference variable (w(t)) and the controlled variable (y(t)); determining a new manipulated variable (u R (t) based on the setpoint deviation (w(t) - y(t)); and correcting the new manipulated variable (u R (t) based on the feed-in variable (u v (t)). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erkennen (230-1) der negativen Lastwechsel des Verdichters (102-3) des Abgasturboladers (102) umfasst: Ermitteln, ob die Führungsgröße (w(t)) größer als eine Mindestdrehzahl ist; Ermitteln einer Differenz zwischen der Regelgröße (y(t)) und der Führungsgröße (w(t)) des Abgasturboladers (102); und Erkennen eines negativen Lastwechsels, wenn die Differenz größer als ein vorbestimmter Wert ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the detection (230-1) of the negative load changes of the compressor (102-3) of the exhaust gas turbocharger (102) comprises: determining whether the command variable (w(t)) is greater than a minimum speed; determining a difference between the controlled variable (y(t)) and the reference variable (w(t)) of the exhaust gas turbocharger (102); and Recognizing a negative load change when the difference is greater than a predetermined value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das maximale Verzögerungsmoment (Mges) anhand einer maximalen Rekuperationsleistung (PE) der elektrischen Maschine (102-2) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the maximum deceleration torque (M tot ) is determined on the basis of a maximum recuperation power (P E ) of the electrical machine ( 102-2 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Rekuperationsleistung (PE) wie folgt ermittelt wird: Rekuperationsleistung  ( P E ) = U I m a x η E ,
Figure DE102021204937A1_0005
wobei U die Spannung der elektrischen Maschine, Imax der maximal zulässige Strom, ηE der elektrische Wirkungsgrad ist.
Method according to one of the preceding claims, wherein the maximum recuperation power (P E ) is determined as follows: recuperation performance ( P E ) = u I m a x n E ,
Figure DE102021204937A1_0005
where U is the voltage of the electrical machine, I max is the maximum permissible current, η E is the electrical efficiency.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das maximale Verzögerungsmoment (Pges) anhand der Leistung des Abgasturboladers (102) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the maximum deceleration torque (P tot ) is determined on the basis of the output of the exhaust gas turbocharger (102). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das maximale Verzögerungsmoment (Pges) anhand einer Sinusquadratvorsteuerung ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the maximum deceleration torque (P tot ) is determined using a sine square pre-control. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgasturbolader (102) ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the exhaust gas turbocharger (102) is an electrically assisted exhaust gas turbocharger. Motorsteuergerät (620), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.Engine control unit (620), which is set up to use a method according to one of Claims 1 until 8th to perform. Fahrzeug (100; 600) mit einem Motorsteuergerät (10) nach Anspruch 9.Vehicle (100; 600) with an engine control unit (10). claim 9 .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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

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