DE102022209265A1 - Regelung des Ladedrucks einer doppelt aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 1, einen Frischgasstrang 5, einen Abgasstrang 6, einen ersten Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter 7 und einer ersten Turbine 9, die eine VTG 11 aufweist, und einen zweiten Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter 8 und einer zweiten Turbine 10, die mittels eines Turbinenbypasses 12 umgehbar ist, in den ein Regelventil 13 integriert ist, und die vorzugsweise keine VTG aufweist. Der erste Verdichter 7 ist stromauf des zweiten Verdichters 8 in den Frischgasstrang 5 und die erste Turbine 9 ist stromab der zweiten Turbine 10 in den Abgasgasstrang 6 integriert. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird ein Ist-Zwischendruck in dem Frischgasstrang 5 stromab des ersten Verdichters 7 und stromauf des zweiten Verdichters 8 und ein Ist-Ladedruck in dem Frischgasstrang 5 stromab des zweiten Verdichters 8 ermittelt. Weiterhin wird ein Ist-Differenzdruck als Differenz des Ist-Ladedrucks und des Ist-Zwischendrucks berechnet. Zumindest in einem ersten Betriebsbereich wird der Ist-Zwischendruck in Abhängigkeit von einem Soll-Zwischendruck mittels der VTG 11 geregelt und der Ist-Differenzdruck wird in Abhängigkeit von einem Soll-Differenzdruck mittels des Regelventils 13 geregelt, wobei eine Abweichung des Ist-Ladedrucks von einem Soll-Ladedruck durch eine Anpassung des Soll-Zwischendrucks und/oder des Soll-Differenzdrucks ausgeglichen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer doppelt mittels Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschine und konkret eine Regelung des Ladedrucks im Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang, einen Abgasstrang, einen ersten Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter und einer ersten Turbine, die eine variable Turbinengeometrie (VTG) aufweist, und einen zweiten Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter und einer zweiten Turbine, die mittels eines Turbinenbypasses umgehbar ist, in den ein Regelventil integriert ist, und die vorzugsweise keine VTG aufweist. Der erste Verdichter ist dabei stromauf des zweiten Verdichters in den Frischgasstrang und die erste Turbine stromab der zweiten Turbine in den Abgasgasstrang integriert.
• Die DE 10 2015 216 105 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung des Ladedrucks einer doppelt mittels Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine ein erster Verdichter eines ersten Abgasturboladers und, stromab des ersten Verdichters, ein zweiter Verdichter eines zweiten Abgasturboladers integriert sind. Weiterhin sind in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine eine erste Turbine des ersten Abgasturboladers und stromauf der ersten Turbine eine zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers integriert. Die beiden Turbinen sind jeweils mittels eines Bypasses umgehbar, wobei jeweils ein Regelventil in die Bypässe integriert ist. Weiterhin soll gemäß der Beschreibung die erste Turbine eine variable Turbinengeometrie (VTG) aufweisen können, während in der Zeichnung die zweite Turbine mit VTG gezeigt ist. Bei dem Verfahren gemäß der DE 10 2015 216 105 A1 ist vorgesehen, den Zwischendruck, d.h. den Druck des Frischgases in dem Abschnitt zwischen den Verdichtern mittels des ersten Verdichters und den Ladedruck, d.h. den Druck des Frischgases stromab des zweiten Verdichters, mittels des zweiten Verdichters zu regeln.
• Dieses aus der DE 10 2015 216 105 A1 bekannte Verfahren würde bei einer Übertragung auf die eingangs genannte, erfindungsgemäß zu betreibende Brennkraftmaschine dazu führen, dass der Ladedruck, dessen Regelung für den Betrieb des Verbrennungsmotors von grundsätzlicher Bedeutung ist, mittels des zweiten Verdichters geregelt würde, der vorzugsweise lediglich einen Turbinenbypass aufweist. Das Regelventil eines solchen Turbinenbypasses kann jedoch eine relativ hohe Sensitivität aufweisen, so dass bereits relativ kleine Änderungen in der Stellung des Regelventils zu relativ großen Änderungen des Ladedrucks führen können. Dies kann zu einer Anpassung des Ladedrucks mit einem schwingenden Verlauf führen, was sich negativ auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors auswirken kann. Um eine solche schwingende Anpassung des Ladedrucks zu vermeiden kann grundsätzlich vorgesehen sein, das Regelventil sehr langsam zu verstellen, um die hohe Sensitivität auszugleichen. Dies wirkt sich jedoch negativ auf die Regelgeschwindigkeit aus.
• Verfahren zur Regelung des Ladedrucks von doppelt mittels Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschinen sind weiterhin in der DE 10 2018 110 949 A1 und der DE 10 2010 037 368 A1 offenbart.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer eingangs beschriebenen Brennkraftmaschine anzugeben.
• Diese Aufgabe ist bei dem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
• Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang, einen Abgasstrang, einen ersten Abgasturbolader mit einem ersten (Frischgas-)Verdichter und einer ersten (Abgas-)Turbine, die eine variable Turbinengeometrie (VTG) aufweist, und einen zweiten Abgasturbolader mit einem zweiten (Frischgas-)Verdichter, der vorzugsweise mittels eines Verdichterbypasses, in den ein Steuerventil integriert ist, umgehbar ist, und einer zweiten (Abgas-)Turbine, die mittels eines Turbinenbypasses umgehbar ist, in den ein Regelventil integriert ist, und die vorzugsweise keine VTG aufweist, umfasst. Dabei ist der erste Verdichter stromauf des zweiten Verdichters in den Frischgasstrang und die erste Turbine stromab der zweiten Turbine in den Abgasgasstrang integriert.
• Zur Realisierung der VTG umfasst eine Turbine und damit zumindest die erste Turbine eine Vorrichtung, mittels der ein Strömungsquerschnitt, über den Abgas zu einem Turbinenlaufrad der Turbine geführt und/oder von diesem abgeführt werden kann, zumindest hinsichtlich der Wirksamkeit veränderbar ist, wozu insbesondere die Größe des freien Strömungsquerschnitts und/oder der Winkel der Anströmung von Schaufeln des Turbinenlaufrads veränderbar sein kann.
• Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird ein Ist-Zwischendruck in dem Frischgasstrang stromab des ersten Verdichters und stromauf des zweiten Verdichters (vorzugsweise auch stromauf des Verdichterbypasses, sofern vorgesehen) und ein Ist-Ladedruck in dem Frischgasstrang stromab des zweiten Verdichters (vorzugsweise auch stromab des Verdichterbypasses, sofern vorgesehen) ermittelt, vorzugsweise gemessen. Weiterhin wird ein Ist-Differenzdruck als Differenz des Ist-Ladedrucks und des Ist-Zwischendrucks berechnet.
• Zumindest in einem ersten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors wird der Ist-Zwischendruck in Abhängigkeit (beziehungsweise zur vorgesehenen Einhaltung) von einem definierten, d.h. vorgegebenen, beispielsweise in einem Betriebskennfeld gespeicherten Soll-Zwischendruck mittels der VTG geregelt und der Ist-Differenzdruck wird in Abhängigkeit von einem definierten, d.h. vorgegebenen, beispielsweise in dem Betriebskennfeld gespeicherten Soll-Differenzdruck mittels des Regelventils des Turbinenbypasses geregelt, wobei eine Abweichung des Ist-Ladedrucks von einem Soll-Ladedruck durch eine Anpassung des Soll-Zwischendrucks und/oder des Soll-Differenzdrucks (für eine Reduzierung und insbesondere Eliminierung der Abweichung) ausgeglichen wird.
• Anders als dies aus dem Stand der Technik bekannt ist wird folglich der zweite, näher an dem Verbrennungsmotor in dem Frischgasstrang angeordnete und damit den Ladedruck direkt beziehungsweise abschließend beeinflussende Verdichter zumindest zeitweise nicht dazu genutzt, den Ladedruck unmittelbar zu regeln. Vielmehr wird dieser zweite Verdichter zur Regelung des Differenzdrucks über diesem Verdichter genutzt. Dies ermöglicht, eine Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck wahlweise einem ersten Regelkreis, d.h. der Regelung des Zwischendrucks mittels der VTG beziehungsweise mittels des ersten Verdichters, der mit der Turbine mit VTG antriebsverbunden ist, oder einem zweiten Regelkreis, d.h. der Regelung der Differenzdruck mittels des Regelventils des Turbinenbypasses beziehungsweise mittels des zweiten Verdichters, der mit der Turbine mit Turbinenbypass antriebsverbunden ist, zuzuordnen beziehungsweise diese Abweichung ausgleichen zu lassen. Dies ermöglicht, eine möglichst optimale Regelung des Ladedrucks in sämtlichen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors zu realisieren. Insbesondere wird dadurch ermöglicht, die Ansteuerung und damit die Regelwirkung des Regelventils des Turbinenbypasses zumindest zeitweise relativ langsam zu bewirken, ohne dass sich dies negativ auf die Regelgeschwindigkeit für den Ladedruck auswirkt.
• Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass in einem ersten Teilbereich des ersten Betriebsbereichs eine Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck (vorzugsweise ausschließlich) durch eine Anpassung des Soll-Differenzdrucks ausgeglichen wird und in einem zweiten Teilbereich des ersten Betriebsbereichs eine Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck (vorzugsweise ausschließlich) durch eine Anpassung des Soll-Zwischendrucks ausgeglichen wird. Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der erste Teilbereich durch Kombinationen aus Betriebsdrehzahl und Betriebslast des Verbrennungsmotors gekennzeichnet ist, der im Vergleich zu dem zweiten Teilbereich zu relativ kleinen Frischgasmassenströmen führt. Relativ kleine Frischgasmassenströme ergeben sich dabei aus relativ kleinen Betriebsdrehzahlen und relativ geringen Betriebslasten des Verbrennungsmotors. In dem ersten Teilbereich des ersten Betriebsbereichs mit relativ kleinen Frischgasmassenströmen kann auf diese Weise die relativ hohe Dynamik, mit der eine Beeinflussung des Ladedrucks mittels des Regelventils des Turbinenbypasses realisiert werden kann, ausgenutzt werden, um trotz der relativ kleinen Frischgasmassenströme einen möglichst schnellen Ausgleich der Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck zu realisieren. In dem zweiten Teilbereich des ersten Betriebsbereichs kann dagegen die bei relativ großen Frischgasmassenströmen ausreichende Wirksamkeit der Beeinflussung des Ladedrucks beziehungsweise des Frischgasdrucks mittels der VTG genutzt werden, um einen Ausgleich der Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck zu realisieren. Eine relativ langsame Ansteuerung des Regelventils des Turbinenbypasses (zur Regelung des Differenzdrucks) vermeidet dabei eine negative Beeinflussung des Ladedrucks, insbesondere hinsichtlich eines schwingenden Verlaufs.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten Teilbereich und dem zweiten Teilbereich eine Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck durch Anpassungen sowohl des Soll-Zwischendrucks als auch des Soll-Differenzdrucks ausgeglichen wird. Dadurch kann ein gleitender und damit für den Betrieb der Brennkraftmaschine möglichst unauffälliger Übergang zwischen den beiden Teilbereichen und den dabei vorgesehenen unterschiedlichen Methoden zum Ausgleich einer Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck realisiert werden. Dabei kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass in dem Übergangsbereich unterschiedliche Verhältnisse der Anpassungen des Soll-Zwischendrucks und der Soll-Differenzdruck vorgesehen sind, wobei in einem ersten Unterbereich des Übergangsbereichs, der näher zu dem ersten Teilbereich des ersten Betriebsbereichs als ein zweiter Unterbereich des Übergangsbereichs gelegen ist, ein größerer Anteil an dem Ausgleich der Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck mittels einer Anpassung des Soll-Differenzdrucks als mittels einer Anpassung des Soll-Zwischendrucks realisiert wird. Für den zweiten Unterbereich des Übergangsbereichs gilt dies dann entsprechend entgegengesetzt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in einem zusätzlichen (zweiten) Betriebsbereich des Verbrennungsmotors die VTG und das Regelventil nur gesteuert (und nicht geregelt, d.h. nicht mit einer Rückkoppelung bezüglich der Ist-Frischgasdrücke) betätigt werden. In einem weiteren (dritten) Betriebsbereich des Verbrennungsmotors kann dagegen bei vollständig geöffnetem Regelventil des Turbinenbypasses der Ist-Ladedruck in Abhängigkeit von dem Soll-Ladedruck (ausschließlich) mittels der VTG geregelt werden. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der zusätzliche Betriebsbereich durch Kombinationen aus Betriebsdrehzahl und Betriebslast des Verbrennungsmotors gekennzeichnet ist, der im Vergleich zu dem ersten Betriebsbereich zu relativ kleinen Frischgasmassenströmen führt. Insbesondere können die Frischgasmassenströme in dem zusätzlichen Betriebsbereich so klein sein, dass eine Regelung der Frischgasdrücke und insbesondere auch abschließend des Ladedrucks aufgrund einer zu geringen Sensitivität der Drucksensoren und/oder der Wirkung der VTG wie auch des Regelventils des Turbinenbypasses nicht sinnvoll umsetzbar ist. Andererseits kann der weitere Betriebsbereich durch Kombinationen aus Betriebsdrehzahl und Betriebslast des Verbrennungsmotors gekennzeichnet sein, der im Vergleich zu dem ersten Betriebsbereich zu relativ großen Frischgasmassenströmen führt. In dem weiteren Betriebsbereich kann demnach eine Aufladung im Wesentlichen ausschließlich mittels des ersten Verdichters vorgesehen sein (indem das Regelventil des Turbinenbypasses der mit dem zweiten Verdichter antriebsverbundenen zweiten Turbine vollständig geöffnet ist), so dass eine direkte Regelung des Ladedrucks mittels der VTG der ersten Turbine, die mit dem ersten Verdichter antriebsverbunden ist, erfolgen kann.
• Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang, einen Abgasstrang, einen ersten Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter und einer ersten Turbine, die eine VTG aufweist, und einen zweiten Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter und einer zweiten Turbine, die mittels eines Turbinenbypasses umgehbar ist, in den ein Regelventil integriert ist, und die vorzugsweise keine VTG aufweist. Der zweite Verdichter ist vorzugsweise mittels eines Verdichterbypasses, in den ein Steuerventil integriert ist, umgehbar. Der erste Verdichter ist stromauf des zweiten Verdichters in den Frischgasstrang und die erste Turbine ist stromab der zweiten Turbine in den Abgasgasstrang integriert. Weiterhin ist ein erster Drucksensor zur Messung eines Ist-Zwischendrucks stromab des ersten Verdichters und stromauf des zweiten Verdichters (vorzugsweise auch stromauf des Verdichterbypasses, sofern vorgesehen) in dem Frischgasstrang angeordnet und ein zweiter Drucksensor zur Messung eines Ist-Ladedruck ist stromab des zweiten Verdichters (vorzugsweise auch stromab des Verdichterbypasses, sofern vorgesehen) in dem Frischgasstrang angeordnet. Weiterhin umfasst eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung zumindest der VTG und des Regelventils, wobei die Steuerungsvorrichtung zur automatischen Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
• Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine kann es sich vorzugsweise um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor handeln. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich jedoch auch um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor, d.h. z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. Diesel oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betrieben werden.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß betriebenen Brennkraftmaschine. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:
• 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
• 2: ein Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors und
• 3: ein Regeldiagramm bezüglich eines erfindungsgemäßen Betriebs der Brennkraftmaschine.
• Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylinderöffnungen 2 ausgestaltet ist. Die Zylinderöffnungen 2 begrenzen mit darin beweglich geführten Kolben 3 und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt. Bei dem Frischgas handelt es sich ausschließlich oder hauptsächlich um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Abgas, das bei der Verbrennung von Gemischmengen entstanden ist, die aus dem Frischgas sowie aus Kraftstoff bestehen, wird über einen Abgasstrang 6 der Brennkraftmaschine abgeführt.
• Die Brennkraftmaschine ist doppelt mittels Abgasturboladern aufgeladen ausgestaltet, wozu in den Frischgasstrang 5 ein erster Verdichter 7 eines ersten Abgasturboladers und, stromab des ersten Verdichters 7, ein zweiter Verdichter 8 eines zweiten Abgasturboladers integriert sind. Die Verdichter 7, 8 sind jeweils Teil eines der Abgasturbolader, die weiterhin jeweils eine Turbine 9, 10 umfassen, die in den Abgasstrang 6 integriert sind. Dabei ist eine erste (9) der Turbinen 9, 10, die Teil des ersten Abgasturboladers ist, stromab einer zweiten (10) der Turbinen 9, 10, die Teil des zweiten Abgasturboladers ist, in dem Abgasstrang 6 angeordnet. Abgas, das die Turbinen 9, 10 durchströmt, führt jeweils zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads (nicht dargestellt), das über eine Welle drehantreibend mit einem Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) des jeweils zugeordneten Verdichters 7, 8 verbunden ist, so dass ein Antrieb jedes Verdichters 7, 8 mittels der zugeordneten Turbine 9, 10 erfolgt.
• Die erste Turbine 9 weist eine variable Turbinengeometrie (VTG) 11 auf. Die zweite Turbine 10 umfasst einen Turbinenbypass 12, der ermöglicht, bedarfsweise einen Teil des Abgasmassenstroms bis hin zu (möglichst) den gesamten Abgasmassenstrom über den Turbinenbypass 12 und damit an der zweiten Turbine 10 beziehungsweise zumindest dem Turbinenlaufrad davon vorbei zu führen. Hierfür ist in den Turbinenbypass 12 ein beispielsweise pneumatisch oder elektrisch betätigtes Regelventil 13 integriert. Zumindest die VTG 11 beziehungsweise ein Aktuator davon und das Regelventil 13 des Turbinenbypasses 12 sind mittels einer Steuerungsvorrichtung 14 der Brennkraftmaschine ansteuerbar.
• Der zweite Verdichter 8 weist einen Verdichterbypass 15 auf, der ermöglicht, einen Teil des Frischgasmassenstroms bis hin zu (möglichst) den gesamten Frischgasmassenstrom über den Verdichterbypass 15 und damit an dem zweiten Verdichter 8 beziehungsweise zumindest dem Verdichterlaufrad davon vorbei zu führen. In den Verdichterbypass 15 ist ein Steuerventil 16 in Form eines Rückschlagventils integriert, das bei einem definierten Überdruck auf der stromaufwärts gelegenen Seite öffnet, ansonsten geschlossen ist.
• In den Frischgasstrang 5 ist an einer Position stromab des ersten Verdichters 7 und stromauf des zweiten Verdichters 8 sowie auch stromauf des Verdichterbypasses 15 ein erster Drucksensor 17 zur Messung des (Gas-)Drucks des Frischgases integriert. Dieser Druck des Frischgases stellt einen (Ist-)Zwischendruck p_{12_Ist} dar, weil dieser die Verdichtung des Frischgases nach einer ersten von insgesamt zwei (möglichen) Verdichtungsstufen wiedergibt. Weiterhin ist in dem Frischgasstrang 5 ein zweiter Drucksensor 18 zur Messung des Drucks des Frischgases an einer Position stromab des zweiten Verdichters 8 und auch stromab des Verdichterbypasses 15 angeordnet. Dieser Druck des Frischgases stellt den (Ist-)Ladedruck p₂ dar, mit dem das Frischgas dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird. Mittels der Steuerungsvorrichtung 14 kann aus der Differenz des Ist-Ladedrucks p_{2_Ist} und des Ist-Zwischendrucks p_{12_Ist} ein Ist-Differenzdruck Δp_{_Ist} berechnet werden.
• In dem Frischgasstrang 5 kann optional stromauf des ersten Verdichters 7 noch ein dritter Drucksensor 19 zur Messung des (Ist-)Ausgangsdrucks p_{1_Ist} des Frischgases vor der Verdichtung angeordnet sein.
• Die 2 zeigt in vereinfachter Form ein Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors 1, das in mehrere Betriebsbereiche A, B, C unterteilt ist, die sich hinsichtlich der Kombinationen aus der Betriebsdrehzahl n, aufgetragen über der Horizontalachse, und der Betriebslast M, aufgetragen über der Vertikalachse, im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 unterscheiden. Für diese verschiedenen Betriebsbereiche A, B, C sind unterschiedliche Arten der Ansteuerung der VTG 11 und des Regelventils 13 des Turbinenbypasses 12 mit dem Ziel der Regelung des Ladedrucks p_{2_Ist} vorgesehen.
• Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 in einem Betriebspunkt innerhalb des ersten Betriebsbereichs A ist gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der gemessene Ist-Zwischendruck p_{12_Ist} in Abhängigkeit von einem für den entsprechenden Betriebspunkt vorgegebenen Soll-Zwischendruck p_{12_Soll} mittels der VTG 11 geregelt wird und der aus den Messungen des ersten Drucksensors 17 und des zweiten Drucksensors 18 berechnete Ist-Differenzdruck Δp_{_Ist} in Abhängigkeit von einem für den entsprechenden Betriebspunkt vorgegebenen Soll-Differenzdruck Δp_{_Soll} mittels des Regelventils 13 des Turbinenbypasses 12 geregelt wird.
• Gleichzeitig wird bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 in einem innerhalb eines ersten Teilbereichs A₁ des ersten Betriebsbereichs A liegenden Betriebspunkts eine Abweichung des gemessenen Ist-Ladedrucks p_{2_Ist} von einem vorgegebenen Soll-Ladedruck p_{2_Soll} durch eine Anpassung des Soll-Differenzdrucks Δp_{_Soll} ausgeglichen. Dementsprechend ergibt sich ein angepasster Soll-Differenzdruck Δp_{_Soll_ang} für die Ansteuerung des Regelventils 13 als Differenz des Soll-Ladedrucks p_{2_Soll} und des Ist-Zwischendrucks p_{12_Ist} (Δp_{Soll_ang} = p_{2_Soll} - p_{12_Ist}) während der Soll-Zwischendruck p_{12_Soll} für die Ansteuerung der VTG unbeeinflusst bleibt (p_{12_Soll_ang} = p_{12_Soll}).
• Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 in einem innerhalb eines zweiten Teilbereichs A₂ des ersten Betriebsbereichs A liegenden Betriebspunkts des Verbrennungsmotors 1 wird dagegen eine Abweichung des Ist-Ladedrucks p_{2_Ist} von dem Soll-Ladedruck p_{2_Soll} durch eine Anpassung des Soll-Zwischendrucks p_12-Soll ausgeglichen. Dementsprechend ergibt sich ein angepasster Soll-Zwischendruck p_{12_Soll_ang} für die Ansteuerung der VTG 11 als Differenz des Soll-Ladedrucks p_{2_Soll} und des Ist-Differenzdrucks Δp_{_Ist} (p_{12_Soll_ang} = p_{2_Soll} - Δp_{_Ist} = p_{2_Soll} - (p_{2_Ist} - p_{12_Ist})) während der Soll-Differenzdruck Δp_{_Soll} für die Ansteuerung des Regelventils 13 unbeeinflusst bleibt (Δp_{_Soll_ang} = Δp_{_Soll} = p_{2_Soll} - P_{12_Soll}).
• Die obigen Formeln für einerseits den angepassten Soll-Differenzdruck Δp_{_Soll} und andererseits den angepassten Soll-Zwischendruck p_{12_Soll_ang} können vorteilhaft durch die Ergänzung eines Faktors (Fak) kombiniert werden: $$\Delta {\text{p}}_{\text{\_Soll\_ang}}={\text{p}}_{2\text{\_Soll}}-{\text{p}}_{12\text{\_Ist}}\cdot \left(1-\text{Fak}\right)-{\text{p}}_{12\text{\_Soll}}\cdot \text{Fak;}$$

  

  $${\text{p}}_{12\text{\_Soll\_ang}}={\text{p}}_{2\text{\_Soll}}-({\text{p}}_{2\text{\_Soll}}-{\text{p}}_{12\text{\_}\text{Soll})}\cdot \left(1-\text{Fak}\right)-\left({\text{p}}_{2\text{\_Ist}}-{\text{p}}_{12\text{\_Ist}}\right)\cdot \text{Fak}\text{.}$$

  
• Für einen Betrieb in dem ersten Teilbereich A₁ des ersten Betriebsbereichs A kann der Faktor (Fak) auf 0 und für einen Betrieb in dem zweiten Teilbereich A₂ auf 1 gesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, in einem Übergangsbereich A₃ des ersten Betriebsbereichs A den Faktor, auch variabel, auf einen Wert zwischen 0 und 1 zu setzen und dadurch einen mehr oder weniger gleitenden Übergang zwischen dem ersten Teilbereich A₁ und dem zweiten Teilbereich A₂ zu realisieren. Auch in diesem Übergangsbereich A₃ wird dabei eine vorteilhafte Regelung des (Ist-)Ladedrucks p_{2_Ist} mit relativ hoher Regelgeschwindigkeit und Regelgüte realisiert.
• In einem zweiten Betriebsbereich B innerhalb des Betriebskennfelds gemäß der 2, das durch Betriebspunkte beziehungsweise Kombinationen aus Betriebsdrehzahl n und Betriebslast M des Verbrennungsmotors 1 gekennzeichnet ist, die im Vergleich zu dem ersten Betriebsbereich A zu relativ kleinen Frischgasmassenströmen führen, erfolgt keine Regelung des (Ist-)Zwischendrucks p_{12_Ist} und des (Ist-)Differenzdrucks Δp_{_Ist} und damit auch nicht des (Ist-)Ladedrucks p_{2_Ist}, weil dies aufgrund der relativ kleinen Frischgasmassenströme nicht sinnvoll ist. Vielmehr werden die VTG 11 und das Regelventil 13 des Turbinenbypasses 12 lediglich gesteuert (entsprechend den Vorgaben eines Betriebskennfeld zu den einzelnen Betriebspunkten innerhalb des zweiten Betriebsbereichs) betätigt.
• In einem dritten Betriebsbereich C innerhalb des Betriebskennfeld gemäß der 2, das durch Betriebspunkte gekennzeichnet ist, die im Vergleich zu dem ersten Betriebsbereich A zu relativ großen Frischgasmassenströmen führen, ist praktisch eine lediglich einstufige Aufladung der Brennkraftmaschine mittels des ersten Verdichters 7 vorgesehen. Hierzu wird das Regelventil 13 des Turbinenbypasses 12 vollständig beziehungsweise weitestmöglich geöffnet und damit im Wesentlichen der gesamte Abgasmassenstrom an der zweiten Turbine 10 vorbeigeführt. Daraus folgt, dass die zweite Turbine 10 keine oder zumindest nicht in einem relevanten Ausmaß Antriebsleistung für den zweiten Verdichter 8 bereitstellt. Dadurch wird das Verdichterlaufrad des zweiten Verdichters 8 kaum oder überhaupt nicht drehend angetrieben und führt dadurch zu einem so großen Strömungswiderstand, dass das in dem Verdichterbypass 15 angeordnete Steuerventil (Rückschlagventil) 16 öffnet und im Wesentlichen der gesamte Frischgasmassenstrom über den Verdichterbypass 15 und nicht über den zweiten Verdichter 8 geführt wird. Da bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 in einem Betriebspunkt, der innerhalb des dritten Betriebsbereichs C liegt, die Verdichtung des Frischgases im Wesentlichen ausschließlich mittels des ersten Verdichters 7 realisiert wird, ist für einen solchen Betrieb vorgesehen, dass der Ist-Ladedruck p_{2_Ist} in Abhängigkeit von dem für den entsprechenden Betriebspunkt vorgegebenen Soll-Ladedruck p_{2_Soll} mittels der VTG 11 und damit mittels des ersten Verdichters 7 geregelt wird. Dies kann unter Berücksichtigung der o.g. Formeln auch indirekt über eine Regelung des Ist-Zwischendrucks p_{12_Ist} (zur Erzielung des Soll-Zwischendrucks p_{12_Soll}) erfolgen, wenn der Faktor auf 1 gesetzt wird. Dadurch ergibt sich, dass der Soll-Zwischendruck p_{12_Soll} entsprechend um den (bekannten) Druckabfall über dem zweiten Verdichter 8 erhöht wird. Damit wird indirekt eine Regelung des Soll-Ladedruck p_{2_Soll} realisiert.
• Die 3 zeigt den erfindungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine nochmals zusammenfassend in einem Regeldiagramm. Demgemäß werden aus den gemessenen Werten p_{1_Ist}, p_{12_Ist}, p_{2_Ist} sowie den vorgegebenen Werten p_{12_Soll} und p_{2_Soll} die Werte Δp_{_Soll_ang} und p_{12_Soll_ang} berechnet. Der angepasste Soll-Differenzdruck Δp_{_Soll_ang} dient als Führungsgröße eines ersten Regelkreises (nur teilweise dargestellt) zur Ansteuerung des Regelventils 13 und der angepasste Soll-Zwischendruck p_{12_Soll_ang} als Führungsgröße eines zweiten Regelkreises (nur teilweise dargestellt) zur Ansteuerung der VTG 11. Unter Berücksichtigung des angepassten Soll-Differenzdrucks Δp_{_Soll_ang} und des in dem ersten Regelkreis rückgeführten Ist-Differenzdrucks Δp_{_Ist}, ermittelt als Differenz des Ist-Ladedrucks p_{2_Ist} und des Ist-Zwischendrucks p_{12_Ist}, wird in dem ersten Regelkreis eine Regelabweichung zum Differenzdruck e_Δp ermittelt und einem ersten Regler 20 zugeführt, der daraus eine Stellgröße zur Ansteuerung des Regelventils 13 ermittelt. In dem zweiten Regelkreis wird unter Berücksichtigung des angepassten Soll-Zwischendrucks p_{12_Soll_ang} und des in dem zweiten Regelkreis rückgeführten Ist-Zwischendrucks p_{12_Ist} eine Regelabweichung zum Zwischendruck e_p₁₂ ermittelt und einem zweiten Regler 21 zugeführt, der daraus eine Stellgröße zur Ansteuerung der VTG 11 ermittelt.
• Bezugszeichenliste

1

Verbrennungsmotor

2

Zylinderöffnung

3

Kolben

4

Brennraum

5

Frischgasstrang

6

Abgasstrang

7

erster Verdichter

8

zweiter Verdichter

9

erste Turbine

10

zweite Turbine

11

variable Turbinengeometrie (VTG)

12

Turbinenbypass

13

Regelventil des Turbinenbypasses

14

Steuerungsvorrichtung

15

Verdichterbypass

16

Steuerventil des Verdichterbypasses

17

erster Drucksensor

18

zweiter Drucksensor

19

dritter Drucksensor

20

erster Regler

21

zweiter Regler

A

erster Betriebsbereich

A1

erster Teilbereich des ersten Betriebsbereichs

A2

zweiter Teilbereich des ersten Betriebsbereichs

A3

Übergangsbereich des ersten Betriebsbereichs

B

zweiter Betriebsbereich

C

dritter Betriebsbereich

n

Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors

M

Betriebslast des Verbrennungsmotors

p1_Ist

Ist-Ausgangsdruck

p12_Ist

Ist-Zwischendruck

p12_Soll

Soll-Zwischendruck

p2_Ist

Ist-Ladedruck

p2_Soll

Soll-Ladedruck

Δp_Ist

Ist-Differenzdruck

Δp_Soll

Soll-Differenzdruck

Δp_Soll_ang

angepasster Soll-Differenzdruck

p12_Soll_ang

angepasster Soll-Zwischendruck

e_Δp

Regelabweichung zum Differenzdruck

e_p12

Regelabweichung zum Zwischendruck

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015216105 A1 [0002, 0003]
• DE 102018110949 A1 [0004]
• DE 102010037368 A1 [0004]

Claims (13)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die • einen Verbrennungsmotor (1), • einen Frischgasstrang (5), • einen Abgasstrang (6), • einen ersten Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter (7) und einer ersten Turbine (9), die eine VTG (11) aufweist, und • einen zweiten Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter (8) und einer zweiten Turbine (10), die mittels eines Turbinenbypasses (12) umgehbar ist, in den ein Regelventil (13) integriert ist, umfasst, wobei • der erste Verdichter (7) stromauf des zweiten Verdichters (8) in den Frischgasstrang (5) integriert ist und • die erste Turbine (9) stromab der zweiten Turbine (10) in den Abgasgasstrang (6) integriert ist, und wobei • ein Ist-Zwischendruck (p_{12_Ist}) des Frischgases in dem Frischgasstrang (5) stromab des ersten Verdichters (7) und stromauf des zweiten Verdichters (8) und • ein Ist-Ladedruck (p_{2_Ist}) des Frischgases in dem Frischgasstrang (5) stromab des zweiten Verdichters (8) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Ist-Differenzdruck (Δp_{_Ist}) zwischen dem Ist-Ladedruck (p_{2_Ist}) und dem Ist-Zwischendruck (p_{12_Ist}) berechnet wird und • zumindest in einem ersten Betriebsbereich (A) des Verbrennungsmotors (1) • der Ist-Zwischendruck (p_{12_Ist}) in Abhängigkeit von einem Soll-Zwischendruck (p_{12_Soll}) mittels der VTG (11) geregelt wird und • der Ist-Differenzdruck (Δp_{_Ist}) in Abhängigkeit von einem Soll- Differenzdruck (Δp_{_Soll}) mittels des Regelventils (13) des Turbinenbypasses (12) geregelt wird, • wobei eine Abweichung des Ist-Ladedrucks (p_{2_Ist}) von einem Soll-Ladedruck (p_{2_Soll}) durch eine Anpassung des Soll-Zwischendrucks (p_{12_Soll}) und/oder des Soll-Differenzdrucks (Δp_{_Soll}) ausgeglichen wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Turbine (10) keine VTG (11) aufweist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass • in einem ersten Teilbereich (A₁) des ersten Betriebsbereichs (A) eine Abweichung des Ist-Ladedrucks (p_{2_Ist}) von dem Soll-Ladedruck (p_{2_Soll}) durch eine Anpassung des Soll-Differenzdrucks (Δp_{_Soll}) ausgeglichen wird und • in einem zweiten Teilbereich (A₂) des ersten Betriebsbereichs (A) eine Abweichung des Ist-Ladedrucks (p_{2_Ist}) von dem Soll-Ladedruck (p_{2_Soll}) durch eine Anpassung des Soll-Zwischendrucks (p_{12_Soll}) ausgeglichen wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (A₁) durch Kombinationen aus Betriebsdrehzahl (n) und Betriebslast (M) des Verbrennungsmotors (1) gekennzeichnet ist, die im Vergleich zu dem zweiten Teilbereich (A₂) zu relativ kleinen Frischgasmassenströmen führt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (A₃) zwischen dem ersten Teilbereich (A₁) und dem zweiten Teilbereich (A₂) eine Abweichung des Ist-Ladedrucks (p_{2_Ist}) von dem Soll-Ladedruck (p_{2_Soll}) durch Anpassungen des Soll-Zwischendrucks (p_{12_Soll}) und des Soll-Differenzdrucks (Δp_{_Soll}) ausgeglichen wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übergangsbereich (A₃) unterschiedliche Verhältnisse der Anpassungen des Soll-Zwischendrucks (P_{12_Soll}) und des Soll-Differenzdrucks (Δp_{_Soll}) vorgesehen sind.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Betriebsbereich (B) des Verbrennungsmotors (1) die VTG (11) und das Regelventil (13) nur gesteuert betätigt werden.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Betriebsbereich (C) des Verbrennungsmotors (1) bei vollständig geöffnetem Regelventil (13) der Ist-Ladedruck (p_{2_Ist}) in Abhängigkeit von dem Soll-Ladedruck (p_{2_Soll}) mittels der VTG (11) geregelt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem weiteren Betriebsbereich (C) das Frischgas teilweise oder vollständig über einen Verdichterbypass (15) mit Steuerventil (16) zur Umgehung des zweiten Verdichters (8) geführt wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass • der zusätzliche Betriebsbereich (B) durch Kombinationen aus Betriebsdrehzahl (n) und Betriebslast (M) des Verbrennungsmotors (1) gekennzeichnet ist, die im Vergleich zu dem ersten Betriebsbereich (A) zu relativ kleinen Frischgasmassenströmen führen und/oder • der weitere Betriebsbereich (C) durch Kombinationen aus Betriebsdrehzahl (n) und Betriebslast (M) des Verbrennungsmotors 1 gekennzeichnet ist, die im Vergleich zu dem ersten Betriebsbereich (A) zu relativ großen Frischgasmassenströmen führen.
11. Brennkraftmaschine mit • einem Verbrennungsmotor (1), • einem Frischgasstrang (5), • einem Abgasstrang (6), • einem ersten Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter (7) und einer ersten Turbine (9), die eine VTG (11) aufweist, und • einem zweiten Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter (8) und einer zweiten Turbine (10), die mittels eines Turbinenbypasses (12) umgehbar ist, in den ein Regelventil (13) integriert ist, wobei • der erste Verdichter (7) stromauf des zweiten Verdichters (8) in den Frischgasstrang (5) integriert ist und • die erste Turbine (9) stromab der zweiten Turbine (10) in den Abgasgasstrang (6) integriert ist, wobei • ein erster Drucksensor (17) zur Messung eines Ist-Zwischendrucks (p_{12_Ist}) des Frischgases stromab des ersten Verdichters (7) und stromauf des zweiten Verdichters (8) in dem Frischgasstrang (5) angeordnet ist und • ein zweiter Drucksensor (18) zur Messung eines Ist-Ladedrucks (p_{2_Ist}) des Frischgases stromab des zweiten Verdichters (8) in dem Frischgasstrang (5) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung (14) zur Ansteuerung der VTG (11) und des Regelventils (13), die zur automatischen Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
12. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Turbine keine VTG (11) aufweist.
13. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (8) mittels eines Verdichterbypasses (15) umgehbar ist, in den ein Steuerventil (16) integriert ist.

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