DE102018206923B3

DE102018206923B3 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018206923B3
Application number: DE102018206923.9A
Authority: DE
Inventors: Mathias Bogner; Christoph Schäfer; Mario Schinnerl
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2038-05-05

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung (1), wobei die Aufladevorrichtung (1) einen Verdichter (30) mit folgenden Merkmalen aufweist:- ein Verdichtergehäuse (31), in welchem ein Verdichterrad (13) drehfest auf einer drehbaren Läuferwelle (14) angeordnet ist;- einen Luftzuführkanal (36) zum Leiten eines Luftmassenstroms (LM) auf das Verdichterrad (13); und- eine im Luftzuführkanal (36) stromaufwärts des Verdichterrads (13) angeordnete variable Drossel zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts (A) für den Luftmassenstrom (LM), wobei die variable Drossel zwischen einer Offenstellung, in welcher ein maximaler Strömungsquerschnitt (A2) freigegeben ist, und einer Schließstellung, in welcher ein minimaler Strömungsquerschnitt (A1) freigegeben ist, verstellbar ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:- Ermitteln einer Kenngröße, die repräsentativ für eine Motordrehzahl (N) der Brennkraftmaschine ist,- Ermitteln eines einzustellenden Strömungsquerschnitts (A) lediglich in Abhängigkeit der ermittelten Kenngröße, und- Ausgeben einer Sollgröße zum Betätigen der variablen Drossel zum Einstellen des ermittelten Strömungsquerschnitts (A).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung. Die Erfindung betrifft auch eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
Aufladevorrichtungen wie Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO₂-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
Ein Abgasturbolader weist eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
Der Verdichter ist in seinem Betriebsverhalten charakterisiert durch ein sogenanntes Verdichterkennfeld, das den Druckaufbau über den Massendurchsatz für verschiedene Verdichterdrehzahlen oder Umfangsgeschwindigkeiten beschreibt. Ein stabiles und nutzbares Kennfeld des Verdichters wird begrenzt durch die sogenannte Pumpgrenze hin zu niedrigen Durchsätzen, durch die sogenannte Stopfgrenze hin zu höheren Durchsätzen und strukturmechanisch durch die maximale Drehzahlgrenze. Beim Anpassen einer Aufladevorrichtung wie dem Abgasturbolader an einen Verbrennungsmotor wird ein Verdichter mit für den Verbrennungsmotor möglichst günstigem Verdichterkennfeld ausgewählt. Hierbei sollten folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

- Eine Motorvolllastlinie soll komplett innerhalb des nutzbaren Verdichterkennfelds liegen;
- vom Fahrzeughersteller geforderte Mindestabstände zu den Kennfeldgrenzen sollen eingehalten werden;
- maximale Verdichterwirkungsgrade sollen bei Nennlast und in einem Bereich eines unteren Eckdrehmomentes des Verbrennungsmotors vorliegen; und
- das Verdichterrad soll ein minimales Trägheitsmoment haben.

Die gleichzeitige Erfüllung aller genannten Voraussetzungen wäre mit einem herkömmlichen Verdichter ohne Zusatzmaßnahmen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise würden sich folgende Zielkonflikte durch gegenläufige Trends ergeben:

- Reduktion des Trägheitsmoments des Verdichters und Maximierung der Kennfeldbreite und des Spitzenwirkungsgrades,
- Reduktion des Spülens im Bereich des unteren Eckdrehmoments und Maximierung der spezifischen Nennleistung,
- Verbesserung des Ansprechverhaltens und Erhöhung der spezifischen Nennleistung des Verbrennungsmotors.

Die genannten Zielkonflikte könnten durch ein Verdichter-Design gelöst werden, das ein breites Kennfeld bei minimalem Trägheitsmoment sowie maximale Wirkungsgrade auf der Volllastlinie des Motors aufweist.
Mit Einschränkung auf den Verdichtereinlass eines Abgasturboladers kann die oben genannte Lösung beispielsweise durch Zusatzmaßnahmen, wie einem verstellbaren Schaufel-Vorleitapparat oder Maßnahmen zur Reduktion eines Einlassquerschnitts des Verdichters erreicht werden. Dabei wird die Verbreiterung des nutzbaren Arbeitsbereiches des Verdichters durch aktives Verschieben des Kennfeldes erreicht. So wird bei Motorbetrieb mit niedrigen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nach links hin zu niedrigen Massenströmen verschoben, während im Motorbetrieb bei hohen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nicht oder nach rechts verschoben wird.
Der Schaufel-Vorleitapparat verschiebt durch die Einstellung von Schaufelwinkeln und Induktion eines Vordralls in beziehungsweise gegen die Verdichterraddrehrichtung das gesamte Verdichterkennfeld hin zu kleineren beziehungsweise größeren Durchsätzen. Der Verstellmechanismus des Vorleitapparats stellt jedoch eine filigrane, komplizierte und teure Lösung dar.
Die Maßnahmen mit Verengung des Verdichtereinlasses durch Querschnittsreduktion verschieben das Verdichterkennfeld hin zu kleineren Durchsätzen, in dem der Einlassquerschnitt durch Schließen der Konstruktion unmittelbar vor dem Verdichter verkleinert wird. Im geöffneten Zustand geben die Maßnahmen möglichst den gesamten Einlassquerschnitt wieder frei und beeinflussen beziehungsweise verschieben so das Kennfeld nicht oder nur marginal. Mögliche, derartige Lösungen sind beispielsweise in der US 2016/265424 A1 oder der DE 10 2011 121 996 A1 beschrieben. Weiter betrifft die DE 10 2012 011 423 B3 eine Verdichtereinrichtung und ein Verfahren zum Verdichten von Zuluft für eine Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs. Die DE 10 2006 009 864 A1 betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zur Einstellung eines Turbinenströmungsquerschnitts eines Turboladers.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Konzept für eine Aufladevorrichtung anzugeben, welches zu einem effizienten Betrieb der Aufladevorrichtung beiträgt.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung offenbart. Die Aufladevorrichtung weist einen Verdichter auf. Der Verdichter hat ein Verdichtergehäuse, in welchem ein Verdichterrad drehfest auf einer drehbaren Läuferwelle angeordnet ist. Der Verdichter hat einen Luftzuführkanal zum Leiten eines Luftmassenstroms auf das Verdichterrad. Weiter weist der Verdichter eine im Luftzufuhrkanal stromaufwärts des Verdichterrads angeordnete variable Drossel zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts für den Luftmassenstrom auf. Die variable Drossel ist zwischen einer Offenstellung, in welcher ein maximaler Strömungsquerschnitt freigegeben ist, und einer Schließstellung, in welcher ein minimaler Strömungsquerschnitt freigegeben ist, verstellbar. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Ermitteln einer Kenngröße, die repräsentativ für eine Motordrehzahl der Brennkraftmaschine ist,
- Ermitteln eines einzustellenden Strömungsquerschnitts lediglich in Abhängigkeit der ermittelten Kenngröße, und
- Ausgeben einer Sollgröße zum Betätigen der variablen Drossel zum Einstellen des ermittelten Strömungsquerschnitts.

Das beschriebene Verfahren dient insbesondere zum Betreiben einer Aufladevorrichtung. Die Aufladevorrichtung ist ein Abgasturbolader oder ein elektromotorisch betriebener Lader. Bei der Aufladevorrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Abgasturbolader, bei dem wie eingangs erläutert eine Turbine durch einen Abgasmassenstrom angetrieben wird, einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader oder um einen elektromotorisch betriebenen Lader. Ein elektromotorisch betriebener Lader beziehungsweise eine Aufladevorrichtung mit einem elektromotorisch betriebenen Lader wird auch als sogenannter E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet. Der Verdichter der Aufladevorrichtung ist beispielsweise ein Radialverdichter und weist eine variable Drossel am Verdichtereinlass auf, sodass eine Kennfeldverschiebung des Verdichters durch Querschnittsreduktion ermöglicht ist.
Das Verfahren bezieht sich auf eine Strategie zur Ermittlung des Strömungsquerschnitts abhängig von der Brennkraftmaschine und einem Eingangsparameter. Die Erfinder haben erkannt, dass lediglich die Motordrehzahl notwendig ist, so dass unabhängig von der Motorlast selbst der Einlassquerschnitt eingestellt werden kann. Es wird folglich lediglich die Motordrehzahl als typischerweise bereits verfügbarer Eingangsparameter verwendet. Die beschriebene Ansteuerstrategie der variablen Drossel bedarf somit nicht notwendigerweise einer Information über einen Betriebspunkt des Verdichters selbst, beispielsweise ein Druckverhältnis und ein Durchsatz beziehungsweise eine Drehzahl des Verdichters und einen Durchsatz. Der zu ermittelnde Strömungsquerschnitt ist also lediglich das Ergebnis einer Funktion abhängig von der Motordrehzahl. Die Strategie kann in ihrer einfachsten Form durch folgenden funktionalen Zusammenhang dargestellt werden und beispielsweise als arithmetische Funktion oder als Tabelle in einer Steuervorrichtung, etwa einem Motorsteuergerät, hinterlegt sein: $A_{Einlass} = f ({Kenngröße}_{Motordrehzahl})$
Weitere zur Auswertung notwendige Charakteristiken, beispielsweise Motorschlucklinien, können vorab, beispielsweise während der Entwicklung, bestimmt werden.
Das Verfahren ermöglicht mehrere Vorteile, die nachfolgend beschrieben sind. Beispielsweise ist eine sehr einfache Applikation ermöglicht, weil keine Notwendigkeit besteht, ein Verdichterkennfeld in Echtzeit während eines Betriebs der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Aufladevorrichtung auszuwerten. Weiterhin wird eine von der Motorlast unabhängige Verstellung der variablen Drossel ermöglicht, wobei insbesondere keine Verstellung der Drossel während eines Lastsprungs bei konstanter Motordrehzahl erfolgt. Weiterhin wird zu einem geringeren Verschleiß der variablen Drossel im Vergleich zu einer Verstellstrategie abhängig vom Betriebspunkt des Verdichters (Druckverhältnis, Durchsatz) beigetragen, da eine geringere Anzahl von Öffnungs- und Schießvorgängen der variablen Drossel nötig ist. Weiterhin trägt das Verfahren zu geringeren Herstellungs- und Produktionskosten als bei einer Verstellstrategie mit Betriebspunktauswertung des Verdichters bei, da beispielsweise keine oder weniger zusätzliche Sensoren benötigt werden.
Der Luftzuführkanal ist Teil des Verdichters und in dessen Verdichtergehäuse ausgebildet. Der Luftzuführkanal ist alternativ zumindest teilweise durch eine andere Komponente, die an das Verdichtergehäuse angeschlossen ist, ausgebildet.
Die Sollgröße ist beispielsweise ein Wert oder ein Signal zum Ansteuern der variablen Drossel, insbesondere einem Aktor zum Verstellen dieser.
Bevorzugt ist die variable Drossel stromaufwärts unmittelbar vor dem Verdichterrad, also im Bereich eines Verdichterradeintritts für den Luftmassenstrom, angeordnet. Die variable Drossel stellt insbesondere den Strömungsquerschnitt für den Verdichterradeintritt ein. Die variable Drossel kann beispielsweise als eine bewegliche und drehbare Blende mit einer Öffnung (Lochblende) oder als eine den Strömungsquerschnitt von außen verengende Irisblende ausgebildet sein. Es sind neben diesen beiden Lösungen jedoch auch andere Lösungen für eine Drossel zum Einstellen des Strömungsquerschnitts, wie etwa ein Scherenmechanismus, denkbar.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel als Lochblende ausgebildet, bei der ein Scheibenelement mit einer Öffnung um eine Schwenkachse in dem Luftzuführkanal gelagert und zwischen der Offenstellung und der Schließstellung, in welcher der minimale Strömungsquerschnitt durch die Öffnung vorgegeben ist, verdrehbar ist. Das Scheibenelement, welches beispielsweise ringförmig ausgebildet ist, weist die Öffnung auf, über die der Luftmassenstrom in Schließstellung auf das Verdichterrad strömt und somit gedrosselt wird. In der Offenstellung ist der maximale Strömungsquerschnitt, der beispielsweise einem Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals entspricht, im Wesentlichen vollständig freigegeben, sodass das Verdichterkennfeld nicht oder kaum durch das Scheibenelement beeinflusst wird. Im Wesentlichen freigegeben bedeutet, dass nahezu der gesamte Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals zum Anströmen des Verdichterrads nutzbar ist, wobei das Scheibenelement in der Offenstellung, beispielsweise strömungsgünstig, umströmt wird. Mit anderen Worten ist das Scheibenelement so vorteilhaft angeordnet, dass dieses in der Offenstellung möglichst kein oder nur ein unwesentliches Hindernis für den Luftmassenstrom darstellt. Das Scheibenelement ist hinsichtlich der Formgebung so ausgebildet, dass dieses in der Schließstellung den Luftmassenstrom im Wesentlichen nur über die Öffnung auf das Verdichterrad strömen lässt. Mit anderen Worten schließt das Scheibenelement radial außen mit dem Luftzuführkanal so ab, dass der Luftmassenstrom nur über die Öffnung strömen kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel durch einen Irisblendenmechanismus gebildet, der mehrere Lamellen aufweist, die derart zwischen der Offenstellung und der Schließstellung zum Einstellen einer Blendenöffnung bewegbar sind, dass der Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom zum Anströmen des Verdichterrads variabel, etwa stufenlos, einstellbar ist. Beim Irisblendenmechanismus wird der Strömungsquerschnitt, der der Blendenöffnung entspricht, von außen nach innen verengt.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Ermittlung der Kenngröße beispielsweise das Auslesen eines oder mehrerer Sensoren, das Auslesen eines Speichers oder Empfangen eines Wertes oder Signals umfasst. Weiter sei erwähnt, dass das Ermitteln der Kenngröße beispielsweise in einem betriebsgemäßen Zustand der Aufladevorrichtung beziehungsweise der Brennkraftmaschine erfolgt.
Eine Kenngröße ist beispielsweise der entsprechende Parameter bzw. Parameterwert selbst, etwa die Motordrehzahl oder ein Motordrehzahlwert. Alternativ ist eine Kenngröße ein Wert, ein Signal oder dergleichen, welche jeweils repräsentativ sind für den entsprechenden Parameter.
Das Ermitteln des einzustellenden Strömungsquerschnitts kann mit Hilfe verschiedener funktioneller Zusammenhänge erfolgen. Beispielsweise wird der einzustellende Strömungsquerschnitt mittels einer Funktion ermittelt, die einen stückweisen linearen Verlauf hat. Alternativ wird der einzustellende Strömungsquerschnitt mittels einer Funktion ermittelt, die einen stetigen Verlauf hat. Alternativ wird der einzustellende Strömungsquerschnitt mittels einer Sprungfunktion ermittelt, die eine Hysterese aufweisen. Alternativ wird der einzustellende Strömungsquerschnitt mittels einer Stufenfunktion ermittelt, die ebenfalls eine Hysterese aufweist. Dadurch lassen sich verschiedene Ansteuerstrategien umsetzen. Die Wahl der Ansteuerstrategie ist beispielsweise abhängig von der Ausgestaltung der variablen Drossel. So gibt es beispielsweise variable Drosseln wie die Lochblende, bei denen der Strömungsquerschnitt im Wesentlichen nur binär verstellt werden kann, nämlich zwischen dem maximalen Strömungsquerschnitt und dem minimalen Strömungsquerschnitt. Für solche Fälle bietet sich beispielsweise eine Funktion mit Hysterese an. Daneben existieren jedoch auch variable Drosseln, wie der zuvor beschriebene Irisblendenmechanismus, bei welchem der Strömungsquerschnitt stufenlos verstellt werden kann. In so einem Fall eignen sich beispielsweise Funktionen mit stückweise linearem oder stetigem Verlauf.
Des Weiteren wird eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung offenbart, die ausgebildet ist, ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Die Aufladevorrichtung ist ein Abgasturbolader oder ein elektromotorisch betriebener Lader. Die Steuervorrichtung ist beispielsweise mit der Aufladevorrichtung und/oder der Brennkraftmaschine gekoppelt, so dass die Kenngröße ermittelt und die variable Drossel des Verdichters einstellbar ist. Die eine oder mehreren Kopplungen sind beispielsweise elektrisch und/oder elektromechanisch.
Die Steuervorrichtung ermöglicht im Wesentlichen die zuvor genannten Vorteile und Funktionen. Weitere Vorteile und Funktionen werden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Die Ausführungsbeispiele werden unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer Aufladevorrichtung mit einem Verdichter mit Irisblendenmechanismus,
2a bis 2c schematische Aufsichten des Irisblendenmechanismus in drei verschiedenen Zuständen,
3 eine schematische Diagrammdarstellung von Verdichterkennfeldern in Abhängigkeit eines Zustands des Irisblendenmechanismus,
4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit der Aufladevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 und 6 schematische Diagrammdarstellungen funktioneller Zusammenhänge eines Strömungsquerschnitts des Irisblendenmechanismus und einer Motordrehzahl, und
7 und 8 schematische Diagrammdarstellungen von Verdichterkennfeldern bei einer Ansteuerstrategie des Irisblendenmechanismus mittels hysteresebehafteter Sprungfunktion.

1 zeigt schematisiert eine exemplarische Aufladevorrichtung 1 in Schnittdarstellung, die einen Verdichter 30 (hier ein Radialverdichter), ein Läuferlager 40 und eine Antriebseinheit 20 umfasst. Der Verdichter 30 weist ein optionales Schub-Umluftventil (nicht dargestellt) auf und ein Luft-Massestrom LM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Laderläufer 10 der Aufladevorrichtung 1 weist ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet). Der Laderläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Laderachse 2 (auch Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung der Aufladevorrichtung 1. Der Laderläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölanschlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
In der Regel weist eine Aufladevorrichtung 1, wie in 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein Gehäuse der Antriebseinheit 20, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und ein zwischen dem Gehäuse der Antriebseinheit 20 und Verdichtergehäuse 31 vorgesehenes Lagergehäuse 41 bezüglich der gemeinsamen Laderachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden.
Eine weitere Baueinheit der Aufladevorrichtung 1 stellt der Laderläufer 10 dar, der zumindest die Läuferwelle 14 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Verdichterlaufrad 13 ist auf einem Ende der Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Laderachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 in der Laderachse 2 liegt, also mit dieser zusammenfällt.
Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Luftzuführkanal 36 auf, der optional einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 zum Anschluss an das Luft-Saugsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist und in Richtung der Laderachse 2 auf das axiale Ende des Verdichterlaufrades 13 zu verläuft. Über diesen Luftzuführkanal 36 wird der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 aus dem Luft-Saugsystem angesaugt und auf das Verdichterrad 13 geleitet. Der Luftzuführkanal 36 kann auch ein Teil eines Ansaugstutzens sein und somit nicht Teil des Verdichtergehäuses 31. Der Luftzuführkanal 36 schließt beispielsweise an das Verdichtergehäuse 31 an und bildet einen Verdichtereinlass 36a zum Leiten des Luftmassenstroms LM auf das Verdichterlaufrad 13.
Weiterhin weist das Verdichtergehäuse 31 in der Regel einen, ringförmig um die Laderachse 2 und das Verdichterlaufrad 13 angeordneten, sich schneckenförmig vom Verdichterlaufrad 13 weg erweiternden Ringkanal, einen sogenannten Spiralkanal 32, auf. Dieser Spiralkanal 32 weist eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Spaltöffnung mit definierter Spaltbreite, den sogenannten Diffusor 35, auf, der in radialer Richtung vom Außenumfang des Verdichterlaufrads 13 weg gerichtet in den Spiralkanal 32 hinein verläuft und durch den der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 weg unter erhöhtem Druck in den Spiralkanal 32 strömt.
Der Spiralkanal 32 weist weiterhin einen tangential nach außen gerichteten Luftabführkanal 33 mit einem optionalen Verteiler-Anschlussstutzen 34 zum Anschluss an ein Luft-Verteilerrohr (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf. Durch den Luftabführkanal 33 wird der Luftmassenstrom LM unter erhöhtem Druck in das Luft-Verteilerrohr des Verbrennungsmotors geleitet.
Die Antriebseinheit 20 ist in 1 nicht weiter detailliert und kann sowohl als Abgasturbine als auch als elektromotorische Antriebseinheit ausgeführt sein, was die Aufladevorrichtung 1 im einen Fall zu einem Abgasturbolader, in einem anderen Fall zu einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader und in einem weiteren anderen Fall zu einem elektromotorisch betriebenen Lader auch als E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet, macht. Im Falle eines Abgasturboladers wäre gegenüber des Verdichterrads 13 beispielsweise ein Turbinenlaufrad (auch Turbinenrad bezeichnet) vorgesehen, welches auf der Läuferwelle 14 drehfest angeordnet und von einem Abgasmassenstrom angetrieben würde.
Im Luftmassenstrom LM stromaufwärts vor dem Verdichterlaufrad 13 ist ein Irisblendenmechanismus 50 zusätzlich oder alternativ zu einem Schubumluft-Ventil (siehe 1) im Luftzuführkanal 36 unmittelbar vor einem Verdichtereinlass 36a (auch Verdichtereintritt) angeordnet und/oder bildet zumindest einen Teilbereich des Luftzuführkanals 36 unmittelbar vor dem Verdichtereinlass 36a des Verdichtergehäuses 31. Der Irisblendenmechanismus 50 ähnelt hinsichtlich seines Funktionsprinzips einer Irisblende in einem Fotoapparat. Der Irisblendenmechanismus 50 ist dazu ausgebildet, eine Blendenöffnung zumindest teilweise zu schließen oder zu öffnen, so dass ein Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom LM zum Anströmen des Verdichterlaufrads 13 zumindest über einen Teilbereich des Strömungsquerschnittes variabel einstellbar ist. Der Irisblendenmechanismus 50 ermöglicht eine Kennfeldverschiebung für den Verdichter 30, in dem dieser als variable (Einlass-)Drossel für das Verdichterrad 13 fungiert. 2a bis 2c zeigen schematisch den Irisblendenmechanismus 50 der Aufladevorrichtung 1 in drei verschiedenen Betriebszuständen.
Der Irisblendenmechanismus 50 ist an oder in dem Verdichtergehäuse 31 festgelegt und/oder bildet dieses zumindest teilweise. Alternativ ist der Irisblendenmechanismus 50 an einem separaten, feststehenden Gehäuse für den Irisblendenmechanismus 50 gelagert. Alternativ ist der Irisblendenmechanismus 50 an beziehungsweise in einem mehrteiligen Gehäuse gelagert, wobei ein Teil des mehrteiligen Gehäuses durch das Verdichtergehäuse 31 und ein Teil durch ein zusätzliches separates Gehäuse (-element) gebildet ist. Der Irisblendenmechanismus 50 weist einen im Luftzuführkanal 36 konzentrisch zum Verdichtereinlass 36a festgelegten Lagerring 68, einen konzentrisch dazu angeordneten, um ein gemeinsames Zentrum drehbaren Verstellring 53 mit einem Stellhebel 53a und mehrere um einen jeweiligen Drehpunkt im Lagerring 68 drehbar gelagerte Lamellen 52 auf. Anstelle des Lagerrings 68 kann auch das Verdichtergehäuse 31 oder ein anderes Gehäuse (-element) als Lager dienen. Die Lamellen 52 weisen beispielsweise einen plattenförmigen Lamellengrundkörper und zumindest ein stiftförmiges Betätigungselement (hier nicht erkennbar), welches zur Betätigung der jeweiligen Lamelle 52 ausgebildet ist, als integrale Bestandteile der jeweiligen Lamelle 52 auf.
An dem Verstellring 53 sind die Lamellen 52 ebenfalls drehbar und/oder verschiebbar, etwa mittels des Betätigungselements, geführt. Im Beispiel hat der Verstellring 53 drei Nuten 54 (in den Figuren angedeutet) zur Lagerung/Führung der Lamellen 52. Über den Verstellring 53 werden die Lamellen 52 synchronisiert und bewegt. Der Verstellring 53 ist beispielsweise am oder im Gehäuse gelagert. Durch Betätigung des Verstellrings 53 werden die Lamellen 52 radial nach innen verschwenkt und verengen eine Blendenöffnung 55 und somit den Strömungsquerschnitt des Irisblendenmechanismus 50. 2a zeigt dabei die Blendenöffnung 55 mit einem maximalen Strömungsquerschnitt (Offenstellung), 2b zeigt die Blendenöffnung 55 mit einem verringerten Strömungsquerschnitt und 2c zeigt die Blendenöffnung 55 mit einem minimalen Strömungsquerschnitt (Schließstellung).
3 zeigt eine schematische Diagrammdarstellung von Verdichterkennfeldern in Abhängigkeit eines eingestellten Strömungsquerschnitts einer variablen Drossel bei einem Verdichter. Beispielhaft wird auf den beschriebenen Irisblendenmechnismus 50 der Aufladevorrichtung 1 Bezug genommen. Diese Erläuterung gilt analog auch für andere variable Drosseln.
In dem darstellten Diagramm ist ein Druckverhältnis des Verdichters 30 gegenüber einem Massenstrom durch den Verdichter 30 aufgetragen. Dargestellt sind drei Verdichterkennfelder. Das linkeste Verdichterkennfeld V1 entspricht einem Kennfeld bei reduziertem Strömungsquerschnitt während das mittlere Verdichterkennfeld V3 einem Kennfeld bei etwas vergrößertem Strömungsquerschnitt entspricht. Das rechts dargestellte Verdichterkennfeld V2 entspricht einem Kennfeld bei maximal geöffnetem Irisblendenmechanismus, das heißt bei maximalem Strömungsquerschnitt. Die geraden Linien in 3 stellen Schlucklinien S der Brennkraftmaschine bei jeweils konstanter Motordrehzahl N_motor dar. Es ist ersichtlich, dass eine Veränderung des Strömungsquerschnitts für eine Verschiebung des Verdichterkennfelds sorgt.
4 betrifft ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer variablen Drossel. Exemplarisch wird das Verfahren anhand der oben beschriebenen Aufladevorrichtung 1 mit Irisblendenmechanismus 50 erläutert, gilt jedoch analog für Aufladevorrichtungen mit anderer variabler Drossel.
Das Verfahren kann beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung 60 ausgeführt werden, die insbesondere mindestens eine Recheneinheit, einen Programm- und Datenspeicher sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen aufweist und die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Nach dem Starten des Verfahrens wird das Verfahren in einem Schritt S1 fortgesetzt, nachdem beispielsweise Variablen initialisiert wurden.
In Schritt 1 wird eine Kenngröße ermittelt, die repräsentativ für eine Motordrehzahl N_motor der Brennkraftmaschine ist. Die Ermittlung der Kenngröße erfolgt beispielsweise über ein oder mehrere Sensoren, die über ein oder mehrere oben erwähnte Kommunikationsschnittstellen mit der Steuervorrichtung 60 gekoppelt sind.
In einem nächsten Schritt S2 wird ein einzustellender Strömungsquerschnitt A in Abhängigkeit der ermittelten Kenngröße ermittelt. Hierfür hat die Steuervorrichtung 60 beispielweise eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen zu einem oder mehreren Sensoren zur Ermittlung der Kenngröße für die Motordrehzahl. Alternativ oder zusätzlich hat die Steuervorrichtung 60 eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen zu einem Speicher zum Auslesen der Kenngröße.
In einem folgenden Schritt S3 wird eine Sollgröße ausgegeben zum Betätigen des Irisblendenmechanismus 50, so dass der ermittelte Strömungsquerschnitt A eingestellt wird. Beispielsweise hat die Steuervorrichtung 60 eine oder mehrere Kommunikationsschnittstellen zu einem Aktor des Irisblendenmechanismus 50.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht im Wesentlichen die eingangs genannten Vorteile und Funktionen.
Die Ermittlung des einzustellenden Strömungsquerschnitts A erfolgt über einen funktionellen Zusammenhang wie eingangs erwähnt. Es sind unterschiedliche Funktionen mit unterschiedlichem Komplexitätgrad denkbar.
5 und 6 zeigen schematische Diagrammdarstellungen, in welchen beispielhafte funktionelle Zusammenhänge zwischen der ermittelten Kenngröße, die repräsentativ für eine Motordrehzahl N_motor der Brennkraftmaschine ist, und dem zu errechnenden Strömungsquerschnitt A für eine variable Drossel aufweisen. In 5 und 6 entspricht die Kenngröße der Motordrehzahl N_motor und ist gegenüber dem Strömungsquerschnitt A (Einlassquerschnitt) aufgetragen. In 5 und 6 sind dabei jeweils zwei funktionelle Zusammenhänge dargestellt. Gemäß beider 5 und 6 entspricht ein minimaler, einstellbarer Strömungsquerschnitt A1 60% des maximalen, einstellbaren Strömungsquerschnitts A2. Dies ist jedoch nur exemplarisch zu verstehen und stellt keine Einschränkung dar.
5 zeigt einerseits eine erste Funktion F1 mit stückweise linearen Verlauf mit vollvariabler Verstellung des Strömungsquerschnitts sowie eine zweite Funktion F2 mit stetigem Verlauf mit vollvariabler Verstellung. Vollvariable Verstellung bedeutet stufenlose Verstellung des Strömungsquerschnitts A wie bei dem beschriebenen Irisblendenmechanismus 50.
6 zeigt einerseits eine dritte Funktion F3, die eine Sprungfunktion mit Hysterese ist, und andererseits eine vierte Funktion F4, die eine Stufenfunktion mit Hysterese ist. Die eingezeichneten Pfeile illustrieren die Verstellung des Strömungsquerschnitts bei steigender beziehungsweise fallender Motordrehzahl N_motor. Die Funktionen F3 und F4 gemäß 6 eignet sich beispielsweise für eine als Lochblende ausgeführte variable Drossel.
Bei sämtlichen Funktionen F1 bis F4 hängt die Verstellung des Strömungsquerschnitts A beispielsweise von zwei oder mehreren Motordrehzahl-Schwellenwerten ab.
7 und 8 verdeutlichen exemplarisch eine Ansteuerstrategie bei einer einfachen Sprungfunktion mit Hysterese in schematischen Diagrammdarstellungen. Beide Figuren zeigen zwei Verdichterkennfelder V1 und V2, die entsprechend durch Verstellung der variablen Drossel geschalten werden. Weiterhin zeigen beide Diagrammdarstellungen Schlucklinien S jeweils konstanter Motordrehzahlen N_motor. Die Schlucklinien spannen einen Hysteresebereich H (gepunkteter Bereich) auf. Steigt die Motordrehzahl N_motor gemäß 7 an, so erfolgt die Umschaltung vom ersten kleinen Verdichterkennfeld V1, beispielsweise von 60 % des maximalen Strömungsquerschnitts, auf das zweite große Verdichterkennfeld V2 bei der mittels durchgezogener Linie dargestellten Motordrehzahl. Sinkt die Motordrehzahl N_motor (in 8 dargestellt), dann erfolgt die Umschaltung vom großen Verdichterkennfeld V2 auf das kleine Verdichterkennfeld V1 erst bei der mittels der gestrichelten Linie dargestellten Motordrehzahl. Die Umschaltung erfolgt damit bei einer im Vergleich zu obigen Fall geringeren Motordrehzahl.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Verdichter 30 nicht zwingend Teil der in 1 exemplarisch beschriebenen Aufladevorrichtung 1 sein müssen. Vielmehr kann die Aufladevorrichtung 1 auch andersartig ausgestaltet sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung (1), wobei die Aufladevorrichtung (1) einen Verdichter (30) mit folgenden Merkmalen aufweist: - ein Verdichtergehäuse (31), in welchem ein Verdichterrad (13) drehfest auf einer drehbaren Läuferwelle (14) angeordnet ist; - einen Luftzuführkanal (36) zum Leiten eines Luftmassenstroms (LM) auf das Verdichterrad (13); und - eine im Luftzuführkanal (36) stromaufwärts des Verdichterrads (13) angeordnete variable Drossel zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts (A) für den Luftmassenstrom (LM), wobei die variable Drossel zwischen einer Offenstellung, in welcher ein maximaler Strömungsquerschnitt (A2) freigegeben ist, und einer Schließstellung, in welcher ein minimaler Strömungsquerschnitt (A1) freigegeben ist, verstellbar ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Ermitteln einer Kenngröße, die repräsentativ für eine Motordrehzahl (N_motor) der Brennkraftmaschine ist, - Ermitteln eines einzustellenden Strömungsquerschnitts (A) lediglich in Abhängigkeit der ermittelten Kenngröße, und - Ausgeben einer Sollgröße zum Betätigen der variablen Drossel zum Einstellen des ermittelten Strömungsquerschnitts (A).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des einzustellenden Strömungsquerschnitts (A) mittels einer Funktion (F1) erfolgt, die einen stückweisen linearen Verlauf hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des einzustellenden Strömungsquerschnitts mittels einer Funktion (F2) erfolgt, die einen stetigen Verlauf hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des einzustellenden Strömungsquerschnitts mittels einer Sprungfunktion (F3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des einzustellenden Strömungsquerschnitts mittels einer Sprungfunktion (F3) erfolgt, die eine Hysterese aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des einzustellenden Strömungsquerschnitts mittels einer Stufenfunktion (F4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des einzustellenden Strömungsquerschnitts mittels einer Stufenfunktion (F4) erfolgt, die eine Hysterese aufweist.
Steuervorrichtung (60) für eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung (1), die ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.