DE102021206418A1 - Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung für einen Verbrennungsmotor (1), der in einer Durchströmungsrichtung einen Verdichter (3), eine Ladeluftleitung (4), eine Drosselklappe (5), ein Saugrohr (6), zumindest eine Brennkammer (7) und eine mit dem Verdichter (3) drehzahlgekoppelte Turbine (9) enthält, wobei eine Öffnungsfläche der Drosselklappe (5) steuerbar ist, wobei eine Ansteuerung der Turbine (9) durch einen Abgasstrom steuerbar ist, und wobei das Verfahren enthält: Vorgeben (S2) eines Soll-Saugrohrdrucks (psr,soll), Berechnen (S3) einer vereinfachten inversen Durchflusskennlinie (L) der Drosselklappe (5), Berechnen (S3) einer Pseudo-Soll-Öffnungsfläche (ÃDK,soll) der Drosselklappe (5) auf Basis der vereinfachten inversen Durchflusskennlinie (L) und des Soll-Saugrohrdrucks (psr,soll), und Steuern (S5) der Ansteuerung der Turbine (9) auf Basis eines Überschreitens einer maximalen Öffnungsfläche (ADK,max) der Drosselklappe (5) durch die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche (ÃDK,soll) der Drosselklappe (5).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung, ein Verfahren zum Drosselklappesteuern, ein Computerprogrammprodukt, ein Speichermedium, ein Steuergerät, einen aufladbaren Verbrennungsmotor und ein Fahrzeug.
• Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung für einen Verbrennungsmotor, der in einer Durchströmungsrichtung einen Verdichter, eine Ladeluftleitung, eine Drosselklappe, ein Saugrohr, zumindest eine Brennkammer und eine mit dem Verdichter drehzahlgekoppelte Turbine enthält, wobei eine Öffnungsfläche der Drosselklappe steuerbar ist, wobei eine Ansteuerung der Turbine durch einen Abgasstrom steuerbar ist, und wobei das Verfahren aufweist: Vorgeben eines Soll-Saugrohrdrucks.
• Ein aufladbarer Verbrennungsmotor kann so konfiguriert sein, dass in einer Durchströmungsrichtung ein Verdichter, eine Ladeluftleitung, eine Drosselklappe, ein Saugrohr, eine Brennkammer und eine mit dem Verdichter drehzahlgekoppelte Turbine vorliegen. Der Verbrennungsmotor enthält üblicherweise ein Motorsteuergerät, welches eine Drehmomentanforderung in einen Soll-Saugrohrdruck umsetzt. Die Drosselklappe ist steuerbar, sodass eine Öffnungsfläche der Drosselklappe einstellbar ist. Der Turbolader ist ebenfalls steuerbar, beispielsweise indem ein Kurzschluss (fachsprachlich „Wastegate“) und/oder eine veränderliche Schaufelgeometrie (wird auch als variable Turbinengeometrie, kurz VTG, bezeichnet) gesteuert wird. Somit wird eine Ansteuerung der Turbine durch das Abgas variiert, sodass eine Verdichterdrehzahl gezielt steuerbar wird. Allen üblichen Turbolader-Steuerungen ist gemein, dass die Turbine im Verbrennungsbetrieb immer mitläuft, und somit der Verdichter eine zumindest geringe Druckerhöhung liefert. Dieser zumindest geringfügig über einem Umgebungsdruck liegende, minimale Druck in der Ladeluftleitung wird „Grundladedruck“ genannt, und er ist je nach Betriebszustand veränderlich.
• Solange der Soll-Saugrohrdruck unter dem Grundladedruck abzüglich eines Drosselverlusts liegt, kann die Drehmomentanforderung ohne Aktivieren des Turboladers nur durch Öffnen der Drosselklappe erfüllt werden, also durch Vergrößern einer Öffnungsfläche der Drosselklappenöffnung. Weil die Drosselklappe auch mit größter Öffnungsfläche eine Drosselwirkung hat, wird üblicherweise, kurz bevor der Soll-Saugrohrdruck den Grundladedruck erreicht, von einer Drosselklappensteuerung auf eine Ladedrucksteuerung umgeschaltet.
• Eine genaue Bestimmung dieser Umschaltung bereitet in der Praxis bspw. aufgrund von Bauteilstreuung und einer unzureichenden Güte des zugrunde liegenden Grundladedruckmodells die folgenden Probleme. Erstens kann der Turbolader zu früh eingeschaltet werden, sodass ein Ist-Ladedruck größer als der Soll-Saugrohrdruck ist. Diese Druckdifferenz wird durch Verkleinern der Öffnungsfläche der Drosselklappe erreicht, sodass letztlich der Turbolader einen unnötig hohen Abgasgegendruck erzeugt, sodass ein Verbrauch des Verbrennungsmotors unnötig groß ist. Wird zweitens die Ladedrucksteuerung zu spät eingeschaltet, liefert der Verbrennungsmotor nicht bzw. deutlich bemerkbar zu spät das geforderte Drehmoment. Der „Ladedruck“ ist ein Druck in der Ladeluftleitung vor der Drosselklappe.
• Ein dazu verwendbares Grundladedruck-Modell ist beispielsweise in der gattungsgemäße DE 10 2017 213 497 A1 beschrieben, nämlich ein Verfahren zum Bestimmen eines Grundladedrucks abhängig von einem Abgasgegendruck.
• Das Grundladedruckmodell kann mit einer Hystereseschwelle kombiniert werden, um ein zu frühes Einschalten der Ladedrucksteuerung zu vermeiden. Aus dem Stand der Technik sind Steuerungsverfahren bekannt, um dennoch rasch einen Soll-Ladedruck zu erreichen. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2017 213 068 A1 ein Verfahren, um eine Querschnittsfläche eines Turboladers anzupassen, um eine Soll-Beschleunigung des Turboladers zu erreichen, um einen Soll-Ladedruck rasch zu erreichen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.
• Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung nach Anspruch 1, das Verfahren zum Drosselklappesteuern nach Anspruch 5, das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 6, das Speichermedium nach Anspruch 7, das Steuergerät nach Anspruch 8, den aufladbaren Verbrennungsmotor nach Anspruch 9 und das Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung für einen Verbrennungsmotor, der in einer Durchströmungsrichtung einen Verdichter, eine Ladeluftleitung, eine Drosselklappe, ein Saugrohr, eine Brennkammer und eine mit dem Verdichter drehzahlgekoppelte Turbine enthält, wobei eine Öffnungsfläche der Drosselklappe steuerbar ist, und wobei eine Ansteuerung der Turbine durch einen Abgasstrom steuerbar sind, enthält:
• Vorgeben eines Soll-Saugrohrdrucks,
• Berechnen einer vereinfachten inversen Durchflusskennlinie der Drosselklappe,
• Berechnen einer Pseudo-Soll-Öffnungsfläche der Drosselklappe auf Basis der vereinfachten inversen Durchflusskennlinie und des Soll-Saugrohrdrucks, und
• Steuern der Ansteuerung der Turbine auf Basis eines Überschreitens einer maximalen Öffnungsfläche der Drosselklappe durch die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche der Drosselklappe.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern einer Drosselklappenöffnung enthält zum einen das erfindungsgemäße Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung, und es enthält zum anderen:
• Steuern der Öffnungsfläche der Drosselklappe auf der Basis des Soll-Saugrohrdrucks, enthaltend:
  • Begrenzen der Steuerungsantwort auf die maximale Öffnungsfläche.
• Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist zum Ausführenkönnen zumindest des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung angepasst.
• Das erfindungsgemäße Speichermedium enthält das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt.
• Das erfindungsgemäße Steuergerät ist mit einer Drosselklappenansteuerung und einer Turboladeransteuerung kommunizierend verbindbar, und es enthält Mittel zum Ausführen zumindest des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung.
• Der erfindungsgemäße aufladbare Verbrennungsmotor enthält in einer Durchströmungsrichtung einen Verdichter, eine Ladeluftleitung, eine Drosselklappe, ein Saugrohr, eine Brennkammer, eine mit dem Verdichter drehzahlgekoppelte Turbine und ein erfindungsgemäßes Steuergerät, wobei mittels des Steuergeräts eine Öffnungsfläche der Drosselklappe und eine Ansteuerung der Turbine durch einen Abgasstrom steuerbar sind.
• Das erfindungsgemäße Fahrzeug enthält den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Aktivieren einer Ladedrucksteuerung für einen Verbrennungsmotor, der in einer Richtung, in welcher Luft den Verbrennungsmotor durchströmt, in dieser Reihenfolge einen Verdichter, eine Ladeluftleitung, eine Drosselklappe, ein Saugrohr, zumindest eine Brennkammer und eine mit dem Verdichter zu einem Turbolader drehzahlgekoppelte Turbine enthält.
• Der Verbrennungsmotor kann noch weitere Elemente enthalten, wie bspw. eine Ansaugung, einen Filter und/oder eine Reinluftleitung, welche dem Verdichter vorgeschaltet sein können. Außerdem kann ein mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors drehzahlgekoppelter Verdichter und/oder ein elektromotorisch betreibbarer Verdichter zu dem Verdichter parallel geschaltet oder dem Verdichter vor- oder nachgeschaltet sein. Der Verbrennungsmotor kann einen Ladeluftkühler enthalten. Die Turbine ist mit dem Verdichter zu einem Turbolader drehzahlgekoppelt. Der Turbolader oder ein weiterer Verdichter kann optional elektromotorisch antreibbar sein. Der Turbine ist üblicherweise zumindest ein Abgasnachbereitungselement, wie ein Katalysator, nachgeschaltet. Außerdem kann eine Abgasrückführung beispielsweise zwischen einem der Brennkammer nachgeschalteten Krümmer und der Ladeluftleitung kurzschließbar und/oder zwischen einer der Turbine nachgeschalteten Abgasleitung und der Reinluftleitung kurzschließbar angeordnet sein. Dies sind nur häufige Optionen. Es gibt außerdem noch viele weitere kombinierbare Optionen im Verbrennungsmotorbau. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf alle somit kombinierbaren Optionen anpassbar.
• Eine Öffnungsfläche der Drosselklappe ist steuerbar. Dazu kann beispielsweise ein Aktor die Öffnungsfläche zwischen einer minimalen Öffnungsfläche und einer maximalen Öffnungsfläche auf ein Steuersignal hin verstellen. Der Begriff „steuern“ soll in dieser Beschreibung im Zweifel auch immer „rückmeldungssteuern“ bzw. „regeln“ umfassen.
• Eine Ansteuerung der Turbine durch einen Abgasstrom aus der zumindest einen Brennkammer ist steuerbar. Die Ansteuerung kann beispielsweise als ein Wastegate und/oder eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie, als VTG bekannt, umgesetzt sein. Die „Ansteuerung“ bezeichnet hier ein Maß, in dem die Turbine durch den Abgasstrom ein Drehmoment erfährt.
• Unter einem „Aktivieren“ der Ladedrucksteuerung soll in einem breiten Sinne ein Verändern einer Steuersignalabgabe hin zu einer nicht minimalen Ansteuerung verstanden werden. Der Begriff „Aktivieren“ enthält also sowohl ein Inbetriebnehmen der Ladedrucksteuerung wie auch ein Weiter-Abgeben eines lediglich betragsmäßig geänderten Signals.
• Das erfindungsgemäße Verfahren enthält ein Vorgeben eines Soll-Saugrohrdrucks. Dieser Druck kann beispielsweise von einem Motorsteuergerät oder dergleichen auf Basis eines Motorkennfelds ermittelt werden, insbesondere auf Basis des Motorkennfelds und einer Drehmomentanforderung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren enthält weiters die Schritte: Berechnen einer vereinfachten inversen Durchflusskennlinie der Drosselklappe, Berechnen einer Pseudo-Soll-Öffnungsfläche der Drosselklappe auf Basis der vereinfachten inversen Durchflusskennlinie und des Soll-Saugrohrdrucks, und Steuern der Ansteuerung der Turbine auf Basis eines Überschreitens einer maximalen Öffnungsfläche des Drosselklappe durch die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche der Drosselklappe.
• Die inverse Durchflusskennlinie ist eine vorgegebene Kennlinie bzw. eine durch die Konstruktion der Drosselklappe und Naturgesetze vorgebbare Kennlinie. Mittels ihrer Vereinfachung kann das Drosselverhalten im Übergangsbereich zwischen Drosselsteuerung und Ladedrucksteuerung stabil bestimmt werden. Somit kann die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche im Übergangsbereich berechnet werden. Die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche ist also eine Verbesserung gegenüber bekannten Steuerungsverfahren.
• In einem Beispielsfall sei angenommen, dass eine Drehmomentanforderung an den Verbrennungsmotor immer weiter zunimmt. In diesem Beispielsfall wird eine herkömmliche Steuerung mit Grundladedruckmodell bis Erreichen des Grundladedrucks verwendet. Wenn der Soll-Saugrohrdruck den Grundladedruck erreicht, wird herkömmlich von einem Regler auf einen anderen Regler umgeschaltet. Dahingegen wird erfindungsgemäß in diesem Beispielsfall die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche als Kriterium für das Ansteuern eingesetzt. Weil die neue Ladedrucksteuerung von der Öffnungsfläche abhängt, wird nunmehr vermieden, den Ladedruck vor vollständiger Öffnung der Drossel zu erhöhen. Indem der zu frühe Ladedruck wegfällt, entfällt auch der damit einhergehende unnötig hohe Abgasgegendruck. Letztlich führt das erfindungsgemäße Verfahren also zu einem Kraftstoff-Einsparen. Im Ergebnis wird ein robustes Verfahren zum Ladedrucksteuern erhalten.
• Die inverse Durchflusskennlinie kann mittels einer Taylorreihenentwicklung in einem Arbeitspunkt vereinfacht werden. Durch die Reihenentwicklung wird eine schwierig handhabbare inverse Durchflusskennlinie, die im konkreten Fall von vielen veränderlichen Parametern abhängen kann, in beispielsweise eine Potenzreihe, die von beispielsweise nur einem Parameter oder nur zwei oder drei Parametern abhängen kann, umgewandelt. Die Taylorreihenentwicklung kann vorzugsweise nach spätestens dem dritten Glied zu einer quadratischen Funktion abgebrochen werden. Stärker bevorzugt wird, die Taylorreihenentwicklung nach dem zweiten Glied zu einer linearen Funktion abzubrechen. Zur Linearisierung kann auch ein geometrischer Algorithmus mit einer Tangentenannäherung verwendet werden.
• Auch unabhängig vom verwendeten Algorithmus wird zum effizienten Weiterverwenden bevorzugt, dass die inverse Durchflusskennlinie vereinfacht wird, indem sie in eine quadratische Funktion umgewandelt wird, oder indem sie linearisiert wird, also in eine lineare Funktion umgewandelt wird.
• Weil die Durchflusskennlinie von vielen Betriebsparametern abhängt, ist sie nicht stationär. Gemäß einer Ausführungsform wird die Vereinfachung der inversen Durchflusskennlinie im Betrieb berechnet. Beispielsweise kann die Vereinfachung permanent neu berechnet werden. Gemäß einer anderen Option wird die Vereinfachung periodisch neu berechnet, beispielsweise alle halbe Sekunde. Gemäß noch einer anderen Option wird eine Änderung der Eingangsparameter überwacht und die Vereinfachung korrigiert, sobald zumindest einer der Eingangsparameter eine Mindeständerung überschreitet. Gemäß noch einer Option enthält das Verfahren ein Vorausberechnen einer Vielzahl von Vereinfachungen auf Basis unterschiedlicher Parameterwerte und ein Auswählen einer Vereinfachung aus der Vielzahl von Vereinfachung. Das Auswählen kann beispielsweise auf einem Parametervergleich basieren. Eine „Vielzahl“ sollen im Zweifel „mindestens zwei“ sein.
• Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben vorteilhafte Betriebspunkte gezeigt. Vorzugsweise wird ein Arbeitspunkt, für den die inverse Durchflusskennlinie vereinfacht wird, derart gewählt, dass ein Quotient aus Saugrohrdruck bezogen auf Ladedruck in einem Bereich von 0,90 bis 0,995 liegt. Ein „Bereich von ... bis ...“ schließt die Eckpunkte ein. Diese Werte haben folgenden technischen Hintergrund: Wenn die inverse Durchflusskennlinie des Drosselventils über einem Koeffizienten aus Saugrohrdruck und Ladeluftleitungsdruck aufgetragen wird, kann sie einer Hyperbel entsprechen. Falls der Quotient zumindest 0,90 beträgt, ist die Steigung der inversen Durchflusskennlinie erfahrungsgemäß nicht zu flach für eine nennenswert einer Änderung des Quotienten entsprechende Änderung der daraus berechneten Pseudo-Soll-Durchflussfläche. Mit anderen Worten, die Berechnung der Pseudo-Soll-Durchflussfläche ist ausreichend empfindlich, falls der Saugrohrdruck zumindest das 0,9-fache des Ladeluftleitungs-Drucks beträgt. Falls der Quotient mehr als etwa 0,995 beträgt, kann die Steigung der inversen Durchflusskennlinie erfahrungsgemäß zu steil sein für eine stabil einer Änderung des Quotienten entsprechende Änderung der daraus berechneten Pseudo-Soll-Durchflussfläche. Mit anderen Worten, die Berechnung der Pseudo-Soll-Durchflussfläche wird zu empfindlich, falls der Saugrohrdruck mehr als das etwa 0,995-fache des Ladeluftleitungs-Drucks beträgt.
• Ein gutmütigeres Reglerverhalten hat sich gezeigt, falls der Quotient in einem Bereich von 0,95 bis 0,995 liegt. Ein nochmals gutmütigeres Reglerverhalten ergab sich, falls der Quotient in einem Bereich von 0,97 bis 0,99 liegt. In den Versuchen, welche dieser Erfindung zu Grunde liegen, zeigte sich das beste Reglerverhalten bei einem Arbeitspunkt, dessen Saugrohrdruck zumindest das 0,98-fache des Ladedrucks beträgt. Diese Werte unterliegen einer technisch üblichen Toleranz, beispielsweise +/- 5%.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf jeden aufladbaren Verbrennungsmotor, wie beispielsweise einen Fahrzeugantrieb, insbesondere einen Motorradantrieb, Automobilantrieb oder Lastwagenantrieb, aber auch einen Flugzeugantrieb oder einen Bootsantrieb, außerdem einen stationär betriebenen Verbrennungsmotor wie einen Schiffsantrieb, einen Notstrommotor, einen Kraftwerksmotor und/oder ein Aggregat zur dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung. Den meisten dieser Szenarien ist gemein, dass zum Steuern des Verbrennungsmotors ein verhältnismäßig kleines Steuergerät eingesetzt wird. Um Rechenzeit zu sparen, können Ausführungsformen zumindest eine der folgenden Vernachlässigungen vornehmen. Beispielsweise kann beim Berechnen der Pseudo-Soll-Öffnungsfläche eine Saugrohrdynamik mathematisch vernachlässigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann beim Berechnen der Pseudo-Soll-Öffnungsfläche ein Tankentlüftungsmassenstrom mathematisch vernachlässigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann beim Berechnen der Pseudo-Soll-Öffnungsfläche ein toleranzbedingtes und/oder verschleißbedingtes Drosselklappenleck mathematisch vernachlässigt werden.
• Gemäß einer weiteren Option kann beim Berechnen der Pseudo-Soll-Öffnungsfläche die folgende Formel verwendet werden: $${\tilde{A}}_{DK,soll}=\frac{w_{vlv,soll}}{\sqrt{\frac{2}{R{T}_1}{p}_{vd}}}\left(a+b\frac{p_{sr,soll}}{p_{vd}}\right)$$

  
• Dabei bedeuten:

ÃDK,soll

die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche,

wvlv,soll

einen Soll-Massenstrom in die Verbrennungskammer/-n,

R

die Gaskonstante der Luft,

T1

eine Temperatur vor der Drosselklappe,

a

Konstante aus der Linearisierung der inversen Drosselkennlinie,

b

Konstante aus der Linearisierung der inversen Drosselkennlinie,

psr,soll

den Soll-Saugrohrdruck und

pvd

den Ladedruck.

• Natürlich kann anstelle des Glieds (a + b*p_sr,soll/p_vd) eine andere Vereinfachung der inversen Durchflusskennlinie verwendet werden.
• Gemäß einer weiteren Option kann das Überschreiten der maximalen Öffnungsfläche der Drosselklappe durch die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche der Drosselklappe berechnet werden mittels Berechnens einer Differenz aus der maximalen Öffnungsfläche und der Pseudo-Soll-Öffnungsfläche. Diese Option beinhaltet also eine einfache Subtraktion und ist daher sehr schnell und effizient implementierbar. Eine weitere Option kann zum Bestimmen des Überschreitens in dieser Reihenfolge enthalten: Bestimmen, ob die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche der Drosselklappe betragsmäßig größer als die maximale Öffnungsfläche der Drosselklappe ist, und Ansteuern mit einem berechneten Steuerwert im positiven Fall und/oder Ansteuern mit einem minimalen Steuerwert im negativen Fall. Unter dem „minimalen Steuerwert“ soll ein Wert zum Ansteuern der Turbine verstanden werden, welcher einer minimalen Turbinenleistung entsprechend gewählt ist.
• Manche Steuerglieder haben die Eigenschaft, im Fall eines kontinuierlich zu Null unterschiedlichen Eingangssignals das Abgabesignal kontinuierlich zu vergrößern. Dieses Verhalten ist unerwünscht. Daher kann, falls das Überschreiten durch nur eine Differenz berechnet wird, zusätzlich vorgesehen sein: Begrenzen einer Steuergröße für den Fall, dass die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche kleiner als die maximale Öffnungsfläche ist. Diese Option stellt nur eine bevorzugte Option eines „Anti-Windup Konzepts“ dar. Daher kann alternativ oder zusätzlich mit Vorteil auch ein anderer Signal-Abwanderungs-Verhinderungs-Algorithmus vorgesehen sein.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung kann in einem Verfahren zum Drosselklappesteuern enthalten sein. Auf diese Weise erhält man ein ganzheitliches Verfahren zum Steuern des Saugrohrdrucks.
• Das Verfahren zum Steuern einer Drosselklappenöffnung enthält vorzugsweise Steuern der Öffnungsfläche der Drosselklappe auf der Basis des Soll-Saugrohrdrucks. Somit wird in beide Verfahrensteile zum Drosselklappesteuern einerseits und zum Steuern des Ladedrucks andererseits dieselbe Eingangsgröße Soll-Saugrohrdruck eingegeben. Dies führt zu einer besonders hohen Übereinstimmung der beiden Verfahrensteile im Übergangsbereich, sodass ein Mehrverbrauch besonders reduziert wird.
• Um eine Fehleranfälligkeit zu reduzieren, kann dies weiterbildend enthalten: Begrenzen der Steuerungsantwort auf die maximale Öffnungsfläche.
• Die Vorteile des Verfahrens zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung oder des Verfahren zum Drosselklappesteuern einschließlich des Verfahrens zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung können umgesetzt werden mittels des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts, das zum Ausführenkönnen des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst ist. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren als eine Funktion oder ein Modul in dem Computerprogrammprodukt enthalten sein. Dasselbe gilt für ein Speichermedium, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt enthalten ist. Dieses Speichermedium kann beispielsweise ein Datenträger sein, der zum Ausgelesenwerden durch ein Steuergerät-Programmiergerät konfiguriert und/oder beschrieben ist. Weiters kann das Speichermedium ein elektronisches Mittel sein, wie eine Speicherkarte oder ein Speicherbaustein, das bzw. die bzw. der beispielswese zum Eingesetzt-Werden in eine Schaltung eines Steuergeräts und/oder in ein in ein Steuergerät verschaltetes Lesegerät konfiguriert ist.
• Ein erfindungsgemäßes Steuergerät kann mit einer Turboladeransteuerung kommunizierend verbindbar sein. Ein erfindungsgemäßes Steuergerät kann auch mit einer Turboladeransteuerung und mit einer Drosselklappenansteuerung kommunizierend verbindbar sein. Weiterhin enthält das erfindungsgemäße Steuergerät: Mittel zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Mittel enthalten beispielsweise eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit zumindest einem Sensor und/oder zumindest einem anderen Steuergerät, eine Logikeinheit zum Berechnen und eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit einer Ansteuereinheit.
• Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor enthält in einer Durchströmungsrichtung die eingangs beschriebenen Elemente: einen Verdichter, eine Ladeluftleitung, eine Drosselklappe, ein Saugrohr, eine Brennkammer, eine mit dem Verdichter drehzahlgekoppelte Turbine und ein Steuergerät. Dabei sind Öffnungsfläche der Drosselklappe und eine Ansteuerung der Turbine durch einen Abgasstrom steuerbar, wie eingangs beschrieben. Das Steuergerät entspricht dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Steuergerät. Damit setzt der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor im Betrieb die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens um.
• Schließlich enthält das erfindungsgemäße Fahrzeug den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor. Damit setzt das erfindungsgemäße Fahrzeug die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betrieb um.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
• 1 schematisch einen Verbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt,
• 2 einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
• 3 eine Vereinfachung während des Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
• 4a in mehreren Diagrammen ein Verhalten eines Verbrennungsmotors gemäß dem Stand der Technik zeigt,
• 4b in mehreren Diagrammen, die der 4a entsprechen, ein Verhalten des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors gemäß einer Variante der ersten Ausführungsform zeigt, und
• 5 schematisch einen Verbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
• Ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 1 gemäß der ersten Ausführungsform wird anhand der 1 beschrieben. Der Verbrennungsmotor 1 enthält eine Zuluftleitung 2, welche in einen Verdichter 3 mündet. Von dem Verdichter 3 führt eine Ladeluftleitung 4 zu einer Drosselklappe 5. Von der Drosselklappe 5 führt ein Saugrohr 6 zu mehreren Zylindern. Jeder Zylinder bildet zusammen mit einem nicht dargestellten Zylinderdeckel, nicht dargestellten Ventilen und je einem nicht dargestellten Kolben eine Verbrennungskammer 7. Von den Verbrennungskammern 7 führt ein gemeinsamer Krümmer 8 zu einer Turbine 9. Die Turbine 9 ist über eine Welle 10 mit dem Verdichter 3 zu einem Turbolader 11 drehfest gekoppelt. An die Turbine 9 schließt sich eine Abgasleitung 12 an.
• Ein Steuergerät 13 ist über eine Steuerleitung 14 mit einer nicht dargestellten Drosselklappen-Ansteuereinheit der Drosselklappe 5 zum Übertragen von Signalen gekoppelt. Die Drosselklappe 5 ist verstellbar, und sie wird von der Drosselklappen-Ansteuereinheit gemäß den Signalen von dem Steuergerät 13 verschwenkt. Somit ist eine Öffnungsfläche der Drosselklappe 5 durch das Steuergerät 13 vorgebbar.
• Das Steuergerät 13 ist über eine Steuerleitung 15 mit einer nicht dargestellten Turbinen-Ansteuereinheit der Turbine 9 zum Übertragen von Signalen gekoppelt. Die Turbine 9 im Verbrennungsmotor 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie, wie sie häufig in Ottomotoren Verwendung findet. Somit kann durch ein Signal von dem Steuergerät 13 die Turbinen-Ansteuereinheit den Strömungswiderstand der Turbine 9 einstellen. Der Strömungswiderstand entspricht der Ansteuerung der Turbine 9.
• In dem Steuergerät 13 laufen unter anderem Schritte eines Verfahrens zum Aktivieren einer Turboladersteuerung und Schritte eines Verfahrens zum Drosselklappesteuern einschließlich des Verfahrens zum Aktivieren einer Turboladersteuerung ab.
• In einem ersten Schritt S1 wird eine Drehmomentforderung M_soll erfasst. Beispielsweise liest das Steuergerät 13 einen Gaspedalwegsensor aus, oder ein Fahrassistenzsystem meldet eine Drehmomentforderung an das Steuergerät 13.
• Das geforderte Drehmoment M_soll wird in einem Schritt S2 in einen geforderten Saugrohrdruck p_sr,soll umgerechnet. Dazu wird beispielsweise ein Motorkennfeld verwendet.
• Der geforderte Saugrohrdruck p_sr,soll wird in eine Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ã_DK,soll umgerechnet. Dazu wird in Schritt S3 eine Drosselgleichung vereinfacht.
• Zum besseren Verständnis wird kurz auf den Hintergrund eingegangen. Die Drosselgleichung kann zur Drosselklappenfläche aufgelöst werden und lautet dann wie folgt: $$A_{DK}=\frac{\frac{V}{\kappa R{T}_2}{\dot{p}}_{sr}+w_{vlv}-w_{TEV}}{\sqrt{\frac{2}{R{T}_1}}{p}_{vd}\mathrm{\psi }\left(p_{sr}/p_{vd}\right)}$$

  
• Dabei bedeuten:

ADK

Drosselklappenfläche,

V

Saugrohrvolumen,

κ

spezifische Wärme der Luft,

R

Gaskonstante der Luft,

T2

Temperatur im Saugrohr 4,

ṗsr

Druckänderung im Saugrohr 4,

wvlv

Massenstrom in die Verbrennungskammern 7 (fachsprachlich: „über die Ventile“)

ṗsr

Druck im Saugrohr 4,

wTEV

Massenstrom Tankentlüftung,

T1

Temperatur vor Drossel 5,

pvd

Druck vor Drossel 5,

Ψ

Drosseldurchflusskennlinie,

a

Koeffizient, und

b

Koeffizient.

• Um zuverlässig die inverse Durchflusskennlinie 1/Ψ(p_sr/p_vd) berechnen zu können, wird diese gemäß der 3 vereinfacht. In der 3 ist die hyperbolische Funktion 1/Ψ über dem Druckverhältnis Π = p_sr/p_vd aufgetragen. Ein Arbeitspunkt wird in der 3 durch eine gestrichelte Linie bei Π =0,98 angedeutet. In diesem Arbeitspunkt wird die inverse Durchflusskennlinie 1/Ψ zu einer Geraden L linearisiert. Die Gerade L liegt im Arbeitspunkt als Tangente an der inversen Durchflusskennlinie 1/Ψ an. Die Gerade L hat die Form: $$\text{L}=\text{a}+\text{b*}\mathrm{\Pi }.$$

  
• Die Gerade L wird nun in die Drosselgleichung eingesetzt. Außerdem werden folgende Effekte bewusst wegen ihres geringen Einflusses während des Übergangs von der Drosselsteuerung auf die Ladedrucksteuerung vernachlässigt und die entsprechenden Terme aus der Drosselgleichung herausgestrichen:
• $$\frac{V}{\mathrm{\kappa }R{T}_2}{\dot{p}}_{sr}$$
  
  Behälterdynamik im Saugrohr und
• w_TEV DK-Leck infolge Fertigungstoleranz und/oder Verschleiß.
• Außerdem wird der Massenstrom über die Ventile im Übergangsbereich von der Drosselsteuerung auf die Ladedrucksteuerung als eine Konstante w_vlv,soll angenommen.
• Somit lässt sich Drosselgleichung wie folgt vereinfachen, um in Schritt S3 die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ã_DK,soll zu berechnen: $${\tilde{A}}_{DK,soll}=\frac{w_{vlv,soll}}{\sqrt{\frac{2}{R{T}_1}{p}_{vd}}}\left(a+b\frac{p_{sr,soll}}{p_{vd}}\right)$$

  
• Der Wert Ã_DK,soll wird dann in Schritt S4 von der maximalen Öffnungsfläche A_DK,max abgezogen.
• Die Differenz aus maximaler Öffnungsfläche A_DK,max und Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ã_DK,soll geht dann als Eingangsgröße in einen Regler im Schritt S5. Im Schritt S5 wird in dieser Ausführungsform eine Steuergröße mit Hilfe eines PI-Reglers bestimmt. Dabei wird die Ausgabe des I-Glieds derart auf einen Maximalwert begrenzt, dass eine konstant positive Eingangsgröße nicht zu einer konstant zunehmenden Reglerantwort führt. Mit anderen Worten ausgedrückt: Solange die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ã_DK,soll kleiner als die maximale Öffnungsfläche A_DK,max ist, wird ein Aufkummulieren der Reglerausgabe verhindert. Diese Anti-Windup-Funktion verhindert erstens eine überlaufende Steuergröße und zweitens eine lange Reaktionszeit im Moment des Übergangs von der Drosselsteuerung zur Ladedrucksteuerung. Bei der ersten Ausführungsform begrenzt ein nicht dargestellter Anschlag den Mechanismus zum Verstellen der Turbinengeometrie als eine Sicherungsfunktion. Daher kann die Turbine 9 nicht unter eine minimale Ansteuerung gesteuert werden. Ein Aufkummulieren des I-Glieds würde somit nicht zu einem Weiterverstellen der Turbine 9 führen.
• Nach dem Schritt S5 wird die Steuergröße r_Gov kontinuierlich an die Ansteuereinheit der Turbine 9 ausgegeben. Die Ansteuereinheit stellt die Turbine 9 in einem Schritt S6 entsprechend der übermittelten Größe r_Gov ein. Als Ergebnis des Schritts S6 ergibt sich ein entsprechender Ladedruck p_vd,ist.
• Der Ladedruck p_vd,ist vor dem Drosselventil und der Soll-Saugrohrdruck p_sr,soll sind zusammen mit der Ladelufttemperatur T₁ und dem Soll-Massenstrom in die Verbrennungskammern 7 w_vlv,soll die Größen, um gemäß der obigen Formel in Schritt S3 wieder die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ã_DK,soll zu bestimmen.
• Der in Schritt S2 bestimmte Soll-Saugrohrdruck p_sr,soll wird außerdem in einem Schritt S7 verwendet. In dem Schritt S7 wird aus dem Soll-Saugrohrdruck p_sr,soll eine entsprechende Öffnungsfläche A_DK berechnet. Dieser Wert wird betragsmäßig auf die maximale Öffnungsfläche der Drosselklappe 5 begrenzt, sodass als Steuersignal die gegebenenfalls begrenzte Größe A_DK,lim ausgegeben wird. In einem nachfolgenden Schritt S8 betätigt die Drosselklappenansteuerung entsprechend dem Wert A_DK,lim die Drosselklappe 5 und es stellt sich ein entsprechender Saugrohrdruck p_sr,ist ein.
• Falls der Verbrennungsmotor 1 im unteren Leistungsbereich betrieben wird, ist ein Saugrohrdruck p_sr im Saugrohr 6 ausreichend, der den Grundladedruck abzüglich eines Drosselverlusts über der Drosselklappe 5 nicht übersteigt. Da der Grundladedruck in der Ladeluftleitung 4 ausreicht, um das angeforderte Drehmoment M_soll in den Verbrennungskammern 7 zu erzeugen, ist eine größere Ansteuerung der Turbine 9 als die minimale Ansteuerung nicht notwendig. Daher regelt der Schritt S7 mit dem Wert A_DK,lim die Leistung des Verbrennungsmotors 1. Die im Schritt S3 bestimmt Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ȧ_DK,soll ist kleiner als die maximale Öffnungsfläche A_DK,max. Daher gibt der Schritt S5 nur das Steuersignal r_Gov mit minimalem Betrag ab. Mit anderen Worten, der Verbrennungsmotor 7 wird mittels der Drosselsteuerung betrieben.
• Falls der Verbrennungsmotor 1 mehr Leistung abgeben soll, kommt er in den Überwegbereich. Der Verbrennungsmotor kommt also in den Leistungsbereich, in dem der Saugrohrdruck den Grundladedruck erreichen muss. Daher gibt der Schritt S7 die Steuergröße A_DK,lim mit maximalem Betrag ab, und die Drosselklappe 5 wird maximal geöffnet. Außerdem entspricht die in Schritt S3 ermittelte Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ã_DK,soll der maximalen Öffnungsfläche A_DK,max. Daher gibt der Regler in Schritt S5 noch das Steuersignal r_Gov mit minimalem Betrag ab. Mit anderen Worten, der Verbrennungsmotor 7 wird noch mittels der Drosselsteuerung betrieben.
• Falls die Leistungsforderung an den Verbrennungsmotor 1 weiter steigt, gibt die Berechnung in Schritt S7 weiterhin die Steuergröße A_DK,lim mit maximalem Betrag ab. Gleichzeitig übersteigt die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche Ȧ_DK,soll betragsmäßig die maximalen Öffnungsfläche A_DK,max. Daher gibt der Regler in Schritt S5 das Steuersignal r_Gov mit zunehmendem Betrag ab. Mit anderen Worten, der Verbrennungsmotor 7 wird mittels der Ladesteuerung betrieben.
• Dabei wurde eine Situation vermieden, in welcher die Ladesteuerung mit der Drosselsteuerung in Konkurrenz tritt, sodass die Drosselklappe 5 einen erhöhten Ladedruck abbauen müsste.
• Daher kommt es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht zu einem Kraftstoff-Mehrverbrauch.
• Den Unterschied verdeutlicht auch nochmals die 4b anhand einer Variante der ersten Ausführungsform im Vergleich zu 4a. Nur Unterschiede zur ersten Ausführungsform werden beschrieben. In beiden Fällen wird zum Zeitpunkt to ein Soll-Saugrohrdruck p_sr,soll gefordert, welcher den Grundladedruck übersteigt. Die Verläufe von Soll-Saugrohrdruck p_sr,soll, Saugrohrdruck p_sr und Ladedruck p_vd sind im jeweils obersten Diagramm gezeigt. Im jeweils zweitobersten Diagramm ist der resultierende Verlauf von r_Gov als Änderungssignal an die Ansteuereinrichtung der Turbine 9 gezeigt. Der Regler im Schritt S5, d.h. in dem erfindungsgemäßen Verfahren, war bei diesem Versuch ein Prototyp mit sehr unruhigem Verhalten, vgl. 4b. Im jeweils drittobersten Diagramm ist die vorteilhafte Wirkung der Erfindung zu sehen. Mit der Steuerung gemäß dem Stand der Technik wird ein Ladedruck p_vd über dem Soll-Saugrohrdruck p_sr,soll erzeugt, vgl. 4a; daher wird die Öffnungsfläche der Drosselklappe 5 reduziert, sodass Kraftstoff mehrverbraucht wird. Mit der Steuerung gemäß der Erfindung kann die Drosselklappe 5 geöffnet bleiben, vgl. 4b; es wird also kein unnötiger Mehrverbrauch provoziert. Das vierte Diagramm zeigt ab t₀ ein ähnliches Beschleunigungsverhalten des Verbrennungsmotors 1, also geht das erfindungsgemäße Verfahren nicht zu Lasten der Fahrdynamik.
• Eine weitere Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung ist nicht figürlich dargestellt. Hierbei wird in Schritt S5 anstelle eines PI-Reglers ein PID-Regler verwendet, um ein rascheres Ansprechverhalten zu erzielen.
• Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in der 5 gezeigt. Diese entspricht der ersten Ausführungsform mit Ausnahme der Turbine 9. Statt einer Turbine 9 mit variabler Geometrie ist eine Turbine 9 mit unveränderlicher Geometrie eingesetzt, und es ist ein Wastegate-Ventil 16 der Turbine 9 vorgeschaltet. Mittels des Wastegate-Ventils 16 kann die Turbine 9 bedarfsweise kurzgeschlossen werden. Daher wird in der zweiten Ausführungsform die Turbine 9 mittels des Wastegate-Ventils 16 angesteuert. Die geschilderten Verfahren ändern sich nur betragsmäßig, aber nicht wesentlich.
• Bezugszeichenliste

1

Verbrennungsmotor

2

Zuluftleitung

3

Verdichter

4

Ladeluftleitung

5

Drosselklappe

6

Saugrohr

7

Verbrennungskammer

8

Krümmer

9

Turbine

10

Welle

11

Turbolader

12

Abgasleitung

13

Steuergerät

14

Steuerleitung

15

Steuerleitung

16

Wastegate-Ventil

S1 ... S8

Schritte

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102017213497 A1 [0006]
• DE 102017213068 A1 [0007]

Claims (10)

1. Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung für einen Verbrennungsmotor (1), der in einer Durchströmungsrichtung einen Verdichter (3), eine Ladeluftleitung (4), eine Drosselklappe (5), ein Saugrohr (6), zumindest eine Brennkammer (7) und eine mit dem Verdichter (3) drehzahlgekoppelte Turbine (9) enthält, wobei eine Öffnungsfläche der Drosselklappe (5) steuerbar ist, wobei eine Ansteuerung der Turbine (9) durch einen Abgasstrom steuerbar ist, und wobei das Verfahren enthält: Vorgeben (S2) eines Soll-Saugrohrdrucks (p_sr,soll), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren aufweist: Berechnen (S3) einer vereinfachten inversen Durchflusskennlinie (L) der Drosselklappe (5), Berechnen (S3) einer Pseudo-Soll-Öffnungsfläche (Ã_DK,soll) der Drosselklappe (5) auf Basis der vereinfachten inversen Durchflusskennlinie (L) und des Soll-Saugrohrdrucks (p_sr,soll), und Steuern (S5) der Ansteuerung der Turbine (9) auf Basis eines Überschreitens einer maximalen Öffnungsfläche (A_DK,max) der Drosselklappe (5) durch die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche (Ã_DK,soll) der Drosselklappe (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen (S3) der vereinfachten inversen Durchflusskennlinie (L) enthält: Linearisieren einer inversen Durchflusskennlinie (Ψ) in einem Arbeitspunkt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt derart gewählt ist, dass ein Quotient aus Saugrohrdruck (p_sr) bezogen auf Ladedruck (p_vd) in einem Bereich von 0,90 bis 0,995 liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern (S5) der Ansteuerung auf einer Differenz (S4) aus der maximalen Öffnungsfläche (A_DK,max) und der Pseudo-Soll-Öffnungsfläche (Ã_DK,soll) basiert und enthält Begrenzen (S5) einer Steuergröße für den Fall, dass die Pseudo-Soll-Öffnungsfläche (Ã_DK,soll) kleiner als die maximale Öffnungsfläche (A_DK,max) ist.
5. Verfahren zum Drosselklappesteuern, enthaltend das Verfahren zum Aktivieren einer Ladedrucksteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Drosselklappensteuern enthält: Steuern (S7) der Öffnungsfläche (A_DK) der Drosselklappe (5) auf der Basis des Soll-Saugrohrdrucks (p_sr,soll), enthaltend: Begrenzen (S7) der Steuerungsantwort (A_DK,lim) auf die maximale Öffnungsfläche (A_DK,max).
6. Computerprogrammprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Ausführenkönnen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angepasst ist.
7. Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 6 enthält.
8. Steuergerät (13), dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Turboladeransteuereinheit oder zusätzlich mit einer Drosselklappenansteuereinheit kommunizierend verbindbar ist, und dass es Mittel zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 enthält.
9. Aufladbarer Verbrennungsmotor (1) enthaltend in einer Durchströmungsrichtung einen Verdichter (3), eine Ladeluftleitung (4), eine Drosselklappe (5), ein Saugrohr (6), eine Brennkammer (7), eine mit dem Verdichter drehzahlgekoppelte Turbine (9) und ein Steuergerät (13), wobei mittels des Steuergeräts (13) nach Anspruch 8 eine Öffnungsfläche der Drosselklappe (5) und eine Ansteuerung der Turbine (9) durch einen Abgasstrom steuerbar sind.
10. Fahrzeug umfassend den Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 9.

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