WO2003027464A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben wenigstens eines laders eines verbrennungsmotors - Google Patents

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Ernst Wild
Sabine Wegener
Rainer Hild
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating at least one supercharger of an internal combustion engine.
  • Exhaust gas turbochargers are used in some applications to increase the performance of engines.
  • the exhaust gas volume flow drives a turbine that is connected via a shaft to a compressor that compresses the intake air.
  • the compression ratio is a function of the gas volume flow flowing through the turbine.
  • the exhaust gas turbocharger is designed in such a way that high compression is achieved even with small gas flows.
  • a bypass is placed around the turbine, which is called a "waste gate".
  • a flap or a valve is provided in this bypass, which changes the opening cross section of the bypass.
  • the flap or the valve is actuated by a linkage which is moved by a membrane can.
  • the membrane of the can is connected to the rod.
  • a spring in the can pushes the membrane up.
  • the boost pressure acts on the boost pressure, which is fed from the intake manifold to the membrane can via a hose.
  • the boost pressure has the upper hand and the waste gate opens.
  • This arrangement acts like a mechanical-pneumatic control.
  • certain boost pressures are set in the intake manifold.
  • a timing valve is built into the hose line to the membrane box.
  • the task of the charge pressure regulation of the engine control is to control this cycle valve in such a way that a desired charge pressure is set.
  • a desired charge pressure is set.
  • As the cycle ratio increases more and more air is blown out of the hose line into the open. This reduces the back pressure against the spring, the waste gate closes, and the boost pressure increases (see e.g. Bosch, Kraftfahrtechnisch.es Taschenbuch, 22nd edition, pages 475 and 476).
  • Flap through an electrical actuator This eliminates the pneumatic negative feedback via the boost pressure, which makes the exhaust gas turbocharger inherently stable.
  • the pneumatic negative feedback increases the opening cross-section with increasing boost pressure and thus prevents the turbine from over-rotating. Without a pneumatic negative feedback, the exhaust gas turbocharger is also positive feedback and therefore unstable.
  • Other adjustment mechanisms are, for example, a variable turbine geometry, a variable slide turbine or a flap in the waste gate, which is moved with an actuator. These actuators also at least partially lack the negative feedback characteristic.
  • a charge pressure control that can be used universally and ensures the stability of the exhaust gas turbocharger.
  • an electric compressor connected in series is used to improve the response behavior of an exhaust gas turbocharger. This is set, for example, below a predetermined engine speed when the driver requests acceleration (see, for example, US Pat. No. 6,029,452).
  • a boost pressure control should also be usable with such an arrangement.
  • an exhaust gas turbocharger system By controlling the supercharger system depending on the exhaust gas volume flow, the controllability of an exhaust gas turbocharger system is ensured by means of an electronic boost pressure control.
  • the use of the same control algorithm for different actuator types is advantageously made possible. This is because the negative feedback properties that are missing when using other actuators on the exhaust gas turbocharger are simulated by the construction of an electrical pilot control of the actuator depending on the exhaust gas volume flow. This also effectively prevents damage to the charger system when the boost pressure controller parameters are applied.
  • the switch-on time and the switch-on time of the additional electrical compressor are advantageously derived on the basis of the exhaust gas volume flow, in that the additional compressor is only switched on until the exhaust gas volume flow has reached the turbine demand volume flow. This advantageously means that the on-time of the e- additional electrical compressor and thus minimizes the battery load.
  • the additional compressor is only switched on when a target boost pressure is required which exceeds the basic boost pressure.
  • FIG. 1 shows an overview of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, the control of which is shown in FIG. 2 using a flow chart.
  • FIG. 3 shows an overview of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an electrical auxiliary charger, the control of which is shown in FIG. 4 using a further flow chart.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 10, which comprises an intake system 12 with a throttle valve 14 and an exhaust system 16.
  • the turbine 18 of an exhaust gas turbocharger is arranged in the exhaust system 16 and is connected via a mechanical connection 20 to the compressor 22 arranged with the intake manifold.
  • An electrically actuable valve 26 is provided in a bypass channel 24 around the turbine 18 of the exhaust gas turbocharger.
  • Various sensors are used to record various operating variables in the area of the internal combustion engine. A selection of these sensors is shown in FIG. 1 with a view to the procedure described below: a Air mass meter 28, an intake manifold pressure sensor 30, an engine speed sensor 32, an exhaust gas pressure sensor 34 and an exhaust gas temperature sensor 36.
  • an electronic control unit 38 is shown, to which lines are supplied by the sensors mentioned: a line 40 from the air mass meter 28, a line 42 from the intake manifold pressure sensor 30, a line 44 from the speed sensor 32, a line 46 from the exhaust gas pressure sensor 34 and a line 48 from the exhaust gas temperature sensor 36. Furthermore, the control unit 38 has an output line 50 which serves to control the electrically actuable valve 26. In addition to the input and output lines shown, further input and output lines are provided which are necessary for controlling the internal combustion engine. These are symbolized in FIG. 1 with lines 52 to 56 or 58 to 62 and are not detailed, since they are only of secondary importance in connection with the procedure described below for operating the charger.
  • the input lines 52 to 56 connect the control unit 38 to sensors such as lambda sensors, temperature sensors, etc., while the output lines 58 to 62 are routed to injection valves, ignition output stages, throttle valve actuators, exhaust gas recirculation valves, etc.
  • the actuating element 26 is an actuating motor which, at the location of the membrane box and the clock valve, moves the linkage which adjusts the bypass cross section of the bypass line 24.
  • the procedure can, however, also be used in systems which have a different structure of the actuator, for example also on electrically operable valves.
  • the basic principle of the procedure is that, depending on the exhaust gas volume flow, the actuating element 26 is actuated, and thus a pilot control for the charge pressure control is generated, which simulates the negative feedback properties.
  • the exhaust gas volume flow is calculated depending on the engine speed and setpoint pressure, at which the setpoint pressure is established. In the preferred exemplary embodiment, this takes place by means of a map in which parameters are stored which take into account the mechanical and geometric properties of the turbocharger system.
  • the exhaust gas volume flow generated by the engine is calculated. This is done, for example, by means of a model in which the exhaust gas volume flow is determined depending on the air mass flow ml (measured by the air mass meter 28), the exhaust gas temperature and the exhaust gas pressure.
  • the difference between the target exhaust gas volume flow and the current exhaust gas volume flow results in the exhaust gas volume flow that is to flow to the turbine via the bypass.
  • This volume flow is modulated by the output signal of the charge pressure regulator, which is interpreted as the differential volume flow.
  • the difference between the target and actual volume flow plus the volume flow calculated by the boost pressure controller is evaluated to determine the position of the electrical actuator.
  • a characteristic curve is provided, for example, in which the volume flow is converted into a control signal.
  • the pilot control shown above the exhaust gas volume flow has negative feedback properties, which is achieved by taking the exhaust gas volume flow generated by the engine into account. If the desired volume flow is passed over the turbine, the turbine speed increases and with it the speed
  • Proportional, integral and differential behavior which is also used for actuators with negative feedback properties as mentioned at the beginning.
  • the pilot control itself works in such a way that even when the controller is switched off, the opening cross section of the bypass is not constant but increases when the exhaust gas volume flow increases.
  • the procedure described above is implemented in the preferred embodiment as a program of a microcomputer which is part of the control unit 38.
  • the program of the microcomputer comprises the commands required to carry out the procedure.
  • FIG. 2 shows a flow diagram of such a program, the individual blocks representing programs, program parts or program steps, in particular instructions or a sum of instructions, while the connecting lines represent the flow of information.
  • a set volume flow VSTUS over the turbine is calculated in 100 as a function of engine speed nmot and setpoint pressure plsol. In the preferred exemplary embodiment, this takes place in accordance with a characteristic map, in another exemplary embodiment in accordance with calculation steps. Essentially, the desired volume flow will increase with increasing the nominal boost pressure and increasing speed.
  • the target boost pressure itself is determined from a target pressure ratio between the pressure before and the pressure after the compressor. averaged, which in turn depends on the engine speed.
  • the actual exhaust gas volume flow VSABG is determined in 102. In a preferred exemplary embodiment, this actual exhaust gas volume flow is calculated in accordance with the supplied air mass ml, the exhaust gas temperature Tabg and the exhaust gas counterpressure Pabg. The exhaust gas temperature and the supplied air mass are calculated, while the exhaust gas back pressure is measured or calculated according to a model. In the preferred exemplary embodiment, an equation is used to calculate the actual exhaust gas volume flow, which has approximately the following appearance:
  • VSABG k • ML • TABG / PABG
  • the deviation ⁇ VS is fed to a further link point 106.
  • a control algorithm 108 is also provided, which determines an output variable VSBYST as a function of its input variable.
  • the input variable is a deviation ⁇ P, which is formed in the link 110.
  • the controller algorithm then forms the output variable, which corrects the pilot control variable ⁇ VS in the node 106.
  • the correction is carried out, for example, as an addition.
  • the corrected pilot control variable ⁇ VS + VSBYST is converted into a control signal for the actuator of the exhaust gas turbocharger. In the preferred exemplary embodiment, this takes place within the framework of a characteristic curve which assigns an output variable ⁇ to the input variable.
  • a control variable with the variable ⁇ as a parameter is output by the microcomputer or the control unit for controlling the valve or actuator of the charger, which sets a volume flow in the bypass of the turbine. This volume flow corresponds to the volume flow according to feedforward control plus controller correction.
  • a turbocharger system which has an electrical auxiliary charger in addition to the mechanical exhaust gas turbocharger.
  • a turbocharger system which has an electrical auxiliary charger in addition to the mechanical exhaust gas turbocharger.
  • Such a system is shown in the overview in FIG. 3.
  • the system shown in FIG. 1 is supplemented by an auxiliary motor 80 driven by an electric motor, which is arranged downstream of the compressor 22 and upstream of the throttle valve 14 in the intake tract of the internal combustion engine 10.
  • This auxiliary charger is driven by an electric motor 82, which is supplied with a control signal by the control unit 38 via an output line 84.
  • the other components and lines correspond to those shown in FIG. 1, so that they are provided with the same reference symbols and have the same function.
  • Such an electric auxiliary charger is connected in series with the exhaust gas turbocharger and is usually switched on when there is an acceleration request. This compensates for the delayed response when accelerating and optimizes operation.
  • the operating time of the auxiliary electric charger which consumes resources of the vehicle, in particular the battery, should be minimized. It has been shown that this minimization can be achieved if the electric compressor is switched on, if the current exhaust gas volume flow is below the turbine demand flow. These sizes are from the called pilot control available.
  • Another criterion for switching on the additional electric compressor which can be used in addition to the above, is that a target boost pressure is required which exceeds the base pressure.
  • the basic boost pressure is the pressure that arises without special activation of the exhaust gas turbocharger as a result of the air flow to the internal combustion engine.
  • the additional compressor is only switched on until the current exhaust gas volume flow has reached the turbine demand flow. This minimizes the duty cycle of the additional compressor and thus the battery load.
  • the reason for this is that the exhaust gas turbocharger itself has a positive feedback behavior. If the turbine demand volume flow is exceeded, the turbine turns faster, the compressor turns with it and increases the boost pressure. The exhaust gas volume flow increases, which in turn leads to a faster turning of the turbine. As described above, with increasing boost pressure, more and more exhaust gas has to be directed around the turbine so that the turbine does not overturn. As shown above, this is achieved by the feedforward control mentioned. If the turbine demand volume flow is reached, no additional compression by the additional electrical compressor is necessary, since the exhaust gas turbocharger then provides sufficient boost pressure due to its coupling behavior.
  • Suitable measures are therefore essential to determine the switch-on condition for the additional electrical compressor.
  • This is derived from the pre-control of the exhaust gas turbocharger actuator shown above.
  • the exhaust gas volume flow is calculated from the measured or modeled quantities air mass flow, exhaust gas temperature and exhaust gas pressure.
  • the volume flow required to start the exhaust gas turbocharger is also determined. This is either specified as a fixed value or, as shown above, from boost pressure and speed determined. If the current exhaust gas volume flow is greater than the turbine demand flow, the deviation of the two flows is sent past the turbine via the waste gate. This prevents the turbine from over rotating. However, if the volume flow requirement for the turbine is higher than the exhaust gas flow supplied, a switch-on condition is set for the electrical auxiliary charger.
  • the additional compressor is then switched on and a control signal for the electric motor 82 is generated. This increases the exhaust gas mass flow and the turbine starts. If the exhaust gas flow exceeds the turbine demand flow by an amount, the additional compressor is switched off again. A switching hysteresis is advantageously provided here.
  • the additional compressor is only switched on if, in addition to the switch-on condition derived from the exhaust gas flow, there is a demand for activation of the charge pressure control, i. H. if the target boost pressure exceeds the basic boost pressure.
  • the additional compressor always switches off under different operating conditions (eg load, speed) at the same exhaust gas volume flow.
  • the duty cycle of the additional compressor is optimized.
  • the procedure described above is also implemented here in a manner analogous to that in the first exemplary embodiment by means of a program of the microcomputer of the control unit 38.
  • a flow chart for such a program is outlined in FIG.
  • the parts already described with reference to the flowchart in FIG. 2 are provided with the same reference numerals and have the function that is very much used with reference to FIG.
  • the setpoint volume flow is determined, which is either specified from the speed and setpoint pressure or as a fixed value. This is compared with the exhaust gas volume flow, which is calculated as above.
  • this value is converted into a control signal for the actuator of the exhaust gas turbocharger, in particular for the actuator of the bypass flap.
  • an inverter 200 is provided, which is guided to a switching element 202, which preferably has a hysteresis. If the inverted volume flow ⁇ VS exceeds the specified limit value, a switch-on condition signal B_SCEB is generated.
  • this condition signal is reset.
  • the threshold is selected in such a way that the reset takes place when the current exhaust gas volume flow has reached the target volume flow or has exceeded it by a predetermined amount.
  • the auxiliary charger is thus switched on when the exhaust gas volume flow is less than the target volume flow.
  • a logical AND link 204 is provided, in which the condition signal as described above is compared with a further condition signal B_LDR. This is set when boost pressure control is requested, ie when the target boost pressure exceeds the basic boost pressure. If both signals are present, a condition signal B_SCE is output, which leads to the activation of the electrical auxiliary charger.

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Laders eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei das Ansteuersignal für wenigstens ein Stellelement des Laders (Waste-Gate-Steller, elektrischer Zusatzkompressor) abhängig vom Abgasvolumenstrom im Abgastrakt des Verbrennungsmotors gebildet wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Laders eines Verbrennungsmotors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Laders eines Verbrennungsmotors .
Zur Leistungssteigerung von Motoren werden in einigen Anwen- dungsfallen Abgasturbolader verwendet. Dabei treibt der Abgasvolumenstrom eine Turbine an, die über eine Welle mit einem Verdichter verbunden ist, der die Ansaugluft verdichtet. Das Verdichtungsverhältnis ist eine Funktion des durch die Turbine fließenden Gasvolumenstroms. Der Abgasturbolader ist bei den bestehenden Lösungen dabei so ausgelegt, dass schon bei kleinen Gasströmen eine hohe Verdichtung zustande kommt. Damit es bei hohen Gasdurchsätzen nicht zu Verdichtungsverhältnissen und Turbinendrehzahlen kommt, die Schäden am Motor bzw. am Abgasturbolader verursachen können, ist ein By- pass um die Turbine gelegt, der „Waste-Gate" genannt wird.
In diesem Bypass ist eine Klappe oder ein Ventil vorgesehen, welches den Öffnungsquerschnitt des Bypasses verändert. Die Klappe oder das Ventil wird bei einer bekannten Lösung von einem Gestänge betätigt, das von einer Membrandose bewegt wird. Die Membrane der Dose ist mit dem Gestänge verbunden. Eine Feder in der Dose drückt die Membrane nach oben. Gegen die Federkraft wirkt der Ladedruck, der über eine Schlauchleitung der Membrandose aus dem Saugrohr zugeführt wird. Bei hohen Ladedrücken hat der Ladedruck die Oberhand, das Waste- Gate öffnet. Diese Anordnung wirkt wie eine mechanisch- pneumatische Regelung. Abhängig vom Abgasvolumenstrom stellen sich bestimmte Ladedrücke im Saugrohr ein. Um den Ladedruck auch unabhängig von diesen physikalischen Verhältnissen variieren zu können, ist in die Schlauchleitung zur Membrandose ein Taktventil eingebaut. Aufgabe der Ladedruck- regelung der Motorsteuerung ist es, dieses Taktventil so anzusteuern, dass sich ein gewünschter Ladedruck einstellt. Mit Vergrößerung des Taktverhältnisses wird immer mehr Luft aus der Schlauchleitung ins Freie abgeblasen. Damit sinkt der Gegendruck gegen die Feder, das Waste-Gate schließt, der Ladedruck steigt (vgl. z. B. Bosch, Kraftfahrtechnisch.es Taschenbuch, 22. Auflage, Seiten 475 und 476).
Es hat sich gezeigt, dass auch andere Verstellmechanismen zur Steuerung des Öffnungsquerschnitts des Bypasses einsetz- bar sind, beispielsweise die Betätigung des Gestänges der
Klappe durch einen elektrischen Steller. Damit entfällt die pneumatische Gegenkopplung über den Ladedruck, die den Abgasturbolader eigenstabil macht. Die pneumatische Gegenkopplung vergrößert mit steigendem Ladedruck den Öffnungsquer- schnitt und verhindert somit ein Überdrehen der Turbine. Ohne pneumatische Gegenkopplung ist der Abgasturbolader mitkoppelnd und daher instabil. Andere Verstellmechanismen sind beispielsweise eine variable Turbinengeometrie, eine variable Schieberturbine oder eine Klappe im Waste-Gate, die mit einem Stellmotor bewegt wird. Auch diesen Stellern fehlt zumindest teilweise die Gegenkoppeleigenschaft. Es besteht daher ein Bedarf an einer Ladedruckregelung, die universell einsetzbar ist und die Stabilität des Abgasturboladers sicherstellt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zur Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Abgasturboladers ein in Reihe geschalteter elektrischer Kompressor eingesetzt wird. Dieser wird beispielsweise unterhalb einer vorgegeben Motordrehzahl bei einer Beschleunigungsanforderung durch den Fahrer eingestellt (vgl. z. B. US-Patent 6 029 452). Eine Ladedruckregelung sollte auch bei einer solchen Anordnung einsetzbar sein.
Vorteile der Erfindung
Durch die Steuerung des Ladersystems abhängig vom Abgasvolumenstrom wird die regelungstechnische Beherrschbarkeit eines Abgasturboladersystems durch eine elektronische Ladedruckre- gelung sichergestellt. In vorteilhafter Weise wird dabei die Verwendung des gleichen Regelalgorithmus für verschiedene Stellertypen ermöglicht. Dies deshalb, weil die bei der Verwendung anderer Steller am Abgasturbolader fehlenden Gegenkoppeleigenschaften durch den Aufbau einer elektrischen Vor- Steuerung des Stellers in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms nachgebildet wird. Dadurch werden auch Beschädigungen des Ladersystems bei der Applikation der Ladedruckreglerparameter wirksam vermieden.
Die genannten Vorteile werden auch beim Einsatz eines elektrischen Ladersystems, insbesondere eines elektrischen Hilfsladers in Verbindung mit einem Abgasturbolader erreicht. Auch hier wird durch die abgasvolumenstromabhängige Vorsteuerung das gegenkoppelnde Verhalten nachgebildet.
In vorteilhafter Weise wird auf der Basis des Abgasvolumen- stroms der Einschaltzeitpunkt und die Einschaltdauer des e- lektrischen Zusatzkompressors abgeleitet, indem der Zusatzkompressor nur so lange eingeschaltet ist, bis der Abgasvo- lumenstrom den Turbinenbedarfsvolumenstrom erreicht hat. In vorteilhafter Weise wird dadurch die Einschaltdauer des e- lektrischen Zusatzkompressors und damit die Batteriebelastung minimiert.
Vorteilhaft ist ferner, dass der Zusatzkompressor nur dann eingeschaltet, wenn ein Solladedruck gefordert wird, der den Grundladedruck übersteigt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Figur 1 zeigt eine Übersichtsdarsteilung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Steuerung in Figur 2 anhand eines Ablaufdiagramms dargestellt ist. Figur 3 zeigt ein Übersichtsbild einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbo- lader und elektrischem Zusatzlader, deren Steuerung in Figur 4 anhand eines weiteren Ablaufdiagramms dargestellt ist.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Übersichtsbild der Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, welche ein Ansaugsystem 12 mit einer Drosselklappe 14 und ein Abgassystem 16 umfaßt. Im Abgassystem 16 ist die Turbine 18 eines Abgasturboladers angeordnet, welche über eine mechanische Verbindung 20 mit dem Saugrohr ange- ordneten Verdichter bzw. Kompressor 22 verbunden ist. In einem Umgehungskanal 24 um die Turbine 18 des Abgasturboladers herum ist ein elektrisch betätigbares Ventil 26 vorgesehen. Zur Erfassung verschiedener Betriebsgrößen im Bereich der Brennkraftmaschine sind verschiedene Sensoren eingesetzt. Eine Auswahl dieser Sensoren ist mit Blick auf die nachfolgend beschriebene Vorgehensweise in Figur 1 dargestellt: ein Luftmassenmesser 28, ein Saugrohrdruckfühler 30, ein Motordrehzahlfühler 32, ein Abgasdruckfühler 34 und ein Abgastemperatursensor 36. Ferner ist ein elektronisches Steuergerät 38 dargestellt, dem von den genannten Sensoren Leitungen zu- geführt werden: eine Leitung 40 vom Luftmassenmesser 28, eine Leitung 42 vom Saugrohrdrucksensor 30, eine Leitung 44 vom Drehzahlsensor 32, eine Leitung 46 vom Abgasdrucksensor 34 und eine Leitung 48 vom Abgastemperatursensor 36. Ferner weist die Steuereinheit 38 eine Ausgangsleitung 50 auf, die zur Steuerung des elektrisch betätigbaren Ventils 26 dient. Neben den dargestellten Eingangs- und Ausgangsleitungen sind weitere Eingangs- und Ausgangsleitungen vorgesehen, die zur Steuerung der Brennkraftmaschine notwendig sind. Diese sind in Figur 1 mit den Leitungen 52 bis 56 bzw. 58 bis 62 symbo- lisiert und nicht näher ausgeführt, da sie in Verbindung mit der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise zum Betreiben des Laders von nur zweitrangiger Bedeutung sind. Die Eingangsleitungen 52 bis 56 verbinden die Steuereinheit 38 mit Sensoren wie Lambdasensoren, Temperatursensoren, etc., wäh- rend die Ausgangsleitungen 58 bis 62 auf Einspritzventile, Zündungsendstufen, Drosselklappensteller, Abgasrückführven- tile, etc. geführt sind.
Im Nachfolgenden wird eine Vorgehensweise beschrieben, mit deren Hilfe das Ventil 26 im Rahmen des Betriebs des Abgasturboladersystems betätigt wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Stellelement 26 um einen Stellmotor, der an der Stelle der Membrandose und des Taktventils das Gestänge bewegt, das den Bypassquerschnitt der Bypassleitung 24 verstellt. Die nachfolgend beschriebene
Vorgehensweise läßt sich jedoch auch bei Systemen anwenden, die eine andere Struktur des Stellers aufweisen, beispielsweise auch auf elektrisch betätigbare Ventile.
Grundprinzip der Vorgehensweise ist, dass abhängig vom Abgas olumenstrom die Betätigung des Stellelements 26 erfolgt, und somit eine Vorsteuerung für die Ladedruckregelung erzeugt wird, die die Gegenkopplungseigenschaften nachbildet. Im konkreten Ausführungsbeispiel wird abhängig von Motordrehzahl und Solladedruck der Abgasvolumenstrom berechnet, bei dem sich der Solladedruck einstellt. Dies erfolgt im bevorzugten Ausführungsbeispiel mittels eines Kennfeldes, in dem Parameter abgelegt sind, die die mechanischen und geometrischen Eigenschaften des Turboladersystems berücksichtigen. Ferner wird der vom Motor erzeugte Abgas olumenstrom berechnet. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Modells, in welchem abhängig vom zur Brennkraftmaschine geführten Luftmassenstrom ml (gemessen durch den Luftmassenmesser 28) , der Abgastemperatur und dem Abgasdruck der Abgasvolumenstrom bestimmt wird. Die Differenz zwischen dem Sollabgasvolumenstrom und dem aktuellen Abgasvolumenstrom ergibt den Abgasvolumenstrom, der über den Bypass zur Turbine fließen soll. Dieser Volumenstrom wird moduliert durch das Ausgangssignal des Ladedruckreglers, welches als Differenzvolumenstrom interpretiert wird. Der aus der Abweichung zwischen Soll- und Istvolumenstrom zuzüglich dem vom Ladedruckregler berechneten Volumenstrom wird zur Bestimmung der Stellung des elektrischen Stellers ausgewertet. Dabei ist beispielsweise eine Kennlinie vorgesehen, in welcher der Volumenstrom in ein Stellsignal umgesetzt wird.
Die dargestellte Vorsteuerung über dem Abgasvolumenstrom hat Gegenkopplungseigenschaf , die dadurch zustande kommt, dass der vom Motor erzeugte Abgasvolumenstrom berücksichtigt wird. Wenn der Sollvolumenstrom über die Turbine geleitet wird, erhöht sich die Turbinendrehzahl und damit auch die
Drehzahl des auf der Saugseite sitzenden Verdichters. Damit erhöht sich der Ladedruck und der Abgasvolumenstrom. Die Berechnung und Auswertung des Abgasvolumenstroms in der Steuerung berücksichtigt dies, da die Vorsteuerung dann den Öff- nungsquerschnitt des Bypasses erhöht. Das Abgasturbolader- syste bleibt somit stabil. Der Ladedruckregler selber führt nur noch Korrekturen an einem stabilen System durch. In vorteilhafter Weise genügt daher als Ladedruckregler ein gebräuchlicher, robuster und leicht applizierbarer Regler beispielsweise ein Regler mit
Proportional-, Integral- und Differenzialverhalten, der auch bei Stellern mit Gegenkoppeleigenschaften wie eingangs erwähnt zum Einsatz kommt .
Die Vorsteuerung selbst arbeitet derart, dass auch bei ausgeschaltetem Regler bei steigendem Abgasvolumenstrom der Öffnungsquerschnitt des Bypass nicht konstant ist, sondern sich erhöht.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise findet im bevorzugten Ausführungsbeispiel ihre Realisierung als Programm eines Mikrocomputers, welcher Teil der Steuereinheit 38 ist. Das Programm des Mikrocomputers umfaßt dabei die zur Durchführung der Vorgehensweise benötigten Befehle.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines solchen Programms, wobei die einzelnen Blöcke Programme, Programmteile oder Programmschritte, insbesondere Befehle oder eine Summe von Befehlen darstellen, während die Verbindungslinien den In- formationsfluß repräsentieren.
Zunächst wird in 100 abhängig von Motordrehzahl nmot und Solladedruck plsol ein Sollvolumenstrom VSTUS über der Turbine berechnet. Dies erfolgt im bevorzugten Ausführungsbei- spiel nach Maßgabe eines Kennfeldes, in einem anderen Ausführungsbeispiel nach Maßgabe von Berechnungsschritten. Im Wesentlichen wird dabei mit steigendem Solladedruck und steigender Drehzahl der Sollvolumenstrom ansteigen.
Der Solladedruck selbst wird aus einem Solldruckverhältnis zwischen dem Druck vor und dem Druck nach dem Verdichter er- mittelt, welches wiederum abhängig von der Motordrehzahl ist. In 102 wird der Istabgasvolumenstrom VSABG ermittelt. Dieser Istabgasvolumenstrom wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Maßgabe der zugeführten Luftmasse ml, der Abgastemperatur Tabg und dem Abgasgegendruck Pabg berechnet. Dabei wird die Abgastemperatur und die zugeführte Luftmasse berechnet, während der Abgasgegendruck gemessen o- der nach einem Modell berechnet wird. Im bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel wird eine Gleichung zur Berechnung des Istab- gasvolumenstroms eingesetzt, die in etwa das folgende Aussehen hat :
VSABG = k • ML • TABG/PABG
Wobei k eine Konstante ist.
In der Verknüpfungsstelle 104 wird die Abweichung zwischen Sollvolumenstrom VSTUS und Istabgasvolumenstrom VSABG ermittelt (ΔVS = VSABG - VSTUS) . Die Abweichung ΔVS wird einer weiteren Verknüpfungsstelle 106 zugeführt.
Ferner ist ein Regelalgorithmus 108 vorgesehen, welcher eine Ausgangsgröße VSBYST in Abhängigkeit seiner Eingangsgröße ermittelt. Die Eingangsgröße ist dabei eine Abweichung ΔP, welche in der Verknüpfungsstelle 110 gebildet wird. In dieser wird der Solladedruck und der durch einen Ladedruckfühler gemessene Istladedruck PLIST miteinander verglichen, und die gebildete Abweichung dem Regler zugeführt. Der Regleralgorithmus bildet dann die Ausgangsgröße, welche in der Ver- knüpfungsstelle 106 die Vorsteuergröße ΔVS korrigiert. Die Korrektur ist beispielsweise als Addition ausgeführt. Die korrigierte Vorsteuergröße ΔVS + VSBYST wird in 112 in ein Ansteuersignal für den Steller des Abgasturboladers umgesetzt. Dies erfolgt im bevorzugten Ausführungsbeispiel im Rahmen einer Kennlinie, welche der Eingangsgröße eine Ausgangsgröße τ zuordnet . Eine Steuergröße mit der Größe τ als Parameter wird vom Mikrocomputer bzw. der Steuereinheit zur Ansteuerung des Ventils oder Stellers des Laders ausgegeben, welches einen Vo- lumenstrom im Bypass der Turbine einstellt. Dieser Volumenstrom entspricht dem Volumenstrom gemäß Vorsteuerung plus Reglerkorrektur .
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die vorstehend be- schriebenen Vorgehensweise in Verbindung mit einem Turboladersystem angewendet, welches zusätzlich zum mechanischen Abgasturbolader einen elektrischen Hilfslader aufweist. Ein derartiges System ist im Übersichtsbild der Figur 3 dargestellt. Das in Figur 1 dargestellte System ist dabei ergänzt durch einen elektromotorisch angetriebenen Hilfslader 80, der in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 22 und vor der Drosselklappe 14 im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 10 angeordnet ist. Dieser Hilfslader wird von einem Elektromotor 82 angetrieben, der über eine Ausgangsleitung 84 vom Steuergerät 38 mit einem Ansteuersignal versorgt wird. Die anderen Komponenten und Leitungen entsprechen den in Figur 1 dargestellten, so dass sie mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dieselbe Funktion aufweisen.
Ein derartiger elektrischer Hilfslader wird wegen des verzögerten Ansprechverhaltens des Abgasturboladers zu diesem in Reihe geschaltet und in der Regel dann eingeschaltet, wenn eine Beschleunigungsanforderung vorliegt. Dadurch wird das verzögerte Ansprechverhalten bei Beschleunigung kompensiert und der Betrieb optimiert. Die Betriebsdauer des elektrischen Hilfsladers, der Ressourcen des Fahrzeugs verbraucht, insbesondere die Batterie stark belastet, sollte minimiert sein. Es hat sich gezeigt, dass diese Minimierung erreicht werden kann, wenn der elektrische Kompressor eingeschaltet wird, wenn der aktuelle Abgasvolumenstrom unter dem Turbinenbedarfsstrom liegt. Diese Größen stehen aus der vorge- nannten Vorsteuerung zur Verfügung. Ein weiteres Kriterium für das Einschalten des elektrischen Zusatzkompressors, welches zusätzlich zu dem obengenannten eingesetzt werden kann, ist, dass ein Solladedruck gefordert wird, der den Grundla- dedruck übersteigt. Der Grundladedruck ist dabei der Druck, der sich ohne besondere Ansteuerung des Abgasturboladers in Folge der Luftströmung zur Brennkraftmaschine einstellt.
Der Zusatzkompressor wird nur so lange eingeschaltet, bis der aktuelle Abgasvolumenstrom den Turbinenbedarfsström erreicht hat . Damit ist die Einschaltdauer des Zusatzkompressors und damit auch die Batteriebelastung minimiert. Grund hierfür ist, dass der Abgasturbolader selbst ein mitkoppelndes Verhalten hat. Wenn der Turbinenbedarfsvolumenstrom ü- berschritten wird, dreht die Turbine schneller, der Verdichter dreht mit und erhöht den Ladedruck. Der Abgasvolumenstrom steigt an, was wieder zu einem schnelleren Drehen der Turbine führt. Wie vorstehend beschrieben, muß mit steigendem Ladedruck immer mehr Abgas um die Turbine herum geleitet werden, damit die Turbine nicht überdreht. Dies wird, wie o- ben dargestellt, durch die genannte Vorsteuerung erreicht. Ist also der Turbinenbedarfsvolumenstrom erreicht, so ist keine Zusatzverdichtung durch den elektrischen Zusatzkompressor notwendig, da der Abgasturbolader dann durch sein mitkoppelndes Verhalten einen ausreichenden Ladedruck bereitstellt .
Wesentlich sind also geeignete Maßnahmen, die Einschaltbedingung für den elektrischen Zusatzkompressor zu bestimmen. Dies wird aus der oben dargestellten Vorsteuerung des Abgas- turboladerstellers abgeleitet. Dort wird der Abgasvolumenstrom aus den gemessenen oder modellierten Größen Luftmassenstrom, Abgastemperatur und Abgasdruck berechnet. Ebenso wird der zum Anspringen des Abgasturboladers benötigte Be- darfsvolumenstrom ermittelt. Dieser ist entweder als Festwert vorgegeben oder wird wie oben dargestellt aus Ladedruck und Drehzahl ermittelt. Ist der aktuelle Abgasvolumenstrom größer als der Turbinenbedarfsstrom, so wird die Abweichung der beiden Ströme über das Waste-Gate an der Turbine vorbei geschickt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Turbine überdreht. Ist für die Turbine der Bedarf an Volumenstrom jedoch höher als der gelieferte Abgasstrom, so wird eine Einschaltbedingung für den elektrischen Hilfslader gesetzt. Der Zusatzkompressor wird dann angeschaltet und ein Ansteuersignal für den elektrischen Motor 82 generiert. Dadurch erhöht sich der Abgasmassenstrom, und die Turbine springt an. Wenn der Abgasstrom den Turbinenbedarfsstrom um einen Betrag übersteigt, wird der Zusatzkompressor wieder abgeschaltet. In vorteilhafter Weise ist hier eine Schalthysterese vorgesehen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Zusatzkompressor nur dann eingeschaltet, wenn zusätzlich zu dem aus der Abgasstrom abgeleiteten Einschaltbedingung eine Forderung nach Aktivierung der Ladedruckregelung vorliegt, d. h. wenn der Solladedruck den Grundladedruck übersteigt.
Durch die vorstehend beschriebene Vorgehensweise schaltet der Zusatzkompressor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (z. B. Last, Drehzahl) immer beim gleichen Abgasvolumen- ström ab. Die Einschaltdauer des Zusatzkompressors ist optimiert .
Die Realisierung der oben beschriebenen Vorgehensweise erfolgt auch hier analog wie im ersten Ausführungsbeispiel mittels eines Programms des Mikrocomputers der Steuereinheit 38. Ein Ablaufdiagramm für ein derartiges Programm ist in Figur 4 skizziert. Auch hier sind die bereits anhand des Ablaufdiagramms der Figur 2 beschriebenen Teile mit denselben Bezugszeichen versehen und weisen die anhand Figur 2 be- sehriebene Funktion auf. In 100 wird also der Sollvolumenstrom bestimmt, der entweder aus Drehzahl und Solladedruck oder als Festwert vorgegeben ist. Dieser wird mit dem Abgasvolumenstrom, der wie oben berechnet wird, verglichen. Die Abweichung (ΔVS = VAABG - VSTUS) der beiden Werte stellt den Volumenstrom dar, der ü- ber das Waste-Gate abzuleiten ist. Dieser Wert wird nach Korrektur durch den Ladedruckregler in 106 in ein Ansteuersignal für den Steller des Abgasturboladers, insbesondere für den Steller der Bypassklappe umgerechnet.
Zur Aktivierung des elektrischen Hilfsladers ist ein Inver- ter 200 vorgesehen, der auf ein Schaltelement 202 geführt wird, das vorzugsweise eine Hysterese aufweist. Überschreitet der invertierte Volumenstrom ΔVS den vorgegebenen Grenz- wert, wird ein Einschaltbedingungssignal B_SCEB gebildet.
Unterschreitet der Volumenstrom eine weitere Schwelle, wird dieses Bedingungssignal zurückgesetzt. Die Schwelle ist dabei derart gewählt, dass das Rücksetzen dann erfolgt, wenn der aktuelle Abgasvolumenstrom den Sollvolumenstrom erreicht oder größer als ein vorgegebenes Maß überschritten hat. Somit wird der Hilfslader eingeschaltet, wenn der Abgasvolumenstrom kleiner als der Sollvolumenstrom ist. Zusätzlich ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine logische UND-Verknüpfung 204 vorgesehen, in dem das wie oben be- schriebene Bedingungssignal mit einem weiteren Bedingungssignal B_LDR verglichen wird. Dieses wird gesetzt, wenn eine Ladedruckregelung angefordert ist, d. h. wenn der Solladedruck den Grundladedruck übersteigt. Liegen beide Signale vor, wird ein Bedingungssignal B_SCE ausgegeben, welches zur Aktivierung des elektrischen Hilfsladers führt. Dieser wird dann entweder mit einem fest vorgegebenen Ansteuersignal angesteuert oder bedarfsabhängig nach Maßgabe von Istladedruck, Luftströmung und/oder Drehzahl des Motors, etc. angesteuert . Dargestellt ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel , bei dem die Berechnungen auf der Basis von Volumenströmen erfolgt. In anderen Ausführung wird anstelle der Volumenströmen Massenströme (Abgasmassenstrom) eingesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben wenigstens eines Laders eines Verbrennungsmotors, welcher eine Turbine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors und wenigstens einen Verdichter im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors aufweist, wobei ein betätigbares Stellelement vorgesehen ist, und ein Ansteuersignal für dieses Stellelement erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal abhängig von einer den Abgasstrom repräsentierenden Größe ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement ein Stellelement zur Steuerung des Öffnungsquerschnitts eine Bypasskanals um die Turbine des Abgasturboladers oder ein elektrischer Zusatzlader ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Größe ein Abgasvolumenstrom oder ein Abgasmassenstrom ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasvolumenstrom nach Maßgabe der zugeführten Luftmasse, der Abgastemperatur und des Abgasdrucks berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollstrom vorgegeben wird, eine Abweichung zwischen dem Sollstrom und dem Iststrom gebildet wird und das Abweichungssignal zur Bestimmung des Ansteuersignals herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollstrom fest vorgegeben ist oder abhängig von Betriebsgrößen wie Motordrehzahl und Solladedruck bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladedruckregler vorgesehen ist, welcher ein Ausgangssignal abhängig von Solladedruck und Istladedruck erzeugt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladedruckreglerausgangs- signal das abhängig vom Abgasstrom gebildete Vorsteuersignal korrigiert.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungssignal für einen Zusatzkompressor abhängig vom Abgasstrom gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Zusatzkompressors dann erfolgt, wenn der Abgasvolumenstrom kleiner als der Sollvolumenstrom ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Zusatz- kompressors erfolgt, wenn der Solladedruck größer als der Grundladedruck ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkompressor abge- schaltet wird, wenn der Abgasstrom den Sollstrom erreicht oder mit einem bestimmten Maß überschritten hat, oder wenn der Solladedruck kleiner als der Grundladedruck ist.
13. Verfahren zum Betreiben wenigstens eines Laders eines Verbrennungsmotors, mit einem Ladedruckregler, dessen Ausgangssignal ein Ansteuersignal zur Steuerung eines Stellelements des Abgasturboladers erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorsteuerung des Stellelement des Abgasturboladers vorgesehen ist, welche abhängig vom Abgasstrom bestimmt wird.
14. Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Laders eines Verbrennungsmotors, mit einer elektrischen Steuerein- heit, welche wenigstens ein Ansteuersignal zur Steuerung wenigstens eines Stellelements des Laders erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Mittel aufweist, welche das Ansteuersignal abhängig von einer den Abgasstrom repräsentierenden Größe bestimmen.
15. Vorrichtung zum Betreiben wenigstens eines Laders eines Verbrennungsmotors, mit einer elektronischen Steuereinheit, die einen Ladedruckregler umfasst, dessen Ausgangssignal ein Ansteuersignal zur Steuerung eines Stell- elements des Abgasturboladers erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ferner eine Vorsteuerung aufweist, welche das Ansteuersignal für das Stellelement des Abgasturboladers abhängig vom Abgasstrom bestimmt.
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