DE10352467A1

DE10352467A1 - Verfahren zur Steuerung mindestens eines Stellgliedes in einer Massenstromleitung

Info

Publication number: DE10352467A1
Application number: DE10352467A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fischer; Bodo Becker; Martin Weiner; Guenther Vogt; André Wittmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02
Also published as: FR2863066B1; JP2005140117A; ITMI20042065A1; US20050097945A1; FR2863066A1; JP4585277B2; US7174777B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung mindestens eines Stellgliedes (1, 5, 10) in einer Massenstromleitung (15, 20) vorgeschlagen, das eine schnellere Umsetzung eines vorgegebenen Druckes stromauf des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) ermöglicht. Dabei wird durch die Steuerung des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) der Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) verändert. Ein Druck stromauf des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) in der Massenstromleitung (15, 20) wird vorgegeben. In Abhängigkeit des vorgegebenen Druckes wird eine zugehörige für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) charakteristische Größe ermittelt. Das mindestens eine Stellglied (1, 5, 10) wird zur Einstellung dieser zugehörigen für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) charakteristischen Größe angesteuert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Steuerung mindestens eines Stellgliedes in einer Massenstromleitung nach der Gattung des Hauptanspruches aus.
Es sind bereits Verfahren zur Steuerung mindestens eines Stellgliedes in einer Massenstromleitung bekannt, bei denen durch die Steuerung des mindestens eines Stellgliedes der Strömungswiderstand der Massenstromleitung verändert wird. Ein solches Stellglied ist dabei beispielsweise ein Bypassventil in einem Bypass, der einer Turbine eines Abgasturboladers in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine parallelgeschaltet ist. Durch geeignete Ansteuerung des Bypassventils lässt sich ein gewünschter Ladedruck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine stromab eines Verdichters des Abgasturboladers einstellen.
Die Regelung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors wird derzeit in der Regel im Hinblick auf den Ladedruck durchgeführt. Hierbei ist der Druck im Saugrohr stromab dem Verdichter die Regelgröße und die Position des Bypassventils die Stellgröße. Sowohl die Verzögerung durch die Regelstrecke als auch die Tatsache, dass sich die Wirkweise des Regelorgans auf die Regelgröße in bestimmten Betriebsbereichen umkehrt, führen dazu, dass eine Regelung auf der Basis eines physikalischen Modells äußerst aufwändig wird. Während man die stationären Betriebspunkte mit Sollwerten für die Position des Bypassventils oder den Ladedruck durchaus mit Hilfe eines Kennfeldes einstellen kann, ergeben sich bei dynamischer Betriebsweise Schwierigkeiten, für die eine derartige Regelungsstruktur keine optimale Lösung liefert:
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung mindestens eine Stellgliedes in einer Massenstromleitung mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Druck stromauf des mindestens eines Stellgliedes in der Massenstromleitung vorgegeben wird und das in Abhängigkeit des vorgegebenen Druckes eine zugehörige für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung charakteristische Größe ermittelt wird und dass das mindestens eine Stellglied zur Einstellung dieser zugehörigen für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung charakteristischen Größe angesteuert wird. Auf diese Weise lässt sich der vorgegebene Druck mit minimaler Verzögerung einstellen, sodass ein verbessertes dynamisches Verhalten erreicht wird. Dies ist besonders für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs von Vorteil, wobei das mindestens eine Stellglied beispielsweise als Bypassventil in einem Bypass, der zu einer Turbine eines Abgasturboladers parallelgeschaltet ist, ausgebildet sein kann. In diesem Fall lässt sich ein gewünschter Abgasgegendruck stromauf der Turbine mit minimaler Verzögerung einstellen und damit ein sehr dynamisches Fahrverhalten realisieren. Die entsprechende Ansteuerung des Bypassventils lässt sich dabei auch als Vorsteuerung in eine bestehende Ladedruckregelung integrieren.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als charakteristische Größe für den Strömungswiderstand ein Öffnungsgrad des mindestens einen Stellgliedes gewählt wird. Auf diese Weise lässt sich mit dem Öffnungsgrad direkt die Stellgröße des mindestens einen Stellgliedes zur Einstellung des vorgegebenen Druckes beeinflussen und damit eine schnellstmögliche und exakte Einstellung des vorgegebenen Druckes realisieren.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aus dem vorgegebenen Druck, einem Massenstrom durch die Massenstromleitung und einer Temperatur des Massenstroms stromauf des mindestens einen Stellgliedes in der Massenstromleitung ein dem Kehrwert des Strömungswiderstandes proportionaler Durchsatzkennwert ermittelt wird und dass aus den Durchsatzkennwert der für den Strömungswiderstand charakteristische Wert abgeleitet wird. Auf diese Weise lässt sich der für den Strömungswiderstand charakteristische Wert aus dem vorgegebenen Druck besonders einfach und wenig aufwändig herleiten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Stellglied eine variable Geometrie einer Turbine in der Massenstromleitung oder ein Bypassventil eines einer Turbine in der Massenstromleitung parallelgeschalteten Bypasses verwendet wird. Auf diese Weise lässt sich das Ansprechen eines Abgasturboladers zur Einstellung eines gewünschten Abgasgegendruckes bzw. eines gewünschten Ladedruckes beschleunigen.
Ein verbessertes und beschleunigtes Ansprechverhalten lässt sich auch für die Einstellung einer gewünschten Abgasrückführrate bei einer Brennkraftmaschine erzielen, wenn das Stellglied als Abgasrückführventil in einem Abgasrückführkanal der Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn aus der für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung einzustellenden und dem vorgegebenen Druck zugeordneten charakteristischen Größe eine für den Strömungswiderstand des mindestens einen Stellgliedes charakteristische Größe ermittelt und durch Steuerung des Stellgliedes eingestellt wird. Auf diese Weise lässt sich der für die Massenstromleitung einzustellende Strömungswiderstand besonders einfach durch Einstellung des daraus abgeleiteten Strömungswiderstandes des mindestens einen Stellgliedes realisieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Stellglieder verwendet werden und wenn der Stellbereich zur Einstellung der für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung charakteristischen Größe durch die Stellbereiche der einzelnen Stellglieder zur Einstellung der für den Strömungswiderstand der einzelnen Stellglieder charakteristischen Größen gebildet wird. Auf diese Weise lässt sich der einzustellende Strömungswiderstand der Massenstromleitung auch mit Hilfe einer Kaskadierung von Stellgliedern realisieren, wie es beispielsweise bei mehrstufigen Aufladungen bei einer Brennkraftmaschine der Fall sein kann. Bei der Verwendung mehrerer Stellglieder zur Einstellung des gewünschten Strömungswiderstandes der Massenstromleitung lässt sich der gewünschte Strömungswiderstand der Massenstromleitung auch differenzierter einstellen. Das bedeutet, dass mehr Freiheitsgrade für die Einstellung des gewünschten Strömungswiderstandes der Massenstromleitung vorhanden sind und genutzt werden können ohne dass Abstriche bei der Ansprechzeit zur Umsetzung des gewünschten Strömungswiderstandes der Massenstromleitung hingenommen werden müssen.
Vorteilhaft ist dabei besonders, wenn die Stellbereiche mindestens zweier Stellglieder überlappend angesteuert werden. Auf diese Weise gibt es einen Übergangsbereich, in dem der ge wünschte Strömungswiderstand der Massenstromleitung durch Ansteuerung dieser beiden Stellglieder eingestellt werden kann. Somit lassen sich Toleranzen insbesondere für den Fall ausgleichen, in dem die beiden Stellglieder beispielsweise jeweils einer Turbine eines Abgasturboladers zugeordnet sind, um den Ladedruck bzw. den Abgasgegendruck zu steuern. Die Toleranzen ergeben sich dabei beispielsweise aufgrund unterschiedlichen Ansprechverhaltens der Turbinen der Abgasturbolader.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Stellbereiche sämtlicher Stellglieder überlappungsfrei angesteuert werden. Auf diese Weise lässt sich für die Realisierung des gewünschten Strömungswiderstandes der Massenstromleitung ein möglichst großer gesamter Stellbereich realisieren.
Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn als Massenstromleitung ein Abgasstrang einer Brennkraftmaschine gewählt wird, wobei das Abgas mindestens eine Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers, antreibt, und wenn mindestens einer Turbine ein Stellglied zugeordnet wird, durch das der Strömungswiderstand des Abgasstranges im Bereich dieser Turbine in Abhängigkeit des vorgegebenen Druckes stromauf der ersten Turbine im Abgasstrang beeinflusst wird. Auf diese Weise lässt sich die Ansprechzeit des Abgasturboladers zur Umsetzung eines gewünschten Ladedruckes bzw. eines gewünschten Abgasgegendruckes minimieren.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine schematische Ansicht einer Massenstromleitung mit einem Stellglied, 2 eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, 3 ein Diagramm, das den Verlauf des Kehrwertes des gesamten Strömungswiderstandes der Massenstromleitung über einem Durchsatzkennwert darstellt, und 4 einen Ablaufplan für einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 kennzeichnet 15 eine Massenstromleitung. Die Massenstromleitung 15 kann bspw. Bestandteil einer Brennkraftmaschine 35 sein. Die Brennkraftmaschine 35 kann bspw. ein Fahrzeug antreiben. In der Massenstromleitung 15 ist ein Stellglied 1 angeordnet. Das Stellglied 1 kann bspw. als Drosselklappe ausgebildet sein. In diesem Fall stellt die Massenstromleitung 15 eine Luftzufuhr der Brennkraftmaschine 35 dar, über die einem oder mehreren Zylindern 111, 112, 113, 114 der Brennkraftmaschine 35 Frischluft zuführbar ist. Bei dem Stellglied 1 kann es sich auch um ein Abgasrückführventil handeln. In diesem Fall stellt die Massenstromleitung 15 einen Abgasrückführkanal der Brennkraftmaschine 35 dar, über den Abgas aus einem Abgasstrang 20 der Brennkraftmaschine 35 in die Luftzufuhr der Brennkraftmaschine 35 zurückgeführt wird. Das Stellglied 1 kann auch als Bypassventil in einem Bypass der Brennkraftmaschine 35 ausgebildet sein. Ein solcher Bypass kann bspw. die Drosselklappe in der Luftzufuhr der Brennkraftmaschine 35 umgehen oder aber eine Turbine eines Abgasturboladers im Abgasstrang 20 der Brennkraftmaschine 35 oder einen Verdichter in der Luftzufuhr der Brennkraftmaschine 35. Das Stellglied 1 kann auch zur Veränderung einer Geometrie einer Turbine eines Abgasturboladers im Abgasstrang 20 der Brennkraftmaschine 35 verwendet werden. Die Strömungsrichtung des Massenstroms in der Massenstromleitung 15 ist in 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die Massenstromleitung 15 umfasst gemäß dem Beispiel nach 1 einen Massenstrommesser 40, der bspw. als Heißfilm-Massenstrommesser ausgebildet sein kann. Der Massenstrommesser 40 ist dabei stromauf des Stellgliedes 1 in der Massenstromleitung 15 angeordnet. Er misst den Massenstrom m . durch die Massenstromleitung 15 und leitet den Messwert an eine Steuerung 60 weiter. Ferner ist in der Massenstromleitung 15 stromauf des Stellgliedes 1 ein Temperatursensor 45 angeordnet, der die Temperatur T3 des Massenstroms stromauf des Stellgliedes 1 misst und den Messwert an die Steuerung 60 weiterleitet. Stromab des Stellgliedes 1 ist in der Massenstromleitung 15 ein Drucksensor 50 angeordnet, der den Druck p4 stromab des Stellgliedes 1 in der Massenstromleitung 15 misst und den Messwert an die Steuerung 60 weiterleitet. Ferner ist eine Vorgabeeinheit 55 vorgesehen, die einen einzustellenden Wert für den Druck p3 stromauf des Stellgliedes 1 in der Massenstromleitung 15 vorgibt.
Der Druckverlust über dem Stellglied 1 lässt sich mit dem Strömungswiderstandsbeiwert ζ wie folgt schreiben:
Dabei ist Δp = p3 – p4. ζ_k ist der Strömungswiderstandsbeiwert für ein k-tes Stellglied in der Massenstromleitung 15 mit k = 1...n und n gleich der Anzahl der in der Massenstromleitung 15 verwendeten Stellglieder. Der Strömungswiderstandsbeiwert kann bspw. für das entspre chende Stellglied experimentell ermittelt werden. Gemäß 1 ist n = 1, d. h. es wird nur ein Stellglied verwendet. ρ ist die Dichte der durch die Massenstromleitung 15 transportierten Masse, also beispielsweise die Dichte der Frischluft im Falle der Ausbildung der Massenstromleitung 15 als Luftzufuhr der Brennkraftmaschine 35 oder die Dichte des Abgases im Falle der Ausbildung der Massenstromleitung 15 als Abgasstrang der Brennkraftmaschine 35. v ist die Strömungsgeschwindigkeit durch das Stellglied 1 und ergibt sich nach folgender Beziehung:
V . ist der Volumenstrom durch das Stellglied 1. Daraus folgt mit der Öffnungsquerschnittsfläche A des Stellgliedes 1, das sich wie eine Blende verhält, der Massenstrom m . zu:
Werden zwei Blenden mit den Strömungswiderstandsbeiwerten ζ₁, ζ₂ und den beiden Öffnungsquerschnittsflächen A1, A2 parallel geschaltet, so gilt für den gesamten Massenstrom m ._ges bei gleicher Druckdifferenz Δp:
Aus der Öffnungsquerschnittsfläche Ak und dem Strömungswiderstandsbeiwert ζ_k einer Blende lässt sich analog zum elektrischen Widerstand der Strömungswiderstand Rk wie folgt bestimmen:
Es gelten dann die gleichen Gesetze wie für die Parallelschaltung von elektrischen Widerständen. Im Falle einer Parallelschaltung von n Blenden in der Massenstromleitung 15 ergibt sich somit für den Kehrwert des gesamten Strömungswiderstandes Rges:
Dabei sind R1, ..., Rn die Strömungswiderstände der n Blenden.
Eine solche Parallelschaltung wird dadurch gebildet, dass sich die Massenstromleitung 15 in n parallele Zweige aufteilt, wobei in jedem dieser Zweige ein Stellglied bzw. eine Blende angeordnet ist. Anschließend vereinigen sich die Zweige wieder. Ist in einem dieser Zweige keine Blende angeordnet, so ergibt sich der Strömungswiderstand in diesem Zweige in entsprechender Weise gemäß Gleichung (5), wobei die Öffnungsquerschnittsfläche der effektiven Querschnittsfläche des Zweiges entspricht und der Strömungswiderstandsbeiwert bspw. experimentell bestimmt werden kann.
Werden zwei Blenden in Reihe geschaltet, so fließt durch beide der gleiche Massenstrom m . gemäß Gleichung (3) und (5). Daraus folgt für den gesamten Strömungswiderstand Rges:
Dabei ist p0 der Druck stromauf der ersten Blende, p1 der Druck stromab der ersten Blende und stromauf der zweiten Blende und p2 der Druck stromab der zweiten Blende. R1 ist der Strömungswiderstand der ersten Blende und R2 ist der Strömungswiderstand der zweiten Blende.
Bei der Reihenschaltung muss daher beachtet werden, dass die Druckdifferenz Δp im Radikand steht und daher die Quadrate der Strömungswiderstände R1, ..., Rn im Falle einer Reihen schaltung aus n Blenden addiert werden müssen.
Nach den Gleichungen (1) und (2) und (5) folgt für die Druckdifferenz Δp über dem Stellglied 1 bzw. über mehreren parallel und/oder in Reihe geschaltete Stellglieder mit dem gesamten Strömungswiderstand Rges in der Massenstromleitung 15 im Falle der Durchleitung eines idealen Gases:
Dabei ist R_Gas die Gaskonstante des idealen Gases. Im Falle der Durchleitung von Frischluft durch die Massenstromleitung 15 wird an Stelle von R_Gas die Gaskonstante R_Frischgas für die Frischluft und im Falle der Durchleitung von Abgas durch die Massenstromleitung 15 wird an Stelle von R_Gas die Gaskonstante R_Abgas für das Abgas in Gleichung (9) verwendet. p3 und T3 sind dabei der Druck und die Temperatur stromauf des Stellgliedes 1 bzw. sämtlicher Stellglieder, die den gesamten Strömungswiderstand Rges bilden. Weiterhin gilt für die Herleitung von Gleichung (9) aus Gleichung (1):
Mit Einführung des Durchsatzkennwertes DKW gemäß
folgt für den Kehrwert des gesamten Strömungswiderstand Rges:
Erfindungsgemäß ist es nun im Hinblick auf die Anordnung nach 1 vorgesehen, dass der einzustellende Druck p3 stromauf des Stellgliedes 1 von der Vorgabeeinheit 55 vorgegeben und dieser Vorgabewert an die Steuerung 60 weitergeleitet wird. Die Steuerung 60 ermittelt dann gemäß Gleichung (11) außen dem vom Massenstrommesser 40 gemessenen Massenstrom m ., der vom Temperatursensor 45 ermittelten Temperatur T3 stromauf des Stellgliedes 1 und dem vorgegebenen Druck p3 stromauf des Stellgliedes 1 den Durchsatzkennwert DKW. Mit Hilfe von Gleichung (12) wird dann aus dem vorgegebenen Druck p3 stromauf des Stellgliedes 1, dem vom Drucksensor 50 gemessenen Druck p4 stromab des Stellgliedes 1, der Gaskonstanten R_Gas und dem nach Gleichung (11) ermittelten Durchsatzkennwert DKW der gesamte Strömungswiderstand Rges, d. h. in diesem Fall der Strömungswiderstand des Stellgliedes 1 ermittelt, der erforderlich ist, um den vorgegebenen Druck p3 stromauf des Stellgliedes 1 zu erzielen. Die Gaskonstante R_Gas ist in der Motorsteuerung 60 für das durch die Massenstromleitung 15 geleitete Gas bekannt. Das Stellglied 1 wird nun derart angesteuert, dass sich der ermittelte Strömungswiderstandes ergibt. Gemäß Gleichung (5) kann bei bekanntem Strömungswiderstandbeiwert ζ_k des Stellgliedes 1 die zur Erzielung des gewünschten Strömungswiderstandes erforderliche Öffnungsquerschnittsfläche Ak des Stellgliedes 1 ermittelt und eingestellt werden. Die Öffnungsquerschnittsfläche Ak des Stellgliedes 1 ist eine für den Strömungswiderstand des Stellgliedes 1 charakteristische Größe. Wird das Stellglied 1 von der Steuerung 60 zur Einstellung des erforderlichen Strömungswiderstandes bzw. der zugeordneten Öffnungsquerschnittsfläche angesteuert, lässt sich der vorgegebene Druck p3 stromauf des Stellgliedes 1 mit minimaler Verzögerung einstellen. Die Öffnungsquerschnittsfläche entspricht dabei einem Öffnungsgrad des Stellgliedes 1 bzw. ist diesem in der Steuerung 60 zugeordnet. Somit kann zur Erzielung der erforderlichen Öffnungsquerschnittsfläche das Stellglied 1 von der Steuerung 60 bspw. auch zur Einstellung des entsprechenden Öffnungsgrades angesteuert werden. Auch der Öffnungsgrad des Stellgliedes 1 ist somit eine für den Strömungswiderstand des Stellgliedes 1 charakteristische Größe. Zweckmäßig ist hierbei die Abhängigkeit des Strömungswiderstands vom Ansteuersignal für das Stellglied 1 in Form einer Kennlinie abzulegen.
Im Folgenden wird beispielhaft angenommen, dass es sich bei der Massenstromleitung 15 um den Abgasstrang der Brennkraftmaschine 35 handelt. Diese Situation ist in 2 dargestellt.
Dort wird der Abgasstrang mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Einem Motorblock 65 mit den vier Zylindern 111, 112, 113, 114 ist dabei Frischluft über eine Luftzufuhr 95 zugeführt. Dabei ist stromauf des Motorblocks 65 zunächst ein erster Ladeluftkühler 80 angeordnet. Stromauf des ersten Ladeluftkühlers 80 ist eine Parallelschaltung aus einem ersten Verdichter 70 und einem dritten Bypass mit einem dritten Bypassventil 90 angeordnet. Stromauf dieser Parallelschaltung ist ein zweiter Ladeluftkühler 85 angeordnet. Stromauf des zweiten Ladeluftkühlers 85 ist ein zweiter Verdichter 75 angeordnet. Der erste Verdichter 70 und der zweite Verdichter 75 verdichten die dem Motorblock 65 zugeführte Luft. Durch den ersten Ladeluftkühler 80 und den zweiten Ladeluftkühler 85 wird die verdichtete Luft wieder abgekühlt. Durch den dritten Bypass mit dem dritten Bypassventil 90 lässt sich die Verdichtungsleistung des ersten Verdichters 70 beeinflussen, indem mehr oder weniger Luft vom ersten Verdichter 70 abgezweigt und durch das dritte Bypassventil 90 je nach Öffnungsgrad des dritten Bypassventils 90 geleitet wird. Der erste Verdichter 70 wird über eine erste Welle 100 von einer ersten Turbine 25 im Abgasstrang 20 der Brennkraftmaschine 35 angetrieben. Dabei ist der ersten Turbine 25 ein erster Bypass mit einem ersten Bypassventil 5 parallel geschaltet. Stromab dieser Parallelschaltung ist im Abgasstrang 20 eine Parallelschaltung aus einer zweiten Turbine 30 und einem zweiten Bypass mit einem zweiten Bypassventil 10 angeordnet. Die zweite Turbine 30 treibt dabei über eine zweite Welle 105 den zweiten Verdichter 75 an. Der erste Verdichter 70, die erste Welle 100 und die erste Turbine 25 bilden einen ersten Abgasturbolader und der zweite Verdichter 75, die zweite Welle 105 und die zweite Turbine 30 bilden einen zweiten Abgasturbolader. Es sei nun zunächst vereinfachend angenommen, dass nur der erste Abgasturbolader vorhanden ist, nicht jedoch der zweite Abgasturbolader. Sowohl das erste Bypassventil 5 als auch die erste Turbine 25 können jeweils als Blende betrachtet werden. Somit ergibt sich eine Parallelschaltung aus zwei Blenden im Abgasstrang 20. Stromauf dieser Parallelschaltung herrscht der Druck p3 und die Temperatur T3, stromab der Parallelschaltung herrscht der Druck p4. Der gesamte Strömungswiderstand Rges der beiden parallelgeschalteten Blenden ergibt sich somit zu
wobei R1 der Strömungswiderstand der ersten Turbine 25 und R2 der Strömungswiderstand des ersten Bypassventils 5 ist. Der Strömungswiderstand einer Turbine lässt sich aus deren Kennlinie ermitteln und ist näherungsweise konstant, wobei für die Turbine gilt:
Dabei ist in Gleichung (14) V . der Volumenstrom durch die Turbine und R der Strömungswiderstand der Turbine. Der Strömungswiderstand R1 der ersten Turbine ist in der Steuerung 60 bekannt. Somit lässt sich nach Ermittlung des gesamten Strömungswiderstandes Rges gemäß Gleichung (12) mit Hilfe von Gleichung (13) der erforderliche Strömungswiderstand R2 des ersten Bypassventils 5 ermitteln. Die Steuerung 60 kann dann das erste Bypassventil 5 zur Einstellung dieses Strömungswiderstandes R2 ansteuern, bspw. durch entsprechende Ansteuerung der Öffnungsquerschnittsfläche oder des Öffnungsgrades des ersten Bypassventils 5. Der gesamte Strömungswiderstand Rges ist eine charakteristische Größe für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung, in diesem Fall des Abgasstranges 20.
Im Folgenden wird nun die Realisierung der Brennkraftmaschine 35 nach 2 mit beiden Abgasturboladern betrachtet. In diesem Fall ergibt sich eine Reihenschaltung aus zwei Parallelschaltungen jeweils zweier Blenden. Der gesamte Strömungswiderstand Rges ergibt sich somit wie folgt:
wobei R1 der Strömungswiderstand der ersten Turbine 25, R2 der Strömungswiderstand des ersten Bypassventils 5, R3 der Strömungswiderstand der zweiten Turbine 30 und R4 der Strömungswiderstand des zweiten Bypassventils 10 ist. Die Strömungswiderstände R1, R3 der ersten Turbine 25 und der zweiten Turbine 30 sind dabei konstant und in der Steuerung 60 vorbekannt.
In 3 ist ein Diagramm des Verlaufs des Kehrwertes des gesamten Strömungswiderstandes Rges über dem Durchsatzkennwert DKW multipliziert mit
wobei p3 nach wie vor der stromauf der ersten Turbine 25 einzustellende Druck ist und p4 jetzt der stromab der zweiten Turbine 30 herrschende Druck ist. Bis zu einem ersten Wert D1 für das Produkt
ist der gesamte Strömungswiderstand R_ges maximal und weist den Wert Rmax auf. In diesem Fall sind beide Bypassventile 5, 10 im Abgasstrang 20 vollständig geschlossen. Ein größerer gesamter Strömungswiderstand als der maximale Strömungswiderstand Rmax lässt sich somit nicht einstellen. Vom ersten Wert D1 bis zu einem zweiten Wert D2 für das Produkt
nimmt der Kehrwert des gesamten Strömungswiderstandes Rges linear bis zu einem Wert
zu, wobei ein erster Minimalwert Rmin1 für den gesamten Strömungswiderstand Rges erreicht wird. Dies ist dann der Fall, wenn das erste Bypassventil 5 vollständig geöffnet wurde, während das zweite Bypassventil 10 noch vollständig geschlossen ist. Vom zweiten Wert D2 bis zu einem dritten Wert D3 für das Produkt
nimmt der Kehrwert des gesamten Strömungswiderstandes Rges linear bis zu einem Wert
zu, wobei ein zweiter Minimalwert Rmin2 für den gesamten Strömungswiderstand Rges erreicht wird. Dies ist dann der Fall, wenn das erste Bypassventil 5 und das zweite Bypassventil 10 vollständig geöffnet sind. Anschließend, also für Werte größer dem dritten Wert D3 lässt sich der gesamte Strömungswiderstand Rges nicht mehr weiter reduzieren, sodass der Kehrwert des gesamten Strömungswiderstandes Rges dann konstant bleibt. Somit wird der Stellbereich zur Einstellung des gesamten Strömungswiderstandes Rges in zwei Stellbereiche aufgeteilt, die von jeweils einem der beiden Bypassventile 5, 10 im Abgasstrang 20 durchfahren werden können und die überlappungsfrei von den beiden Bypassventilen 5, 10 im Abgasstrang 20 durch die Steuerung 60 wie beschrieben eingestellt werden. Dabei wird bei geschlossenem zweiten Bypassventil 10 das erste Bypassventil 5 auf einen Wert zwischen dem vollständig geschlossenen Zustand und dem vollständig geöffneten Zustand angesteuert, um einen gesamten Strömungswiderstand Rges zwischen dem ersten Minimalwert Rmin1 und dem maximalen Strömungswiderstand Rmax einzustellen. Soll jedoch der gesamte Strömungswiderstand Rges zwischen dem zweiten Minimalwert Rmin2 und dem ersten Minimalwert Rmin1 liegen, so wird bei vollständig geöffnetem ersten Bypassventil 5 das zweite Bypassventil 10 auf einen Wert zwischen dem vollständig geschlossenen Zustand und dem vollständig geöffneten Zustand angesteuert. Bei vollständig geöffnetem ersten By passventil 5 kann quasi wieder ein einstufiger Betrieb der Brennkraftmaschine 35 hinsichtlich der Aufladung herrschen, bei dem nahezu ausschließlich die zweite Turbine 30 beaufschlagt wird. Alternativ können die beiden Stellbereiche auch überlappen, sodass sich ein Übergangsbereich bildet, in dem der gesamte Strömungswiderstand Rges dadurch eingestellt wird, dass sowohl das erste Bypassventil 5 als auch das zweite Bypassventil 10 jeweils auf einen Wert zwischen dem vollständig geschlossenen Zustand und dem vollständig geöffneten Zustand von der Steuerung 60 angesteuert werden, wobei beide Bypassventile 5, 10 im Abgasstrang 20 weder vollständig geöffnet noch vollständig geschlossen sind. Dadurch wird zwar der gesamte Stellbereich etwas verkleinert aber es können Toleranzen beim Betrieb der beiden Turbinen 25,30 ausgeglichen werden und bspw. verhindert werden, dass eine der beiden Turbinen 25,30 mit zu hoher Drehzahl betrieben wird. Dabei kann durch vorzeitige Öffnung des zweiten Bypassventils 10 die zweite Turbine 30 vor Betrieb mit zu hoher Drehzahl und damit vor Schäden bewahrt werden. Vorzeitige Öffnung des zweiten Bypassventils 10 bedeutet, dass das zweite Bypassventil 10 geöffnet wird, bevor das erste Bypassventil 5 vollständig geöffnet ist.
In entsprechender Weise lässt sich ein Betrieb der Brennkraftmaschine 35 mit Abgasturbolader realisieren, bei dem der entsprechenden Turbine nicht ein Bypass mit Bypassventil parallelgeschaltet ist, sondern der Strömungswiderstand im Bereich der Turbine mit Hilfe einer variablen Einstellung der Turbinengeometrie erfolgt. In diesem Fall veranlasst die Steuerung die Einstellung einer dem einzustellenden Strömungswiderstand zugeordneten Geometrie der Turbine mittels eines entsprechenden Stellgliedes.
Bei den Bypassventilen kann es sich bspw. um Drosselklappen bzw. so genannte Abgasklappen handeln, die in entsprechender Weise von der Steuerung 60 angesteuert werden.
In entsprechender Weise lässt sich ein Betrieb der Brennkraftmaschine 35 auch mit mehr als 2 Abgasturboladern realisieren, wobei der gesamte Strömungswiderstand Rges gemäß Gleichung (6) bzw. Gleichung (8) ermittelt werden muss und sich der gesamte Stellbereich für den gesamten Strömungswiderstand Rges in Anlehnung an 3 in mehr als 2 Stellbereiche aufteilt, sofern mehr als 2 Abgasturboladern bzw. mehr als zwei Turbinen jeweils ein Stellglied zugeordnet ist. Dabei kann es auch vorgesehen sein, nicht jeder Turbine ein Stellglied zur Beeinflussung der Strömungswiderstandes im Bereich der Turbine zuzuordnen. Weiterhin ist es möglich, bei einem Abgasturbolader ein Stellglied zur Beeinflussung der Strömungswiderstandes als Bypassventil in einem Bypass zur zugehörigen Turbine auszubilden und bei ei nem anderen Abgasturbolader ein Stellglied zur Beeinflussung der Strömungswiderstandes derart auszubilden, dass es die Geometrie der zugehörigen Turbine beeinflusst. Auch kann der Strömungswiderstand in dem Bereich einer Turbine durch mehrere Stellglieder beeinflusst werden. Dies kann durch mehrere Bypässe mit jeweils einem Bypassventil oder durch mindestens einen Bypass mit einem Bypassventil und einem Stellglied zur Beeinflussung der Geometrie der Turbine erreicht werden.
Somit lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der gesamte einzustellende Strömungswiderstand Rges berechnen und direkt über mindestens ein Stellglied einstellen. Damit wird ein sehr dynamisches Fahrverhalten ermöglicht. Die beschriebene Ansteuerung des mindestens einen Stellgliedes durch die Steuerung 60 lässt sich auch als Vorsteuerung in eine bestehende Ladedruckregelung integrieren. Wie aus Gleichung (11) für den Durchflusskennwert DKW ersichtlich ist, spielen der Abgasmassenstrom als der den Abgasstrang 20 durchfließende Massenstrom m . und die Abgastemperatur T3 stromauf der ersten Turbine 25 eine zentrale Rolle für die beschriebene Ansteuerung der Bypassventile 5, 10 im Abgasstrang 20 gemäß der Ausführungsform nach 2. Wie gemäß 1 beschrieben, können die entsprechenden Größen mittels des Massenstrommessers 40 und des Temperatursensors 45 gemessen werden. Sie können aber auch in dem Fachmann bekannter Weise aus Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 35 modelliert werden. Für die Abgastemperatur T3 ist es dabei vorteilhaft, wenn diese prädiziert werden kann. Die sich bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 35 stationär einstellende Abgastemperatur T3 lässt sich dabei bspw. mittels eines auf einem Prüfstand applizierten Kennfeldes in Abhängigkeit der Motordrehzahl und der Motorlast, die bspw. aus der zugeführten Kraftstoffmenge in dem Fachmann bekannter Weise ermittelt werden kann, prädizieren. Auf diese Weise wird direkt nach einem Last- oder Drehzahlwechsel die stationär erreichbare Abgastemperatur T3 zur Ansteuerung der Bypassventile 5,10 im Abgasstrang 20 verwendet, wodurch die Bypassventile 5,10 ebenfalls auf eine prädizierte Position hinsichtlich ihres Öffnungsgrades gefahren werden können und somit eine noch schnellere Einstellung des gewünschten Abgasgegendruckes p3 stromauf der ersten Turbine 25 realisiert werden kann. Der Druck p4 stromab der zweiten Turbine 30 kann ebenfalls durch einen Drucksensor wie den Druckssensor 50 gemäß 1 gemessen werden oder in dem Fachmann bekannter Weise modelliert werden. Bei der Modellierung des Abgasmassenstroms, der Abgastemperatur T3 und des Druckes p4 stromab der zweiten Turbine 30 kann auf die entsprechenden Sensoren auch verzichtet werden. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn der Druck p4 stromab der zweiten Turbine 30 gegenüber dem vorgegebenen Druck p3 stromauf der ersten Turbine 25 sehr viel kleiner ist. In diesem Fall kann der Druck p4 stromab der zweiten Turbine 30 vernachlässigt werden, sodass sich Gleichung (12) vereinfacht wie folgt schreibt:
Der Abgasgegendruck, also der Druck p3 stromauf der ersten Turbine 25 kann betriebspunktabhängig aus einem Kennfeld ermittelt werden, dessen Eingangsgrößen die Motordrehzahl und die Motorlast sind. Der Abgasgegendruck p3 als Ausgangsgröße dieses Kennfeldes ist dabei entsprechend einem für diesen Betriebspunkt, also die aktuelle Motordrehzahl und Motorlast in der Luftzufuhr 95 stromab des ersten Verdichters 70 einzustellenden Ladedruckes in dem Fachmann bekannter Weise vorgegeben. Das Kennfeld kann ebenfalls auf einem Prüfstand geeignet appliziert werden. Somit lässt sich der für einen aktuellen Betriebspunkt hinsichtlich Motordrehzahl und Motorlast einzustellende Ladedruck durch Ansteuerung mindestens eines der beiden Bypassventile 5, 10 im Abgasstrang 20 einfach und schnell umsetzen.
Die Berechnung mit Hilfe der Blendengleichung gemäß Gleichung (1) stellt eine Vereinfachung für eine polytrope Zustandsänderung für eine Düsenströmung dar. Würde man diese zu Grunde legen, folgt anstelle Gleichung (12)
und A_T,eff der Ersatzquerschnittsfläche für eine ersatzweise verwendete Düse und ψ der Durchflussfunktion, wobei n der Polytropenexponent ist.
Damit folgt für den gesamten Strömungswiderstand
Diese Berechnung ist jedoch lediglich für Durchsätze von Bedeutung, bei denen Geschwindigkeiten um die Schallgeschwindigkeit auftreten. Für das beschriebene Steuerungsverfahren ändert sich dadurch grundsätzlich nichts.
In 4 ist ein Ablaufplan für einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 35 dargestellt. Nach dem Start des Programms ermittelt die Steuerung 60 bei einem Programmpunkt 200 aus dem Signal der Vorgabeeinheit 55 den einzustellenden Abgasgegendruck p3 stromauf der ersten Turbine 25. die Vorgabeeinheit 55 ermittelt den Abgasgegendruck p3 bspw. in der beschriebenen Weise betriebspunktabhängig mittels Kennfeld aus der aktuellen Motordrehzahl und der aktuellen Motorlast. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 205 verzweigt.
Bei Programmpunkt 205 ermittelt die Steuerung 60 die Abgastemperatur T3 stromauf der ersten Turbine 25. Dies geschieht durch Auswertung des Signals des Temperatursensors 45 oder wie beschrieben durch Modellierung. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 210 verzweigt.
Bei Programmpunkt 210 ermittelt die Steuerung 60 den Abgasmassenstrom durch Auswertung des Signals des Massenstrommessers 40 oder durch Modellierung wie beschrieben. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 215 verzweigt.
Bei Programmpunkt 215 ermittelt die Steuerung 60 den Druck p4 stromab der zweiten Turbine 30 durch Auswertung des Signals des dazu verwendeten Drucksensors oder durch Modellierung wie beschrieben. Für den Fall, dass der Druck p4 stromab der zweiten Turbine 30 gegenüber dem vorgegebenen Abgasgegendruck p3 vernachlässigt wird, kann Programmpunkt 215 auch übersprungen werden. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 220 verzweigt.
Bei Programmpunkt 220 ermittelt die Steuerung 60 gemäß Gleichung (11) den Durchflusskennwert DKW aus dem vorgegebenen Abgasgegendruck p3, der Abgastemperatur T3 und dem Abgasmassenstrom. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 225 verzweigt.
Bei Programmpunkt 225 ermittelt die Steuerung 60 den gesamten einzustellenden Strömungswiderstand Rges gemäß Gleichung (12) unter Berücksichtigung des Druckes p4 stromab der zweiten Turbine 30 bzw. gemäß Gleichung (16) ohne Berücksichtigung des Druckes p4 stromab der zweiten Turbine 30. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 230 verzweigt.
Bei Programmpunkt 230 ermittelt die Steuerung 60 für die beiden Bypassventile 5, 10 im Abgasstrang 20 der Brennkraftmaschine 35 jeweils einen Strömungswiderstand, um den gesamten Strömungswiderstand Rges zu erreichen. Dabei kann für jeden im linearen Bereich des Verlaufs des Kehrwerts des gesamten Strömungswiderstandes Rges zwischen dem ersten Wert D1 und dem dritten Wert D3 auftretenden gesamten Strömungswiderstand Rges in der Steuerung 60 ein zugeordnetes Wertepaar eines Strömungswiderstandes für das erste Bypassventil 5 und eines Strömungswiderstandes für das zweite Bypassventil 10 abgelegt sein. Dabei können überlappende oder überlappungsfreie Stellbereiche wie oben beschrieben realisiert sein. Dabei greift die Steuerung 60 auf das dem aktuell einzustellenden gesamten Strömungswiderstand Rges zugeordnete Wertepaar zu und erhält somit einen einzustellenden Strömungswiderstand für das erste Bypassventil 5 und einen einzustellenden Strömungswiderstand für das zweite Bypassventil 10. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 235 verzweigt.
Bei Programmpunkt 235 ermittelt die Steuereinheit die zu den Strömungswiderständen der Bypassventile 5, 10 gehörigen Ansteuersignale für die Bypassventile 5, 10. Der Zusammenhang zwischen Strömungswiderstand eines Bypassventils und dem zugeordneten Ansteuersignal des Bypassventils wird zweckmäßigerweise in Form einer Kennlinie abgelegt.
Bei Programmpunkt 235 steuert die Steuerung 60 das erste Bypassventil 5 zur Einstellung des ihm zugeordneten einzustellenden Strömungswiderstandes und das zweite Bypassventil 10 zur Einstellung des ihm zugeordneten einzustellenden Strömungswiderstandes an. Anschließend wird das Programm verlassen.
Die Vorgabeeinheit 55 und die Steuerung 60 können software- und/oder hardwaremäßig in einer Motorsteuerung des Fahrzeugs implementiert sein.
Mit Hilfe des Abgasgegendrucks p3 erfolgt eine direkte Einflussnahme auf die Turbinenleistung über das Druckverhältnis p3/p4 und damit auf die Verdichterleistung aus der wiederum der Ladedruck resultiert.

Claims

Verfahren zur Steuerung mindestens eines Stellgliedes (1, 5, 10) in einer Massenstromleitung (15, 20), wobei durch die Steuerung des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) der Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck stromauf des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) in der Massenstromleitung (15, 20) vorgegeben wird und dass in Abhängigkeit des vorgegebenen Druckes eine zugehörige für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) charakteristische Größe ermittelt wird und dass das mindestens eine Stellglied (1, 5, 10) zur Einstellung dieser zugehörigen für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) charakteristischen Größe angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Größe für den Strömungswiderstand der Strömungswiderstand selbst gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Größe für den Strömungswiderstand ein Öffnungsgrad des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem vorgegebenen Druck, einem Massenstrom durch die Massenstromleitung (15, 20) und einer Temperatur des Massenstromes stromauf des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) in der Massenstromleitung (15, 20) ein dem Kehrwert des Strömungswiderstandes proportionaler Durchsatzkennwert ermittelt wird und dass aus dem Durchsatzkennwert der für den Strömungswiderstand charakteristische Wert abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied (1, 5, 10) eine variable Geometrie einer Turbine (25, 30) in der Massenstromleitung (15, 20) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied (1, 5, 10) ein Bypassventil eines einer Turbine (25, 30) in der Massenstromleitung (15, 20) parallelgeschalteten Bypasses verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied (1) eine Drosselklappe in einer Luftzufuhr (15) oder ein Abgasrückführventil in einem Abgasrückführkanal einer Brennkraftmaschine (35) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) einzustellenden und dem vorgegebenen Druck zugeordneten charakteristischen Größe eine für den Strömungswiderstand des mindestens einen Stellgliedes (1, 5, 10) charakteristische Größe ermittelt und durch Steuerung des Stellgliedes (1, 5, 10) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stellglieder (5, 10) verwendet werden und dass der Stellbereich zur Einstellung der für den Strömungswiderstand der Massenstromleitung (15, 20) charakteristischen Größe durch die Stellbereiche der einzelnen Stellglieder (5, 10) zur Einstellung der für den Strömungswiderstand der einzelnen Stellglieder (5, 10) charakteristischen Größen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbereiche mindestens zweier Stellglieder (5, 10) überlappend angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbereiche sämtlicher Stellglieder (5, 10) überlappungsfrei angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Massenstromleitung (20) ein Abgasstrang einer Brennkraftmaschine (35) gewählt wird, wobei das Abgas mindestens eine Turbine (25, 30), insbesondere eines Abgasturboladers, antreibt, und dass mindestens einer Turbine (25, 30) ein Stellglied (5, 10) zugeordnet wird, durch das der Strömungswiderstand des Abgasstranges (20) im Bereich dieser Turbine (25, 30) in Abhängigkeit des vorgegebenen Druckes stromauf der ersten Turbine (25) im Abgasstrang (20) beeinflusst wird.