DE10202146B4 - Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters - Google Patents

Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters (12) in einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader (18, 32), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
– ein Turbinenmodell (38) bestimmt eine momentan verfügbare Turbinenleistung (POW_TUR_MAX),
– ein Verdichtermodell (48) bestimmt ein momentan geforderte Verdichterleistung (50, 52) und
– ein inverses Verdichtermodell (64) bestimmt einen von dem elektrisch angetriebenen Verdichter (12) zu erzeugenden Druck (PRS_BOOST_SP), in dem Fall, in dem die geforderte Verdichterleistung (50, 52) größer als die verfügbare Turbinenleistung (POW_TUR_MAX) des Abgasturboladers ist,
– eine Ladedruckregelung (69) bestimmt unter Verwendung des durch den elektrisch angetriebenen Verdichter (12) zu erzeugenden Drucks (PRS_BOOST_SP) die erforderlichen Leistungen von der Turbine des Abgasturboladers (18, 32) und dem elektrisch angetriebenem Verdichter (12),
– eine Steuerung (86) für den elektrisch angetriebenen Verdichter (12) steuert diesen entsprechend der angeforderten Verdichterleistung (50, 52) an,
– wobei die Ladedruckregelung (69) in dem Fall, in dem der elektrisch angetriebene...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters in einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader (ATL).
  • Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen werden Abgasturbolader eingesetzt, die die Ansaugluft verdichten, um den Luftdurchsatz des Motors zu erhöhen.
  • Ein Nachteil eines Abgasturboladers liegt darin, daß ein gewisser Abgasmassenstrom erforderlich ist, um die erforderliche Turbinenleistungen abzugeben. Ein weiterer Nachteil des Turboladers liegt darin, daß das Laufzeug zunächst beschleunigt werden muß, bevor der erforderliche Arbeitspunkt erreicht wird. Diese Nachteile des Abgasturboladers führen zu dem sogenannten "Turboloch", das sich bei positiven Lastsprüngen in einer Verzögerung äußert.
  • Um das Turboloch zu kompensieren, ist es bekannt, zusätzlich zu dem Abgasturbolader einen elektrisch angetriebenen Verdichter, sogenannter E-Booster, einzusetzen. Hierbei handelt es sich um eine Verdichterturbine, die durch einen Elektromotor angetrieben wird und zusätzlich die Luft verdichtet.
  • Aus DE 100 23 022 ist bekannt, einen elektrischen Zusatzverdichter bei bestimmten Betriebszuständen dem Abgasturbolader einzuschalten. Der elektrische Zusatzverdichter wird abgeschaltet, nachdem der Abgasturbolader den geforderten Ladedruck aufgebaut hat. Eine Regelung des elektrischen Zusatzverdichters erfolgt abhängig von Kennwerten des Motorbetriebszustandes.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters bereitzustellen, bei dem mit minimaler Leistung für dessen elektrischen Antrieb der Verdichter zugeschaltet wird.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterführungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt ein Turbinenmodell eine momentan verfügbare Turbinenleistung. Ein Verdichtermodell bestimmt die momentan geforderte Verdichterleistung. Wenn die geforderte Verdichterleistung größer als die verfügbare Turbinenleistung ist, wird in einem inversen Verdichtermodell ein durch den elektrischen Verdichter zu erzeugender Druck bestimmt. In einer Laderegelung wird unter Verwendung des durch den elektrisch angetriebenen Verdichters zu erzeugenden Drucks die erforderliche Leistung für den Verdichter bestimmt. Der elektrisch angetriebene Verdichter wird durch eine Steuerung entsprechend seiner geforderten Leistung angesteuert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein Zuschalten des elektrisch angetriebenen Verdichters nur dann, wenn die momentan verfügbare Turbinenleistung des Abgasturboladers nicht ausreicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aufgrund einer Leistungsbilanz des Abgasturboladers und des elektrisch angetriebenen Verdichters ein Zuschalten gesteuert.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterführung des Verfahrens ist eine Ladedruckregelung vorgesehen, die in dem Fall, daß der elektrisch angetriebene Verdichter zugeschaltet ist, die Turbine mit Maximalleistung ansteuert und den Ladedruck über die Einstellung der elektrischen Verdichterleistung steuert. Mit dieser Ladedruckregelung wird sichergestellt, daß der elektrisch angetriebene Verdichter in seinem zugeschalteten Zustand stets mit minimaler Leistung zugeschaltet ist. Gleichzeitig wird das Auftreten des „Turbolochs" verhindert.
  • Die Ladedruckregelung erfolgt bevorzugt jeweils über einen PID-Regler für die Turbine des Abgasturboladers und für den elektrisch angetriebenen Verdichter.
  • Bevorzugt bestimmt die Ladedruckregelung die Sollwerte für die Turbinenleistung und für die Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters sowie ein Signal dafür, ob der elektrisch angetriebene Verdichter zugeschaltet ist.
  • Das Turbinenmodell bestimmt bevorzugt die momentan verfügbare Turbinenleistung abhängig von dem Abgasmassenstrom aus dem Motor, einer Turbinendrehzahl und einer Abgastemperatur.
  • Das Verdichtermodell bestimmt bevorzugt die Sollwerte für die momentan geforderte Leistung der Turbine des Abgasturboladers und des elektrisch angetriebenen Verdichters. Diese Werte werden in dem Verdichtermodell vorzugsweise abhängig von dem Luftmassenstrom, dem Umgebungsdruck, der Ansauglufttemperatur vor dem Verdichter, der maximalen Verdichterleistung und dem momentanen Ladedruck bestimmt.
  • Als Wert für den Luftmassenstrom wird der Sollwert für den Luftmassenstrom angesetzt sowie für den Ladedruck der Sollwert für den momentanen Ladedruck.
  • Das inverse Modell für den elektrisch angetriebenen Verdichter bestimmt abhängig von dem Druck-Sollwert des elektrisch angetriebenen Verdichters, dem Umgebungsdruck, dem Luftmassenstrom und der Ansauglufttemperatur vor dem elektrisch angetriebenen Verdichter den Leistungssollwert für den elektrisch angetriebenen Verdichter. Bevorzugt verwendet das inverse Modell für den elektrisch angetriebenen Verdichter als Luftmassenstrom den Sollwert für den Luftmassenstrom.
  • Zusätzlich kann ein inverses Turbinenmodell vorgesehen sein, das den Sollwert für den Druckquotienten über der Turbine des Abgasturboladers und den Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbine bestimmt. Das inverse Turbinenmodell bestimmt den Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbine und den Sollwert für den Druckquotienten über der Turbine abhängig von dem Sollwert für die Turbinenleistung, der Turbinendrehzahl, der Abgastemperatur vor der Turbine, dem Sollwert für die Turbinenleistung und abhängig davon, ob der elektrisch angetriebene Verdichter zugeschaltet wurde oder nicht.
  • Bevorzugt ist als elektrisch angetriebener Verdichter ein E-Booster vorgesehen, der stromaufwärts von der Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei jeder Art von Registerladung eingesetzt werden, bei der eine Verdichtung durch Zuschalten eines elektrischen Verbrauchers erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Übersicht einer Registeraufladung mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter,
  • 2 eine schematische Ansicht der Ladedruckregelung,
  • 3 eine schematische Systemübersicht und
  • 4 eine schematische Ansicht der Koordination der Ladedruckregelung.
  • 1 zeigt ein schematisches Übersichtsbild einer Registeraufladung mit E-Booster als elektrisch angetriebener Verdichter. Der dargestellte Strömungsweg beginnt mit einem Luftfilter 10. Stromabwärts von dem Luftfilter 10 ist ein E-Booster 12 vorgesehen. Parallel zu dem E-Booster 12 liegt ein Bypass-Kanal 14, in dem eine ansteuerbare Klappe 16 angeordnet ist. Damit der elektrisch angetriebene Verdichter 12 schnell anspricht und verzögerungsfrei den erforderlichen Druck zur Verfügung stellt, ist dieser klein ausgelegt. Um bei einem kleinen Verdichter einen ausreichenden Luftmassenstrom zu erzielen, ist der Bypass-Kanal 14 vorgesehen.
  • Stromabwärts von dem E-Booster 12 ist ein Verdichter 18 eines Abgasturboladers vorgesehen. Parallel zum Verdichter 18 ist ein Umluftkanal 20 mit einer ansteuerbaren Klappe 22 angeord net. Der Umluftkanal 20 wird zum Schutz des Abgasturboladers zeitweise geöffnet, um bei einem entsprechenden Druckquotienten über dem Verdichter 18 des Abgasturboladers Luft im Kreis zu pumpen.
  • Stromabwärts vom Verdichter 18 des Abgasturboladers ist ein Ladeluftkühler 24 vorgesehen. An den Ladeluftkühler 24 schließen sich eine Drosselklappe 26, eine Ansaugleitung 28 und Zylinder 30 der Brennkraftmaschine an.
  • Weiter stromabwärts ist eine Turbine 32 des Abgasturboladers schematisch dargestellt. Parallel zu der Turbine 32 des Abgasturboladers ist ein sogenanntes Wastegate 34 eingezeichnet, das den Luftstrom durch die Turbine 32 steuert. Stromabwärts erfolgt eine Konvertierung in einem schematisch dargestellten Katalysator 36.
  • 3 zeigt eine schematische Übersicht, in der das erfindungsgemäße Verfahren durch einzelne Modellblöcke angezeigt wird. An dem Turbinenmodell 38 liegen als Eingangsgrößen der Abgasmassenstrom aus dem Motor 40 (FLOW_ENG), die Turboladerdrehzahl 42 (N_TCHA) und die Abgastemperatur vor der Turbine 44 (TEG_TUR_UP) an. Das Turbinenmodell 38 berechnet aus diesen Größen die maximale Turbinenleistung 46 (POW_TUR_MAX), das ist die Bruttoleistung der Turbine unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades.
  • Ein Verdichtermodell 48 berechnet den Sollwert 50 für den Druck am E-Booster (PRS_BOOST_SP). Ebenfalls berechnet das Verdichtermodell 48 den Sollwert 52 für die Verdichterleistung (POW_CHA_SP).
  • Eingangsgrößen für das Verdichtermodell 48 sind der Sollwert für den Luftmassenstrom 54 (MAF_KGH_SP), der Umgebungsdruck 56 (AMP), die Ansauglufttemperatur 58 vor Verdichter des Abgasturboladers (TIA_CHA_UP) und der Sollwert 60 für den Ladedruck (PUT_SP). Die maximale Turbinenleistung 46 liegt eben falls als maximale Leistung (POW_CHA_MAX) des Verdichters des Abgasturboladers an dem Verdichtermodell 48 als Eingangsgröße an.
  • Das inverse Modell für den E-Booster 64 bestimmt den Sollwert für die Boosterleistung 66. Als Eingangsgröße an dem inversen Modell für den E-Booster liegen der Umgebungsdruck 56 (AMP), der Sollwert für den Luftmassenstrom 54 (MAF_KGH_SP), die Ansauglufttemperatur 68 vor dem E-Booster (TIA_BOOST_UP) und der Sollwert für den Booster-Druck (PRS_BOOST_SP) 50 an.
  • Eine Ladedruckregelung ist schematisch in 3 als Block 69 dargestellt. Die Ladedruckregelung bestimmt als Ausgangsgröße den Sollwert für die Boosterleistung 70 (POW_BOOST_EL_SP) ein Flag 72 für den Zustand der Ladedruckregelung (LV_PUT_CTL_TCHA) und einen Sollwert 74 für die Turbinenleistung (POW_TUR_SP). Die Ladedruckregelung 69 besitzt als Eingangsgröße den Sollwert der Boosterleistung 66 aus dem inversen Modell, den Sollwert für die Verdichterleistung 52 des Abgasturboladers aus dem Verdichtermodell 48, den Sollwert für den Ladedruck 60, den Ladedruck 76 (PUT) und den Druckquotienten am E-Booster 78 (PQ_BOOST). Der Druckquotient 78 ist der Quotient aus dem Druck nach dividiert durch den Druck vor dem Booster.
  • Die Ausgangsgrößen der Ladedruckregelung liegen an dem inversen Modell für die Turbine 80 an. An dem inversen Turbinenmodell liegt als Eingangsgröße das Flag für den Zustand der Ladedruckregelung 72 (LV_PUT_CTL_TCHA) und der Sollwert für die Turbinenleistung 74 an. Ferner liegen an dem inversen Turbinenmodell 80 die Turboladerdrehzahl 42 und die Abgastemperatur vor der Turbine 44 an. Als Ausgangsgrößen des inversen Turbinenmodells werden der Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbine 82 und der Sollwert für den Druckquotienten über der Turbine 84 (PQ_EX_SP) berechnet.
  • Die Steuerung des E-Boosters erfolgt durch die Boostersteuerung 86, an der ebenfalls das Flag für Zustand der Ladedruckregelung 72 und zusätzlich der Sollwert für die Boosterleistung 70 anliegen.
  • 2 zeigt die Ladedruckregelung 69 im Detail. Ausgehend von dem Sollwert für den Ladedruck 60 und dem Istwert für den Ladedruck 76 wird die Differenz gebildet als Sollwert minus Istwert. Die Abweichung des Ladedrucks vom Sollwert für den Ladedruck 88 (PUT_DIF) wird gemeinsam mit dem Flag für den Zustand der Ladedruckregelung 72 (LV_PUT_CTL_TCHA) zu einem Faktor für die Turbinenleistung 90 (FAC_POW_TUR_PUT_CTL) verarbeitet. Der Faktor wird mit dem Sollwert für die Turbinenleistung 52 multipliziert. Das Produkt wird als Basiswert für Sollwert der Turbinenleistung 92 weitergeleitet.
  • An einer Koordination der Ladedruckregelung 94 liegt der Basiswert für den Sollwert der Turbinenleistung 92 an. Ferner erfolgt die Koordination der Ladedruckregelung 94 abhängig von dem Druckquotienten am Booster 78 und der maximalen Turbinenleistung 46. Die Ausgangsgröße der Koordination der Ladedruckregelung 94 ist das Flag für den Zustand der Ladedruckregelung 72, das den Wert 1 annimmt wenn der Booster abgeschaltet ist und den Wert 0 annimmt wenn die Maximalleistung der Turbine angefordert wird.
  • Die Regelung der Leistung des Boosters erfolgt analog zu der Bestimmung des Basiswerts für den Sollwert der Turbinenleistung. Abhängig von dem Zustand der Ladedruckregelung und der Regelabweichung des Ladedrucks 88 wird ein Faktor für die Turbinenleistung 100 (FAC_POW_TUR_PUT_CTL) bestimmt und mit dem Sollwert für die Boosterleistung 102 multipliziert. Das Produkt wird als Sollwert für die Boosterleistung 104 (POW_BOOST_EL_SP) weitergeleitet.
  • 4 zeigt eine mögliche Ausführung für die Koordination der Ladedruckregelung. Im untersten Zweig wird der Basiswert für den Sollwert der Turbinenleistung mit der maximalen Leistung der Turbine 46 verglichen. An der Komperator 106 erzeugt eine 1, wenn der Basiswert für den Sollwert der Turbinenleistung größer gleich der maximalen Turbinenleistung ist. Das Ausgangssignal des Komperators 106 liegt an einem S-R Flip-Flop 108 an dem Reset-Eingang an. An dem S-Eingang des Flip-Flops 108 liegt die Undverknüpfung aus zwei Vergleichen an. Zunächst wird verglichen, ob der Druckquotient am Booster 78 kleiner gleich 1 ist. Wenn dies der Fall ist erfolgt kein Druckaufbau durch den Booster. Als zweite Größe wird verglichen, ob die Regelabweichung des Ladedrucks 88 kleiner gleich 0 ist. Die Regelabweichung wird, wie oben bereits erwähnt, als Differenz aus Sollwert minus Istwert gebildet, so daß eine negative Regelabweichung anzeigt, daß der Istwert größer als der Sollwert ist. Das Statusbit 72 (LV_PUT_CTL_TCHA) wird an dem Ausgang des S-R Flip-Flops 108 erzeugt.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters (12) in einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader (18, 32), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – ein Turbinenmodell (38) bestimmt eine momentan verfügbare Turbinenleistung (POW_TUR_MAX), – ein Verdichtermodell (48) bestimmt ein momentan geforderte Verdichterleistung (50, 52) und – ein inverses Verdichtermodell (64) bestimmt einen von dem elektrisch angetriebenen Verdichter (12) zu erzeugenden Druck (PRS_BOOST_SP), in dem Fall, in dem die geforderte Verdichterleistung (50, 52) größer als die verfügbare Turbinenleistung (POW_TUR_MAX) des Abgasturboladers ist, – eine Ladedruckregelung (69) bestimmt unter Verwendung des durch den elektrisch angetriebenen Verdichter (12) zu erzeugenden Drucks (PRS_BOOST_SP) die erforderlichen Leistungen von der Turbine des Abgasturboladers (18, 32) und dem elektrisch angetriebenem Verdichter (12), – eine Steuerung (86) für den elektrisch angetriebenen Verdichter (12) steuert diesen entsprechend der angeforderten Verdichterleistung (50, 52) an, – wobei die Ladedruckregelung (69) in dem Fall, in dem der elektrisch angetriebene Verdichter (12) zugeschaltet ist, die Turbine mit Maximalleistung ansteuert und den Ladedruck über die Einstellung der Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters (12) steuert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedruckregelung (69) jeweils ein PID-Regler (90, 100) für die Turbine des Abgasturboladers (18, 32) und für den elektrisch angetriebenen Verdichter (12) besitzt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedruckregelung (69) die Sollwerte für die Turbinenleistung und für die Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters (12) bestimmt, sowie ein Signal dafür, ob der elektrisch angetriebene Verdichter (12) zugeschaltet ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenmodell (38) die momentan verfügbare Turbinenleistung (POW_TUR_MAX) abhängig von dem Abgasmassenstrom aus der Brennkraftmaschine (FLOW_ENG), der Turbinendrehzahl (N_TCHA) und einer Abgastemperatur vor der Turbine (TEG_TUR_UP) bestimmt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtermodell (48) die Sollwerte (70, 74) für die momentan geforderte Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters (12) und der Turbine (32) bestimmt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtermodell (48) die Sollwerte für die momentan geforderte Leistung (70, 74) des elektrisch angetriebenen Verdichters (12) und der Turbine (32) abhängig von dem Luftmassenstrom (MAF), dem Umgebungsdruck (AMP), der Ansauglufttemperatur vor Verdichter (TIA_CHA_UP), der maximalen Verdichterleistung (POW_CHR_MAX) und dem momentanen Ladedruck (PUT) bestimmt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Luftmassenstrom (MAF) der Sollwert für den Luftmassenstrom verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Ladedruck (PUT) der Sollwert für den momentanen Ladedruck (PUT_SP) verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das inverse Verdichtermodell (64) für den elektrisch angetriebenen Verdichter (12) abhängig von dem Druck-Sollwert (PRS_BOOST_SP) des elektrisch angetriebenen Verdichters (12) dem Umgebungsdruck (AMP), dem Luftmassenstrom (MAF) und der Ansauglufttemperatur vor dem elektrisch angetriebenen Verdichter (TIA_BOOST_UP) den Sollwert für die Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters (POW_BOOST_UP) bestimmt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das inverse Verdichtermodell (64) als Sollwert für den Luftmassenstrom (MAF) den Sollwert für den momentanen Ladedruck verwendet.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein inverses Turbinenmodell (80) vorgesehen ist, das den Sollwert für den Druckquotienten über der Turbine (PQ_EX_SP) und den Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbine (FLOW_TUR_SP) bestimmt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das inverse Turbinenmodell (80) seine Ausgangsgrößen abhängig von dem Sollwert für die Turbinenleistung (POW_TUR_SP), der Turbinendrehzahl (N_TCHA), der Abgastemperatur vor der Turbine (TEG_TUR_UP) und dem Sollwert für die Turbinenleistung (POW_TUR_SP) bestimmt sowie davon, ob der elektrisch angetriebene Verdichter (12) zugeschaltet ist oder nicht.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch angetriebener Verdichter (12) ein E-Booster vorgesehen ist, der stromaufwärts oder stromabwärts von der Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist.
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