DE10310221B4

DE10310221B4 - Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks

Info

Publication number: DE10310221B4
Application number: DE10310221A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.sc.tech. Barba; Günter Dipl.-Ing. Moll; Joachim Zeger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Barba Christian Dr De; Moll Guenter Dipl-Ing De; Zeger Joachim De
Priority date: 2003-03-08
Filing date: 2003-03-08
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2023-03-09
Also published as: DE10310221A1; US20060021344A1; WO2004079174A1; US7260933B2

Abstract

Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks (p2) einer mittels eines Abgasturboladers (2) aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), wobei ein Ladedrucksollwert (p2_soll, p2_solllim1) mit einem vorgegebenen Grenzwert (p2_maxATL) verglichen und bei Überschreiten auf diesen begrenzt wird, und wobei der Grenzwert (p2_maxATL) in Abhängigkeit von einem vorliegenden Betriebszustand (n) der Brennkraftmaschine (1) und einer Temperatur (T1) und einem Druck (p1), die in Durchströmungsrichtung vor einem Verdichter (2.2) des Abgasturboladers (2) auftreten, ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Grenzwertes (p2_maxATL) zusätzlich ein Gasmassenstrom (dm1/dt) herangezogen wird, der in Durchströmungsrichtung vor dem Verdichter (2.2) auftritt und wobei der Grenzwert (p2_maxATL) mittels eines Simulationsmodells (11, 12) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodell (12) als eine von der Temperatur (T1) abhängige Schar von Kennlinien mit dem Verhältnis des Grenzwertes (p2_maxATL) zu dem Druck (p1) als Ausgangsgröße ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks einer mittels eines Turboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Insbesondere bei turbogeladenen Dieselmotoren wird das folgende Prinzip der Ladedruckregelung eingesetzt, falls es sich nicht um sog. selbstregelnde Lader handelt. Mittels eines Ladedrucksensors, welcher an einer geeigneten Stelle im Ansaugtrakt angeordnet ist, wird einem Steuergerät, insbesondere einem Fahrzeug- bzw. Motorsteuergerät, laufend der aktuelle Ist-Wert des Ladedrucks gemeldet. Diesen vergleicht das Steuergerät nun laufend mit einem Sollwert des Ladedrucks, um je nach Höhe und Verlauf der Abweichung des Sollwerts von dem Istwert über ein geeignetes Stellglied den Ladedruck zu beeinflussen. Es kann sich hierbei um ein elektrisch und/oder pneumatisch arbeitendes Stellglied handeln. Der Ladedruck kann insbesondere durch eine Verstellung an einem Wastegate einer Turbine eines Abgasturboladers oder durch Variation der Turbinengeometrie, insbesondere der Stellung der Turbinenleitschaufeln, je nach Bauart des Abgasturboladers beeinflusst werden.
Für die Regelung wird ein Sollwert bzw. werden Sollwerte des Ladedrucks benötigt. Der Sollwert bzw. die Sollwerte sind üblicherweise direkt im Steuergerät in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt als Kennfeld oder als Kennlinie hinterlegt. Der Betriebspunkt ist insbesondere durch die Motordrehzahl und die Motorlast definiert. Der Sollwert kann ggf. um Umgebungseinflüsse bzw. Umwelteinflüsse wie etwa Temperaturen und Umgebungsdruck korrigiert werden. Der Sollwert kann ggf. auch dynamisch korrigiert sein bzw. ein dynamisches Verhalten aufweisen, um das Einschwingverhalten bei schnellen Änderungen des Betriebspunktes zu verbessern.
Bei der Bestimmung der Sollwerte für den Ladedruck müssen insbesondere bei Volllastbetrieb verschiedene, zum Teil miteinander im Zielkonflikt stehende Randbedingungen berücksichtigt werden. Zu diesen Randbedingungen zählen insbesondere:

– Je höher der Ladedruck ist, desto mehr Luft bzw. mehr Gas erhält die Brennkraftmaschine und diese kann entsprechend mehr Drehmoment und Leistung abgeben.
– Werden bei niedrigem Luftdurchsatz an einem Verdichter des Abgasturboladers – also bei niedrigen Motordrehzahlen – zu hohe Sollwerte für die Ladedrücke eingestellt, so kommt es zu einem sog. „Pumpen" des Verdichters. Es gilt, dieses „Pumpen" aus Komfort-, Effizienz- und aus Gründen der Haltbarkeit des Abgasturboladers zu vermeiden.
– Werden bei hohem Luftdurchsatz am Verdichter – also bei hohen Motordrehzahlen – zu hohe Sollwerte für die Ladedrücke eingestellt, so kommt es zu einer Überdrehzahl des Abgasturboladers. Wegen der Gefahr der Zerstörung des Abgasturboladers und möglichen weiteren Folgeschäden an der Brennkraftmaschine gilt es, diesen Zustand unbedingt zu vermeiden.
– Die Einstellung zu hoher Ladedrücke geht außerdem einher mit einem Anstieg der Ladelufttemperatur, die in Strömungsrichtung nach dem Verdichter auftritt. Diese sollte je nach Ausführung und Material der bis zu einem im Ansaugtrakt vorgesehenen Ladeluftkühler folgenden Ladeluftwege begrenzt werden. Für die Ladeluftwege werden beispielsweise Elastomerschläuche eingesetzt.

Wegen der physikalischen Zusammenhänge am Verdichter sind für die Gefahren des „Pumpens" des Verdichters und der Überdrehzahl des Abgasturboladers nicht allein der Ladedruck, sondern das Verdichterdruckverhältnis p2/p1, wobei der Druck p2 in Strömungsrichtung den Absolutdruck nach dem Verdichter und der Druck p1 den Absolutdruck im Ansaugtrakt vor dem Verdichter darstellen soll, und der Volumenstrom durch den Verdichter maßgebend. Dies ergibt sich aus einem typischen Verdichter-Betriebskennfeld, welches beispielhaft in 1 dargestellt ist. In der 1 ist auf der Abzisse der Volumenstrom dV1/dt und auf der Ordinate das Druckverhältnis p2/p1 aufgetragen. Die Kurve a kennzeichnet hierbei die sog. Pumpgrenze und die Kurve b kennzeichnet die Abgasturbolader-Drehzahlgrenze. Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird detaillierter auf die 1 eingegangen. Bei Betrieb der Brennkraftmaschine in Höhe oder bei einem dem Ansaugtrakt zugeordneten verschmutzten Luftfilter, steigt das Verdichterdruckverhältnis p2/p1 bei konstantem absolutem Ladedruck p2 an, da in beiden Fällen der Druck p1 vor dem Verdichter abnimmt. Hierdurch nimmt die Gefahr, eine der beiden Grenzen, die Pumpgrenze bzw. die Abgasturbolader-Drehzahlgrenze, zu überschreiten, zu.
Erfolgt die Auslegung bzw. Auswahl der maximalen Ladedrücke und somit der maximalen Ladedrucksollwerte für Normalhöhe und sauberen Luftfilter derart, dass auch unter ungünstigsten Bedingungen – wie beispielsweise größte annehmbare Höhe und Luftfilter an der Verschmutzungsgrenze – ein Überschreiten der Pumpgrenze und der Abgasturbolader-Drehzahlgrenze sicher vermieden wird, so würde dies bei Normalbedingungen zu einer unnötigen Beschneidung der möglichen, erzielbaren Drehmoment- und Leistungswerte der Brennkraftmaschine führen.
Stattdessen werden die Ladedrucksollwerte typischerweise in einer Steuereinheit abhängig von einer Korrekturgröße korrigiert. Bei dieser Korrekturgröße kann es sich insbesondere um einen Atmosphärendruck oder vorzugsweise, falls ein entspre chender Drucksensor im Ansaugtrakt vor dem Verdichter vorgesehen ist, um den Druck p1 in Strömungsrichtung vor dem Verdichter handeln. Hierdurch wird es ermöglicht, unter Normalbedingungen höhere Ladedrücke und somit auch höheres Drehmoment und höhere Leistung zuzulassen. Die Ladedrücke werden nur für den Betrieb in Höhe mittels einer Korrektur über den Atmosphärendruck oder für den Betrieb in Höhe und/oder mit verschmutztem Luftfilter durch eine Korrektur über den Druck p1, der in Strömungsrichtung vor dem Verdichter auftritt, und/oder den Atmosphärendruck zur Vermeidung von „Pumpen" des Verdichters und/oder einer Überdrehzahl des Abgasturboladers reduziert.
Dies ist aus der Offenlegungsschrift DE 100 54 843 A1 bekannt. Hier wird der maximal zulässige Ladedruck in Abhängigkeit von einem Druck vor einem Verdichter p1 und Temperaturen vor und nach dem Verdichter im Ansaugtrakt und der Motordrehzahl ermittelt. Für die Ermittlung des maximal zulässigen Ladedrucks wird der Zusammenhang zwischen Luftaufwand und Motordrehzahl in Form einer Kennlinie benötigt. Derartige Kennlinien werden üblicherweise in Prüfstandsversuchen an einer Brennkraftmaschine entlang der Volllast unter Normalbedingungen ermittelt und im Steuergerät hinterlegt. Liegt der erforderliche Sollwert des Ladedrucks – beispielsweise durch einen Betrieb in Höhe – über dem gemäß der Offenbarung der DE 100 54 843 A1 ermittelten und in einem Steuergerät abgelegten maximal zulässigen Ladedruck, so wird das Steuergerät im Rahmen einer Minimalwertauswahl nur den maximal zulässigen Ladedruck einstellen. Liegt dahingegen die maximal zulässige Ladedruckgrenze, beispielsweise bei Normalhöhe, höher als der erforderliche Sollwert des Ladedrucks, so wird dieser selbstverständlich nicht durch die maximal zulässige Ladedruckgrenze begrenzt.
Der Gegenstand der Offenlegungsschrift DE 100 54 843 A1 versucht letztendlich, die begrenzenden Kurven Pumpgrenze und Abgasturbolader-Drehzahlgrenze (siehe 1) abzubilden. Die Bestimmung des Sollwerts für den Ladedruck beruht auf einer exemplarisch unter Normalbedingungen gemessenen Volllastkennlinie für den Luftaufwand bzw. auf einem exemplarisch unter Normalbedingungen gemessenen Volllast-Füllungsgradverlauf über der Drehzahl der Brennkraftmaschine und den entsprechenden Drücken und Temperaturen bzw. den entsprechenden Zustandsgrößen. Da die Kennlinie exemplarisch an einer Prüfstand- bzw. Musterbrennkraftmaschine unter Normalbedingungen entlang der Volllastkurve über der Drehzahl erfasst wird, können mittels der Kennlinie ermittelte Größen, wie beispielsweise ein Sollwert für den Ladedruck, von den tatsächlich erforderlichen Größen abweichen, da in der Realität der tatsächliche Füllungsgrad bzw. Luftaufwand

– von Brennkraftmaschine zu Brennkraftmaschine streut (Exemplarstreuung verschiedener Exemplare des gleichen Motortyps),
– durch Verschmutzung der luftführenden Teile (Ansaugkanäle, Saugrohr, etc.) und durch Ansteuerung bzw. Verstellung der Ansteuerzeiten, beispielsweise durch eine Längung einer Steuerkette oder eines Zahnriemens, über der Laufzeit nicht konstant bleibt, und weiterhin
– nicht nur von der Drehzahl, sondern auch von weiteren brennkraftmaschinenrelatierten Größen abhängig ist, wie beispielsweise von einer Last, einer Kühlwassertemperatur, einem Abgasgegendruck, welcher insbesondere bei Betrieb mit einem Rußfilter relevant ist, einer Leckage eines Abgasrückführ-Ventils, wenn eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Eine derartige Leckage ist insbesondere bei herkömmlichem Betrieb ohne Volllast-Abgasrückführung relevant.

Diese Aufzählung ist nicht abschließend. Werden die oben aufgezählten Kriterien nicht berücksichtigt, so müssen sie folglich dadurch abgefangen werden, dass die Sollwerte für die Ladedrücke so gewählt werden, dass ein entsprechend großer Abstand von den einzuhaltenden Grenzen (Pumpgrenze und Abgas turbolader-Drehzahlgrenze, siehe 1) auf Kosten der optimalen Drehmoment- und Leistungswerte eingehalten wird. Insbesondere der mögliche Einfluss des Abgasgegendrucks, der bei einem Betrieb mit Rußfilter abhängig von der aktuellen Rußfilterbeladung in sehr großem Rahmen schwankt, erschwert eine sinnvolle Nutzung des in der DE 100 54 843 offenbarten Verfahrens für Anwendungen mit Rußfilter.
Auch ist die erfolgreiche Verwendung eines Verfahrens zur Begrenzung des Ladedrucks, das die an Volllast bei Normalhöhe ermittelte Füllungsgradkurve bzw. Luftaufwandkurve der Brennkraftmaschine verwendet, in einer Höhe über der Normalhöhe fraglich, da in einer Höhe über der Normalhöhe die Volllastkurve der Brennkraftmaschine einer niedrigeren Last entspricht als bei Normalhöhe, denn die Füllung ist lastabhängig. Diese Lastabhängigkeit ist allerdings mit steigender Drehzahl zunehmend weniger ausgeprägt. Hinzu kommt, dass auch die wegen der Höhenänderung geänderten Betriebspunkte des Abgasturboladers andere Werte des Abgasgegendrucks bewirken als in Normalhöhe. Dies hat auch einen Einfluss auf die Füllungsgradkurve.
Des weiteren ist das Verfahren zur Begrenzung des Ladedrucks gemäß der Offenlegungsschrift DE 100 54 843 A1 aus den folgenden Gründen ungeeignet für Brennkraftmaschinen mit Volllast-Abgasrückführung.
Bei der üblichen Ausführung einer Abgasrückführung, insbesondere als sogenannte „Hochdruck-Abgasrückführung", wird das Abgas in Strömungsrichtung vor einer im Abgastrakt befindlichen Turbine des Abgasturboladers unter einem bestimmten Druck entnommen und nach einem im Ansaugtrakt typischerweise vorgesehenen Ladeluftkühler in den Luftstrom mit einem bestimmten Ladedruck einleitet. Ein Öffnen der Abgasrückführung bei Betrieb an Volllast verringert sowohl den Abgasstrom über die Turbine als auch den Luftstrom über den Verdichter, denn ein Teil der Motorfüllung stammt nun aus der Abgasrückfüh rung, welche schon vor der Turbine abgezweigt bzw. erst nach dem Verdichter zugespeist wird. In der Offenbarung der DE 100 54 843 A1 ist eine Abgasrückführung weder vorgesehen noch berücksichtigt.
Obwohl in einer Abgasrückführleitung ein Abgasrückführkühler vorgesehen sein kann, ist das in die Brennkraftmaschine eingeleitete Abgas aus der Abgasrückführung typischerweise heißer als die Ladeluft nach dem Ladeluftkühler. Hierdurch findet eine Aufheizung der Frischluft im Saugrohr bzw. in der Ladeluftverteilerleitung statt. Dies stellt einen Unterschied zu einem abgasrückführfreien Betrieb dar. Die Erwärmung führt auch dazu, dass die Brennkraftmaschine weniger Gasmasse ansaugt bzw. durchsetzt. Dies wiederum verringert den Volumenstrom am Verdichter.
In der DE 100 54 843 A1 ist eine Abgasrückführleitung nicht offenbart. Würde das Verfahren aus der DE 100 54 843 A1 bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung eingesetzt, so würde dies dazu führen, dass der Verdichterbetriebspunkt zumindest bezüglich der Abzisse im Verdichterkennfeld (1) nicht korrekt erkannt wird. Dies könnte wiederum zu einem unbeabsichtigten Überschreiten der Grenzen für das „Pumpen" und/oder die Abgasturbolader-Grenzdrehzahl führen. Selbstverständlich könnten im Steuergerät Füllungsgradverläufe abgelegt werden, welche bei Betrieb mit einer bestimmten, beispielsweise für Normalbedingungen geltenden Abgasrückführrate bestimmt wurden. Jede Abweichung von dieser Abgasrückführrate, sei es durch Ungenauigkeiten in der Abgasrückführregelung oder durch bewusste Verringerung der Abgasrückführrate in einer über der Normalhöhe liegenden Höhe, ergäbe jedoch eine Veränderung des Volumenstroms durch den Verdichter, die nicht erkannt bzw. nicht durch das Kennfeld berücksichtigt werden würde. Unbeabsichtigtes Überschreiten der Grenzen für „Pumpen" und/oder die Abgasturbolader-Grenzdrehzahl könnten die Folgen sein. Dies würde durch die Wahl eines Ladedrucksollwerts, welcher einen entsprechend großzügigen Abstand von diesen Grenzen garantiert, vermieden werden, allerdings zu dem Preis von verringertem Drehmoment und somit verringerter Leistung.
Ein zu großes Verhältnis zwischen Ladedruck nach dem Verdichter und Druck vor dem Verdichter geht außerdem einher mit einem Anstieg der Ladelufttemperatur nach dem Verdichter, wobei die maximal zulässige Ladelufttemperatur je nach Ausführung und Material der folgenden Ladeluftwege bis zum Ladeluftkühler (beispielsweise Elastomerschläuche) aus Sicherheits- und Haltbarkeitsgründen begrenzt werden muss. Der maximale Wert dieses Verhältnisses, bei dessen Überschreitung die maximal zulässige Ladelufttemperatur überschritten wird, hängt von mehreren Faktoren ab:

– vom Verdichtervolumenstrom, welcher den Verdichterwirkungsgrad mitbestimmt,
– vom Wirkungsgrad des Verdichters (Verdichter von beispielsweise verschiedener Bauart und „Güte" können auch verschiedene Wirkungsgradkennfelder haben), denn je schlechter dieser Wirkungsgrad ist, desto höher ist die Ladelufttemperatur bei konstanten Werten des Verdichtervolumenstroms und des Verhältnisses von Ladedruck zu Druck vor dem Verdichter,
– von der Gestaltung der Ladeluftstrecke vom Verdichter zum Ladeluftkühler, insbesondere von der Materialwahl, und
– von der Temperatur vor dem Verdichter, denn je höher diese ist, desto kleiner wird der Wert des Verhältnisses von Ladedruck zu Druck vor dem Verdichter sein, bei dem die zulässige Ladelufttemperatur erreicht bzw. überschritten wird.

Bei Anwendungsfällen, bei denen tendenziell die

– Abgasturbolader-Drehzahlgrenze eher hoch liegt,
– der Verdichterwirkungsgrad nicht extrem hoch liegt,
– die beispielsweise werkstoffbedingte Begrenzung der Ladelufttemperatur eher niedrig ist und
– die voraussichtlichen Einsatzgebiete auch Hochtemperaturgebiete umfassen (z. B. USA-Death-Valley mit Lufttemperaturen bis 60°C),

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 22 293 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Regelung einer Ladedruckbegrenzung eines Turboladers bei einem Verbrennungsmotor bekannt, bei dem nach bestimmten Zeitintervallen jeweils der Ist-Ladedruck ermittelt und mit vorgegebenen Werten für den Soll-Ladedruck im jeweiligen Betriebszustand aus einem gespeicherten Verdichterkennfeld verglichen und nachgeregelt wird. Nachteilig hierbei ist, dass bei der Bestimmung des maximal zulässigen Druckverhältnisses des Laders – und somit auch bei der Bestimmung des maximal zulässigen Ladedrucks – die vor dem Verdichter auftretende Temperatur nicht berücksichtigt wird. Es ist somit möglich, dass bei extremen Umgebungsbedingungen, noch bevor der maximal zulässige Ladedruck erreicht ist, die nach dem Verdichter auftretende Temperatur einen maximal zulässigen Wert überschreitet und somit Bauteile wie z.B. Elastomerschläuche beschädigt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das den Schutz beim Betrieb eines Abgasturboladers einer aufgeladenen Brennkraftmaschine gegenüber dem Stand der Technik verbessert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 2.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks einer mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei ein Ladedrucksollwert mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen und bei Überschreiten auf diesen begrenzt wird, und wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von einem vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine und einer Temperatur und einem Druck, die in Durchströmungsrichtung vor einem Verdichter des Abgasturboladers auftreten, ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Grenzwertes zusätzlich ein Gasmassenstrom herangezogen wird, der in Durchströmungsrichtung vor dem Verdichter auftritt und wobei der Grenzwert mittels eines Simulationsmodells ermittelt wird.

Erfindungsgemäß wird das Simulationsmodell nach Anspruch 1 als eine von der Temperatur abhängige Schar von Kennlinien mit dem Verhältnis des Grenzwertes zu dem Druck als Ausgangsgröße, beziehungsweise nach Anspruch 2 als eine von der Temperatur abhängige Schar von Kennfeldern mit dem Grenzwert als Ausgangsgröße ausgeführt.

Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren für den Einsatz an Brennkraftmaschinen mit insbesondere im Volllastbetrieb aktiver Abgasrückführung geeignet. Außerdem kann durch Erfassen bestimmter Einflüsse bzw. Störgrößen, beispielsweise einer Streuung des Füllungsgrades über unterschiedliche Brennkraftmaschinen-Exemplare, der Abnahme des Füllungsgrades über der Laufzeit oder veränderlichem Abgasstaudruck bei einem Betrieb mit einem Rußfilter im Abgastrakt, der Sicherheitsabstand zu der durch die Pumpgrenze und die Abgasturbolader-Drehzahlgrenze bestimmten Ladedruckgrenze verkleinert werden, wodurch ein hoher Ladedruck und dadurch ein hohes Drehmoment und somit eine hohe Leistung bei gleichzeitig sicherem Schutz des Abgasturboladers realisiert werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks einer Brennkraftmaschine wird vorzugsweise bei Brennkraftmaschinen eingesetzt, welche für den Einsatz in Verkehrsmitteln insbesondere in Kraftfahrzeugen gedacht sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Verdichterkennfeldes,
2 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, einem Abgastrakt und einem Abgasturbolader,
3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
4 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Funktionell gleichen Komponenten sind in den Figuren gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Verdichterkennfeldes, von einem Verdichter eines Abgasturboladers. Auf der Abzisse ist der Volumenstrom dV1/dt in den Verdichter und auf der Ordinate ist das Verhältnis p2/p1 von Ladedruck p2, d.h. dem Druck in Strömungsrichtung nach dem Verdichter, zu dem Druck p1 in Strömungsrichtung vor dem Verdichter dargestellt. Es handelt sich hierbei um ein typisches Verdichterkennfeld, auf das bereits in der Beschreibungseinleitung eingegangen wurde. Die Kurve a bezeichnet die Pumpgrenze und die Kurve b bezeichnet die Abgasturbolader-Drehzahlgrenze. Die gestrichelten Kurven c1 zeigt eine typische Betriebslinie bei Volllastbetrieb in Normalhöhe bzw. bei Normaltemperatur. Die gestrichelte Kurve c2 zeigt beispielhaft eine Betriebslinie bei Volllast unter einer Randbedingung, die zum Überschreiten der Laderdrehzahlgrenze b führt, und bei der daher die Begrenzung des Ladedrucks gemäß der Erfindung zum Schutz des Abgasturboladers eingesetzt werden kann bzw. sollte. Die Kurven d sind Wirkungsgradkennlinien, sog. Wirkungsgradmuscheln. Beispielhaft sind nur drei dieser Wirkungsgradlinien dargestellt. Die gepunktete Linie soll das Vorhandensein weiterer Wirkungsgradlinien andeuten.
In der 2 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, welcher über einen Ansaugtrakt 3 Gas bzw. Frischluft zugeführt wird und die über einen Abgastrakt 4 Abgas verlässt. Im Abgastrakt 4 bzw. im Ansaugtrakt 3 ist ein Abgasturbolader 2 angeordnet, dessen Turbine 2.1 im Abgastrakt 4 und dessen Verdichter 2.2 im Ansaugtrakt 3 vorgesehen ist. In Strömungsrichtung vor dem Verdichter ist ein Fühler bzw. Sensor 6, vorzugsweise ein Heißfilm-Luftmassensensor (HFM), zur Messung des Luftmassenstroms dm1/dt angeordnet. In Strömungsrichtung nach dem Verdichter 2.2 ist vorzugsweise ein Ladeluftkühler 5 angeordnet. Es kann eine Abgasrückführung 7 vorgesehen sein, welche stromauf der Turbine 2.1 von dem Abgastrakt 4 abzweigt und stromab des Ladeluftkühlers 5 mit dem Ansaugtrakt 3 verbunden ist. In der Abgasrückführung bzw. der Abgasrückführleitung 7 ist vorzugsweise ein Kühler 8 angeordnet. In Strömungsrichtung vor dem Verdichter 2.2 treten der Druck p1 und die Temperatur T1 auf. In Strömungsrichtung hinter dem Ladeluftkühler 5 treten im Ansaugtrakt 3 der Ladedruck p2 und die Ladelufttemperatur T2 auf.
Gemäß der Erfindung wird der Volumenstrom dV1/dt durch den Verdichter 2.2 nicht aus einer Füllungsgradkennlinie bzw. einer Luftaufwandskennlinie ermittelt, sondern aus gemessenen Größen zuverlässig ermittelt. Hierzu dient das Signal des Luftmassenmessers 6, welcher vorzugsweise nach einem nicht dargestellten Luftfilter in Strömungsrichtung vor dem Verdichter 2.2 angeordnet ist und bei dem es sich bevorzugterweise um einen Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM) handelt. Dieser misst den Luftmassenstrom dm1/dt in den Verdichter 2.2, der gemäß der Gasgleichung dV1/dt = dm1/dt·R·T1/p1mit Hilfe von Mess- und/oder Schätzwerten für die Temperatur T1 und den Druck p1, die in Strömungsrichtung vor dem Verdichter auftreten, sowie der Gaskonstanten R für Luft in den Volumenstrom dV1/dt durch den Verdichter umgerechnet werden kann. Die Temperatur T1 und der Druck p1 werden vorzugsweise mittels entsprechender, nicht dargestellter Sensoren ermit telt, welche im Ansaugtrakt 3 vor dem Verdichter 2.2 und insbesondere nahe dem Sensor vorgesehen sind. Auf diese Weise ist der tatsächliche Volumenstrom dV1/dt in den Verdichter und somit die Position auf der Abzisse des Verdichterkennfeldes (siehe 1) messtechnisch erfasst. Hierdurch werden ebenfalls Änderungen des Volumenstroms dV1/dt beispielsweise durch eine Änderung der Füllung der Brennkraftmaschine 1 und/oder durch die Abgasrückführung 7 zuverlässig erfasst.
In der 3 ist schematisch das erfindungsgemäße Verfahren als Blockschaltbild dargestellt. Ein in einem Steuergerät bzw. einer Steuereinheit, vorzugsweise in einem Basiskennfeld, hinterlegter Ladedrucksollwert p2_soll wird in einem Funktionsblock 10.1 mit einem maximal zulässigen Ladedruck p2_max verglichen. Dieser maximal zulässige Ladedrucksollwert p2_max ergibt sich aus einem Simulationsmodell 9, dessen Eingangsgröße die Motordrehzahl n ist. Bei dem Simulationsmodell 9 handelt es sich vorzugsweise um eine Kennlinie. Es kann sich allerdings auch um ein mathematisches oder physikalisches Modell, beispielsweise in Form einer Differenzial- bzw. Differenzengleichung, handeln. In dem Funktionsblock 10.1 findet eine Minimalwertauswahl statt. Der kleinere der beiden Werte p2_soll und p2_max bildet die Ausgangsgröße p2_soll_lim1 des Funktionsblocks 10.1.
Erfindungsgemäß wird ein gemessener Luftmassenstrom dm1/dt bei dem es sich selbstverständlich auch um eine Schätzgröße handeln kann, mit der Gaskonstanten R für Luft und der gemessenen bzw. geschätzten Temperatur T1, welche in Strömungsrichtung vor dem Verdichter herrscht, multipliziert. Der Luftmassenstrom dm1/dt wird vorzugsweise in der Einheit [kg/h] verarbeitet. Er kann wahlweise unkorrigiert, mit einer sog. Sensor- bzw. HFM-Driftkorrektur (betreffend Sensor 6) und/oder mit einer Sensor- bzw. HFM-Korrektur (betreffend Sensor 6) durch Abgleich des Luftmassensignals mit einem Einspritzmengensignal und dem Signal einer Lambda-Sonde (Lambda-Korrektur) verarbeitet werden. Das Produkt aus Luftmassen strom dm1/dt, Gaskonstante R und Temperatur T1 wird durch den Druck p1, welcher strömungsmäßig vor dem Verdichter herrscht, unter Bildung des Volumenstromes dV1/dt dividiert. Anstelle des Druckes p1 kann, beispielsweise wenn kein Sensor für diesen Druck vorgesehen ist oder dieser Druck aus anderen Gründen nicht ermittelbar ist, ein Atmosphärendruck p_atm anstelle des Drucks p1 verwendet werden.
Der ermittelte Volumenstrom dV1/dt und der Druck p1 vor dem Verdichter (oder ggf. dem Atmosphärendruck p_atm) werden als Eingangsgrößen einem Simulationsmodell 11 zugeführt. Die Ausgangsgröße des Simulationsmodells 11 bildet einen maximal zulässigen Ladedruck p2_maxATL, welcher einen Grenzwert darstellt und die Pumpgrenze a und die Abgasturbolader-Drehzahlgrenze b (siehe 1) berücksichtigt. Das Simulationsmodell ist vorzugsweise als Kennfeld ausgeführt; es kann allerdings auch als mathematisches und/oder physikalisches Modell ausgeführt sein.
In einem Funktionsblock 10.2 findet eine Minimalwertauswahl zwischen dem Ladedrucksollwert p2_solllim1 und dem maximal zulässigen Ladedruckgrenzwert p2_maxATL statt. Der kleinere dieser beiden Werte bildet die Ausgangsgröße p2_solllim2 des Funktionsblocks 10.2.
In einem weiteren Funktionsblock 10.3, in welchem ebenfalls eine Minimalwertauswahl stattfindet, wird der Sollwert p2_solllim2 bei einer Kraftfahrzeuganwendung vorzugsweise in Abhängigkeit von einem eingelegten Gang und/oder der momentanen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs unter Bildung der Ausgangsgröße p2_solllim3 als endgültigem zulässigen Sollladedruck begrenzt.
In der 4 ist eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen sind sowohl mathematisch als auch physikalisch gleichwertig. Das dargestellte Blockschaltbild entspricht weitestgehend dem in der 3 dargestellten Blockschaltbild. Anstelle des Simulationsmodells 11 ist ein Simulationsmodell 12 vorgesehen. Das Simulationsmodell 12 hat im Gegensatz zu dem Simulationsmodell 11 vorteilhafterweise nur eine Eingangsgröße, nämlich den Volumenstrom dV1/dt. Hierdurch ist die Dimension des Simulationsmodells 12 (beispielsweise eine zwei-dimensional bedatete Kennlinie) um Eins kleiner als die Dimension des Simulationsmodells 11 (entsprechend dem obigen Beispiel für das Simulationsmodell 12 z.B. ein drei-dimensional bedatetes Kennfeld). Die Ausgangsgröße y des Simulationsmodells 12 entspricht dem Verhältnis des maximal zulässigen Ladedrucks p2_maxATL zum Druck p1, welcher strömungsmäßig vor dem Verdichter herrscht, bei dem Pumpgrenze und Abgasturbolader-Drehzahlgrenze nicht überschritten werden. Zur Bildung des maximal zulässigen Ladedrucks p2_maxATL wird die Ausgangsgröße y noch mit dem Druck p1, welcher vor dem Verdichter herrscht, multipliziert. Falls der Druck p1 nicht messbar bzw. schätzbar sein sollte, beispielsweise weil kein Sensor zur Ermittlung des Drucks p1 im Ansaugtrakt vorgesehen und/oder kein Schätzverfahren in einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Steuergerät hinterlegt ist, kann anstelle des Drucks p1 der Atmosphärendruck p_atm verwendet werden.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Ladedruckbegrenzung zeichnet sich durch hohe Optimalität wegen des Ausschlusses von Ungenauigkeiten wie z.B. Exemplarsteuerung der Brennkraftmaschine und Alterungseffekten aus. Dies resultiert in entsprechenden Vorteilen für die sich ergebenden Drehmomente und Leistungen der Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhafterweise tauglich für den Betrieb mit einem Rußfilter im Abgastrakt und für den Betrieb mit Volllast-Abgasrückführung.
Alternativ kann der Ladedruck p2 in Strömungsrichtung gesehen direkt auch nach dem Verdichter und noch vor dem Ladeluftküh ler gemessen werden. Hierzu müsste an geeigneter Stelle nur ein entsprechender Sensor vorgesehen sein.
In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Simulationsmodelle 11 und 12 (siehe 3 und 4) von der Temperatur T1, welche in Strömungsrichtung gesehen vor dem Verdichter im Ansaugtrakt auftritt, abhängig. Die Temperatur T1 stellt also eine zusätzliche Eingangsgröße bzw. Einflussgröße der Simulationsmodelle 11 und 12 dar. Hierzu ist das Simulationsmodell 11, welches zwei Eingangsgrößen aufweist, vorzugsweise als eine parameterbehaftete Schar von Kennfeldern ausgeführt, wobei die Temperatur T1 als Parameter dient. Die Ausgangsgröße des Simulationsmodells 11 ist der maximal zulässige Sollladedruck p2_maxATL. Das Simulationsmodell 11 zeichnet sich nun durch den zusätzlichen Einfluss der Temperatur T1 durch eine Vierdimensionalität aus.
Bei der in der 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für eine Berücksichtigung der Temperatur T1, welche vor dem Verdichter in Strömungsrichtung gesehen auftritt, das Simulationsmodell 12 vorzugsweise als eine parameterbehaftete Schar von Kennlinien bzw. als entsprechendes Kennfeld ausgeführt, wobei die Temperatur T1, welche strömungsmäßig vor dem Verdichter auftritt, als Parameter dient. Das Simulationsmodell 12 zeichnet sich nun durch den zusätzlichen Einfluss der Temperatur T1 nur durch eine Dreidimensionalität aus. Die auf dem Simulationsmodell 12 basierende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist aus diesem Grunde vorteilhafter und einfacher z.B. in ein Steuergerät implementierbar als eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche auf dem Simulationsmodell 11 basiert. Aus eben diesem Grunde bildet die in der 4 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mit der zusätzlichen Eingangsgröße T1 die bevorzugte Ausführungsform.
Die Ausgangsgröße des Simulationsmodells 12 ist das Verhältnis des maximal zulässigen Ladedrucks p2_maxATL zu dem stömungsrichtungsmäßig vor dem Verdichter auftretenden Druck p1. Die Kennlinie p2/p1 = f(dV1/dt) des Simulationsmodells 12 wird also durch die weitere Eingangsgröße bzw. den Parameter T1 zu einem Kennfeld p2/p1 = f(dV1/dt, T1), wobei „f" als „Funktion von" zu verstehen ist.
Auf diese Weise kann bei einer kühleren Temperatur T1 der Ladedruck tatsächlich bis zum Erreichen der Abgasturbolader-Drehzahlgrenze erhöht werden. Der Ladedruck – und damit das Drehmoment der Brennkraftmaschine – braucht über diese Grenze hinaus nur bei solchen Temperaturen T1 beschnitten zu werden, bei denen ansonsten eine maximal zulässige bzw. kritische Ladelufttemperatur T2 überschritten werden würde. Für „normale" Temperaturen ist ein drehmoment- und leistungsoptimales Ausschöpfen des für den Abgasturbolader maximal zulässigen Ladedrucks möglich.
Für extrem hohe Temperaturen mit Gefahr der Beschädigung der Materialien, insbesondere der ggf. zwischen Verdichter und Ladeluftkühler vorgesehenen Elastomerschläuche, wird erfindungsgemäß der maximal zulässige Ladedruck entsprechend reduziert. Eine auch bei mäßigen Temperaturen wirksame und dadurch Drehmoment und Leistung verschenkende Beschränkung des Ladedrucks aus Sicherheitsgründen für den Fall extrem heißer Ansauglufttemperaturen T1, wie sie ansonsten zum Schutze der Materialen bzw. Elastomerschläuche zwischen Verdichter und Ladeluftkühler erfolgen müsste, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren überflüssig, weil der Temperatureinfluss der Ansauglufttemperatur T1 durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Simulationsmodelle 11 und 12 berücksichtigt wird und somit nur bei entsprechend hohen Temperaturen T1 eine entsprechende Beschränkung aktiv wird.

Claims

Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks (p2) einer mittels eines Abgasturboladers (2) aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), wobei ein Ladedrucksollwert (p2_soll, p2_solllim1) mit einem vorgegebenen Grenzwert (p2_maxATL) verglichen und bei Überschreiten auf diesen begrenzt wird, und wobei der Grenzwert (p2_maxATL) in Abhängigkeit von einem vorliegenden Betriebszustand (n) der Brennkraftmaschine (1) und einer Temperatur (T1) und einem Druck (p1), die in Durchströmungsrichtung vor einem Verdichter (2.2) des Abgasturboladers (2) auftreten, ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Grenzwertes (p2_maxATL) zusätzlich ein Gasmassenstrom (dm1/dt) herangezogen wird, der in Durchströmungsrichtung vor dem Verdichter (2.2) auftritt und wobei der Grenzwert (p2_maxATL) mittels eines Simulationsmodells (11, 12) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodell (12) als eine von der Temperatur (T1) abhängige Schar von Kennlinien mit dem Verhältnis des Grenzwertes (p2_maxATL) zu dem Druck (p1) als Ausgangsgröße ausgeführt ist.
Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks (p2) einer mittels eines Abgasturboladers (2) aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), wobei ein Ladedrucksollwert (p2_soll, p2_solllim1) mit einem vorgegebenen Grenzwert (p2_maxATL) verglichen und bei Überschreiten auf diesen begrenzt wird, und wobei der Grenzwert (p2_maxATL) in Abhängigkeit von einem vorliegenden Betriebszustand (n) der Brennkraftmaschine (1) und einer Temperatur (T1) und einem Druck (p1), die in Durchströmungsrichtung vor einem Verdichter (2.2) des Abgasturboladers (2) auftreten, ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Grenzwertes (p2_maxATL) zusätzlich ein Gasmassenstrom (dm1/dt) herangezogen wird, der in Durchströmungsrichtung vor dem Verdichter (2.2) auftritt und wobei der Grenzwert (p2_maxATL) mittels eines Simulationsmodells (11, 12) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodell (11) als eine von der Temperatur (T1) abhängige Schar von Kennfeldern mit dem Grenzwert (p2_maxATL) als Ausgangsgröße ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck (p2) in Abhängigkeit von einem eingelegten Gang (Gang) und/oder der momentanen Geschwindigkeit (v) des Kraftfahrzeugs begrenzt wird.