WO2009121674A1 - Vorrichtung zum steuern einer abgasturboaufladung eines verbrennungsmotors und verbrennungsmotor - Google Patents

Vorrichtung zum steuern einer abgasturboaufladung eines verbrennungsmotors und verbrennungsmotor Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for controlling an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharging device according to the preamble of the main claim and to an internal combustion engine comprising such a device.
  • a generic device comprises an estimation unit which is based on a physical model of the internal combustion engine, a control unit for determining at least one control intermediate variable, which is typically a control exhaust backpressure or a desired exhaust backpressure dependent variable, depending on from a sole boost pressure and an actual boost pressure measured as an operating variable or derived from operating variables, and an actuating signal generating unit for generating at least one actuating signal for at least one actuator of the turbine system.
  • Such a device for controlling an exhaust gas turbocharging is described, for example, in document WO 2006/106058 A1.
  • This is a model-based control in that both the estimation unit and the control unit and the control signal generating unit enter physical models of the corresponding internal combustion engine, which require a modeling of the characteristics of this internal combustion engine including the turbine system and the compressor system.
  • WO 2006/106058 A1 a model-based control in that both the estimation unit and the control unit and the control signal generating unit enter physical models of the corresponding internal combustion engine, which require a modeling of the characteristics of this internal combustion engine including the turbine system and the compressor system.
  • the invention is therefore based on the object of developing a corresponding device for controlling an exhaust gas turbocharger, which can be adapted to exhaust gas turbocharging devices with different system configurations with little effort and thus made suitable for controlling them. It should be striven that an adaptation of the device to another system configuration without reprogramming is possible only by an amended Bedatung.
  • the invention is further based on the object of proposing an internal combustion engine which comprises a correspondingly low-effort control device to be set up.
  • the estimated size unit comprises a turbine system model for determining an estimated overall efficiency of the turbine system and a compressor system model for determining an estimated overall efficiency of a compressor system of the exhaust gas turbocharger having at least two compressors arranged in an intake tract of the internal combustion engine, wherein the control unit is set up is to determine the control exhaust backpressure or the at least one other control intermediate size using the estimated overall turbine engine efficiencies; System and the compressor system, and / or that the control signal generating unit comprises an inverse turbine system model for the preferably at least two turbines containing turbine system for generating the at least one control signal depending not only on the at least one control intermediate size, which is typically the Rule exhaust backpressure can act, but also of at least one further operating variable or in the estimated size unit estimated value.
  • the turbine system model determines overall turbine system efficiency and the compressor system model determines overall compressor system efficiency, where at least the compressor system is complex in that it includes at least two compressors
  • the control unit is set up to determine the at least one control intermediate variable-that is, preferably the control exhaust backpressure or the variable dependent on the desired exhaust backpressure-as a function of the estimated overall efficiencies of the turbine system and the compressor system.
  • the said interfaces are then independent of the system configuration chosen for the turbocharger with the turbine system and the compressor system.
  • An adaptation of the device to another system configuration is also very easily possible because the compressor system model, the turbine system model and / or the inverse turbine system model independently of each other and without affecting the overall structure of the typically implemented by a corresponding programmable device device is possible.
  • no interfaces for internal operating variables of the turbine system or the compressor system is required, the definition of which depends on an internal structure of the compressor system or the turbine system.
  • the estimated variable unit is configured to determine a mass flow through a turbine system of the exhaust gas turbocharger arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine as a function of operating variables of the internal combustion engine, wherein the actuating signal generating unit is set up to generate the at least one Adjusting signal in dependence on the estimated mass flow through the turbine system and preferably in addition depending on an exhaust gas pressure downstream of the turbine system and of an exhaust gas temperature upstream of the turbine system.
  • the estimated size unit may be arranged in addition to determining an estimated exhaust backpressure.
  • a control apparatus suitable for most conventional exhaust gas turbocharger configurations is when the compressor system modeled by the compressor system model includes a low pressure compressor and a high pressure compressor connected downstream of the low pressure compressor, the compressor system model being arranged to determine the overall efficiency of the compressor system as a function of Farm sizes of the incinerator motors and modeled by maps efficiencies of the low-pressure compressor and the high-pressure compressor. In this case, the overall efficiency of the compressor system z. B. be determined as
  • ⁇ c ⁇ c, Lp- ⁇ c, HP-a / ( ⁇ c ⁇ H pb + c, c + Lp-bc)
  • ⁇ c for the overall efficiency of the compressor system, T
  • farm size in this document generally means measured sizes or derived quantities.
  • C , LP 1 is defined and at the same time the intermediate pressure with the actual boost pressure downstream and the intake pressure upstream of the compressor system is identified.
  • control exhaust gas backpressure used as a control variable is possible if the control unit cooperating with an actual controller feedforward control for determining a pilot exhaust backpressure function of operating variables of the internal combustion engine, the target boost pressure and the estimated total efficiencies of the turbine system and the compressor system, and the controller is accordingly configured to determine the control exhaust backpressure using the pilot exhaust backpressure determined by the pilot control.
  • the operating quantities or quantities derived therefrom for the pilot exhaust backpressure may include a boost pressure upstream of the compressor system, an exhaust pressure downstream of the turbine system, an intake air temperature upstream of the compressor system, an exhaust temperature upstream of the turbine system, a mass flow through the compressor system, and the estimated flow rate Include mass flow through the turbine system.
  • the control unit in simple embodiments of the invention requires no further input variables.
  • the operating variables used by the control unit and in particular by the pilot control should not include internal operating variables of the compressor system or of the turbine system, but at most depend indirectly on such internal operating variables with a dependence then taken into account within the estimated variable unit. So z.
  • the overall efficiency of the turbine system may depend on actuator positions of the turbine system, but the corresponding dependency is considered in the turbine system model and has no effect on the structure of the control unit or an interface to the control unit.
  • the internal combustion engine is equipped with exhaust gas recirculation in addition to the exhaust gas turbocharging device.
  • An advantageous decoupling of a control circuit of the exhaust gas turbocharging device described here from a control circuit of the exhaust gas recirculation can then be achieved by means of a decoupling unit, which is used to determine a decoupling mass flow by correcting the estimated mass flow through the turbine system as a function of a state or control variable Abgasruckchtung is set up.
  • a decoupling of the two control loops can then be achieved in a simple manner in that the inverse turbine system model generates the at least one control signal as a function of the decoupling mass flow and thus only indirectly dependent on the estimated mass flow through the turbine system.
  • the turbine system modeled by the turbine system model and the inverse turbine system model will include at least two turbines for driving the at least two compressors of the compressor system.
  • the turbine system may include a high pressure turbine for driving the high pressure compressor and a low pressure turbine downstream of the high pressure turbine for driving the low pressure compressor.
  • the turbine system controlled by the device based on the model can in each case have at least one actuator controlled by the actuating signal generation unit both for a first and a second of the turbines mentioned.
  • the actuating signal generating unit may be configured to generate both at least one actuating signal for the at least one actuator of the first turbine and at least one
  • Actuating signal for the at least one actuator of the second turbine such that depending on whether a threshold value of a control variable is exceeded or exceeded, either only the at least one of the first turbine associated control signal is varied, while the at least one actuator of the second turbine a assumes constant extreme position, or only the at least one of the second turbine associated control signal is varied, while the at least one actuator of the first turbine assumes a constant extreme position.
  • the threshold value is exceeded or fallen below, it is switched over between two different maps covered by the inverse turbine system model, which in each case are used to determine at least one actuating variable.
  • the inverse turbine system model can comprise at least one characteristic map which defines the corresponding actuating signal or the actuating signals or a combination of these actuating signals as a function of a pressure quotient derived from the control exhaust gas pressure and an operating variable downstream of the turbine system measured or calculated exhaust gas pressure is formed, and of a pressure and temperature normalized mass flow, which is formed as a function of the estimated mass flow through the turbine system.
  • the use of the pressure and temperature standardized mass flow is advantageous because it provides a particularly simple representation of the
  • the exhaust gas backpressure determined in any case can be used in the simplest manner as well as an exhaust gas temperature measured or calculated as the operating variable in the exhaust gas tract upstream of the turbine system.
  • the estimated mass flow through the turbine system or, where appropriate, the decoupling mass flow formed therefrom can be multiplied by the square root of the exhaust gas temperature in the exhaust tract upstream of the turbine system and divided by the control exhaust backpressure, possibly with additional multiplication by a normalization factor.
  • the at least one map used by the inverse turbine system model can be formed such that it does not show any dependency on internal operating variables of the turbine system, ie no dependence on such operating variables whose definition depends on the system configuration of the turbine system.
  • the turbine system model used to determine the overall efficiency of the turbine system can be realized with at least one performance map, which is a determination of this overall efficiency as a function of the already mentioned Pressure quotient of control exhaust backpressure and the measured or calculated exhaust pressure downstream of the turbine system and from a current position of the at least one actuator allowed.
  • this map should also show no dependency on internal operating variables of the turbine system, which is not necessary for proper modeling and design independent of the system configuration of the interfaces between the treasure unit and the control unit and the control signal Generating unit allows.
  • Each of the turbines of the turbine system can be equipped both with a variable turbine geometry and accordingly have a turbine geometry actuator as well as being provided with a wastegate valve as the only actuator or the turbine geometry actuator to be added. If one of the turbines or each turbine is equipped both with a variable turbine geometry and with a wastegate, a common, one-parameter actuating signal can also be used to drive the corresponding actuators of the respective turbine, which serves as a meaningful control of the actuators as well simple modeling of the turbine system allowed.
  • the actuating signal generating unit may be designed so that, starting at an extreme position in which the wastegate is closed and the corresponding turbine shows a minimal open cross-section, first the cross-section of the turbine is opened with the wastegate closed, only when fully completeness open turbine is opened with an opening of the wastegate, while maintaining a then maximum flow cross section of the turbine.
  • the low-pressure turbine is in certain embodiments of the invention, if appropriate, only triggered by gradual opening of a turbine cross-section and / or a wastegate valve, when the then upstream high-pressure turbine is already fully open and / or a wastegate valve of the high-pressure turbine is open.
  • the High-pressure turbine to have a bypass valve, which allows bridging the high-pressure turbine and thus a quasi-reduction of the turbine system to the low-pressure turbine.
  • a bypass valve may be provided which allows to bypass a high pressure compressor driven by the high-pressure turbine and which expediently is opened exactly when the high-pressure turbine and / or a wastegate valve of the high-pressure turbine and / or a bypass valve of the High pressure turbine is fully open.
  • FIG. 1 a is a schematic representation of an internal combustion engine with a serial exhaust gas turbocharging with a superset of possible actuators
  • FIG. 1 b shows a corresponding representation of an internal combustion engine with an alternately designed exhaust gas turbocharger, by which a parallel exhaust gas turbocharging is realized, with a supermount of possible actuators
  • FIG 1 shows a representation of a device for controlling the exhaust gas turbocharging of the internal combustion engine from FIG.
  • FIG. 3 is an inverse turbine system model map used as a three-dimensional diagram used in this apparatus.
  • FIG. 3 is an inverse turbine system model map used as a three-dimensional diagram used in this apparatus.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating various operating ranges of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine depicted in FIG. 1 a has, in addition to an engine block 1 illustrated here with six cylinders, an exhaust tract with a turbine system 2 and an intake tract which, in addition to a charge air cooler 3, comprises a compressor system 4.
  • the turbine system 2 in turn comprises two turbines, namely a variable turbine geometry equipped high-pressure turbine 5 and also equipped with variable turbine geometry and downstream in the exhaust tract downstream of the high-pressure turbine 5 low-pressure turbine 6.
  • Turbine geometry actuators of the high-pressure turbine 5 and the low-pressure turbine 6 are each through an arrow is shown.
  • Actuator is a wastegate valve 7 is provided, which is connected in parallel to the high-pressure turbine 5.
  • the high-pressure turbine 5 can be completely bypassed by opening a bypass valve 8.
  • a further wastegate valve 9 is finally connected, which can be regarded as an additional actuator of the low-pressure turbine.
  • the compressor system 4 has a low-pressure compressor 10 driven by the low-pressure turbine 6 and a high-pressure compressor 11 which is connected downstream of the low-pressure compressor 10 in the intake tract and is driven by the high-pressure turbine 5. Parallel to the high-pressure compressor 11, a further bypass valve 12 is connected, so that the high-pressure compressor can be bridged by opening this bypass valve.
  • the turbine system 2 forms, together with the compressor system 4, an exhaust gas turbocharging device for an exhaust gas turbocharger of the depicted internal combustion engine, which can be controlled by a control device not shown in FIG. 1 a itself, by driving the actuators of the turbine system 2 through the turbine geometry Actuators of the two turbines and the Wastegate valves 7 and 9 and the bypass valve 8 are given. As another actuator associated with the compressor system, the same controller also drives the bypass valve 12.
  • FIG. 1b A corresponding internal combustion engine with an exhaust gas turbocharging realized as an alternative is depicted in FIG. 1b, in which recurring features are again provided with the same reference numerals.
  • An exhaust gas turbocharging device of this internal combustion engine again comprises a turbine system 2 'and a compressor system 4', in which case the turbine system 2 'has a first turbine 5' and a second turbine 6 'connected in parallel to it, deviating from the previous example.
  • the first turbine 5 ' drives a first compressor 10' of the compressor system 4 'and the second turbine 6' drives a second compressor 11 'connected here parallel to the first compressor 10'.
  • actuators here are a wastegate valve 7 'for bridging the first turbine 5' and a shut-off valve 8 'for shutting off the second turbine 6' and a disproportionate facultyigerweise together with this shut-off valve 8 'controlled shut-off valve 12' for the second compressor 11 'and in addition
  • the said actuators are to be understood as a superset of various possible actuator combinations, of which only subsets can be realized in different embodiments.
  • control device is provided to control the actuators again in Fig. Ib not shown.
  • the control device for the turbocharger of the internal combustion engine of Fig. Ia is shown schematically in Fig.
  • FIG. 2 wherein quite analogously, a control device for the alternative exhaust gas turbocharger from Fig. Ib can be realized.
  • Various components of the control device are illustrated in FIG. 2 by blocks which do not necessarily have to be physically separated, but can also only be implemented programmatically by various subroutines.
  • the depicted device for controlling the exhaust gas turbocharging has, in particular, an estimated variable unit 13, which comprises a physical model of the internal combustion engine and which is set up inter alia for determining an estimated mass flow MF ⁇ , md i by the turbine system 2 as a function of operating variables BG of the internal combustion engine , In particular, a mass flow MF 0 of intake air through the compressor system 4 and a fuel mass flow FF are used as operating variables BG, both of which are determined as measured variables.
  • the estimated size unit 13 further includes a turbine system model for determining a modeled total efficiency efficiency ⁇ ⁇ of the turbine system 2 and a compressor system model for determining a modeled overall efficiency ⁇ c of the compressor system 4.
  • control device has a control unit formed by a precontrol 14 and a controller 15 for determining a control exhaust gas back pressure P3, c ti as a function of a desired boost pressure P2, sp and an actual boost pressure p 2 measured as an operating variable.
  • the control exhaust back pressure P3, ct i is determined using the estimated total efficiency ⁇ ⁇ and ⁇ c of the turbine system 2 and the compressor system 4 determined by the estimated variable unit 13.
  • the feedforward control 14 which transmits the total efficiency ⁇ ⁇ and ⁇ c and the estimated mass flow MF ⁇ , md i from the estimated variable unit 13 via an interface, first determines a pilot exhaust back pressure P3, pre in dependence on both of the estimated variable unit 13 received Sizes as well as the desired boost pressure P2, sp and of other typically directly measured operating variables of the internal combustion engine.
  • the control exhaust back pressure P3, ct i is then obtained from the pilot exhaust back pressure P3, pre by means of the correspondingly programmed regulator 15, by determining a correction value as a function of a difference between the desired boost pressure P2, sp and the actual boost pressure p2 is then added to the pilot exhaust back pressure P3, pre .
  • corresponding sensors are provided in the intake tract and in the exhaust tract of the internal combustion engine. Under certain circumstances, some of the mentioned operating variables can also be calculated, for example in the estimated size unit 13, so that at least one direct measurement is unnecessary.
  • pilot exhaust back pressure P3, pre can be determined by the pilot control 14 in particular as follows:
  • Air and ⁇ e ⁇ h for the isentropic exponent of the exhaust gas are also possible.
  • this equation can be represented very simply as a characteristic diagram.
  • control device shown in FIG. 2 also has a control signal generation unit 16, which comprises an inverse turbine system model and is set up for generating control signals S V TG, HP, S WG , HP, S B YP, HP, S V TG, LP and S WG , LP for the already mentioned actuators of the turbine system 2 as a function of the control exhaust back pressure P3, ct i and the estimated mass flow MF ⁇ , md i through the turbine system 2.
  • control signal generation unit 16 comprises an inverse turbine system model and is set up for generating control signals S V TG, HP, S WG , HP, S B YP, HP, S V TG, LP and S WG , LP for the already mentioned actuators of the turbine system 2 as a function of the control exhaust back pressure P3, ct i and the estimated mass flow MF ⁇ , md i through the turbine system 2.
  • S V T G HP a turbine geometry control signal for the high-pressure turbine 5, S WG , HP an actuating signal for the wastegate valve 7, S B YP, HP an actuating signal for the bypass valve 8, as a function of which simultaneously with the bypass valve 8 also the bypass valve 12 is opened, S V T G , LP a turbine geometry control signal for the low-pressure turbine 6 and S WG , LP an actuating signal for the wastegate valve.
  • the illustrated control device forms part of a control circuit of the exhaust gas turbocharger, with which, in particular, the boost pressure p 2 is to be controlled.
  • the combustion engine shown in FIG. 1 a and controlled by the control device is additionally equipped with exhaust gas recirculation not shown there.
  • the control device from FIG. 2 additionally has a decoupling unit 17 which is set up to determine a decoupling mass flow MF ⁇ , dec by correcting the value estimated by means of the estimated variable unit 13
  • Mass flow MF ⁇ , md i as a function of a state or control variable MF EG R, c ti the exhaust gas recirculation, which is an exhaust gas recirculation flow used as a control variable.
  • the turbine system model encompassed by the actuating signal generating unit 16 thus indirectly generates the actuating signals in the present embodiment as a function of the estimated mass flow MF ⁇ , md i, as it derives the decoupling mass flow MF ⁇ , dec derived therefrom Decoupling unit 17 is obtained.
  • a comparable decoupling of two control loops is described in more detail in the document WO 2006/106058 A1.
  • the inverse turbine system model which determines the actuating signals S V TG, HP, S WG , HP, S B YP, HP, S V TG, LP and S WG , LP using maps, finally uses measured operating variables, namely the upstream of the turbine system 2 measured or calculated in the exhaust system in the treasure Great unit 13 exhaust gas temperature T 3 and the measured or in the exhaust section downstream of the turbine system 2 calculated exhaust gas pressure p. 4
  • the maps used by the inverse turbine system model show no dependence on internal operating variables of the turbine system 2.
  • the aforementioned actuators are dependent on the actuating signals S V TG, HP, S WG , HP, S B YP, HP, S V TG, LP and S WG , LP, which receives the actuator control 18 from the actuating signal generating unit 16, the actuators having corresponding drives or actuators therefor.
  • the actuating signal generating unit 16 can moreover be set up for generating limit value indicators which, when limit values are reached, are sent to the controller 15 by input or output variables of the actuating signal generating unit 16 and thus limit a control operation in order to avoid oversteering.
  • the compressor system model encompassed by the treasury unit 13 determines the overall efficiency ⁇ c of the compressor system 4 as a function of the operating variables BG of the internal combustion engine and of efficiencies T
  • the overall efficiency ⁇ c of the compressor system 2 can with the efficiency T
  • the overall efficiency ⁇ c of the compressor system 4 at present embodiment determined by the compressor system model as
  • the intermediate pressure p inter can be measured either as the internal operating variable of the compressor system 4 or also in a simple manner as a function of the intake pressure pi and the efficiency T
  • the physical efficiency ⁇ c denotes the quotient of the isentropic compression power of the compressor system 4 and the sum of the mechanical power injected into the compressors of the compressor system 4.
  • C , LP of the low-pressure compressor is determined, also shows a dependence on the intake air temperature Ti, which is measured anyway, while the map for the efficiency ⁇ c , HP of the high-pressure compressor from a prevailing in the intake between the low-pressure compressor 10 and the high-pressure compressor 11 temperature
  • this does not necessarily have to be measured since it is based on the intake air temperature I 1 and the efficiency T
  • the inverse turbine system model includes a map for determining the control signals S V TG, HP, S WG , HP and S B YP, HP and another map for determining the control signals S VTG , LP and S WG , LP- Turbine associated control signals SVTG, HP, S WG , HP and S B YP, HP and SVTG, LP and S WG , LP summarized in each case a combined control signal S c .
  • Such a map of the inverse turbine system model is in
  • the actuating signal generating unit 16 is programmed accordingly.
  • the turbine system model encompassed by the estimated variable unit 13 is implemented by maps which respectively indicate the overall efficiency ⁇ ⁇ as a function of the already mentioned pressure quotient PQ T and a current combined actuator position S c . Apart from the respective actuator position S c , these maps again show no dependence on internal operating variables of the turbine system 2.
  • One of these maps is illustrated by way of example in FIG. 4.
  • FIG. 5 graphically illustrates how one of the combined actuator positions S c is formed as a function of a turbine geometry control signal S VTG and an actuating signal for a wastegate valve S WG associated with the same turbine.
  • an actuator position POS VTG of a variable-turbine geometry turbine-adjusting actuator is set depending on the turbine geometry setting signal S VTG
  • an actuator position POS WG of corresponding wastegate valve is set depending on the actuating signal S WG .
  • the two associated with this turbine actuators expediently be controlled so that the turbine geometry is only changed when the wastegate valve is closed, while the wastegate valve is adjusted only when the turbine geometry is set according to a maximum flow cross-section.
  • a one-parameter combined actuator position POS C can be defined for this turbine, which is determined or predetermined in a manner shown at the top in FIG. 5 by the combined control signal S c .
  • the combined control signal S c accordingly depends uniquely with the two actuating signals S VTG and S WG .
  • a combined control signal S c is defined both for the high-pressure turbine 5 and for the low-pressure turbine 6.
  • the bypass valve 8 is opened exactly when the combined control signal S c of the high-pressure turbine 5 determines a complete opening of both the high-pressure turbine 5 and the wastegate valve 7.
  • FIG. 6 illustrates in a diagram four different operating variable ranges 19, 20, 21 and 22, which differ from one another by different values of a rotational speed N of the internal combustion engine and a torque M of the internal combustion engine.
  • the torque M is dependent on the speed N and the actual boost pressure p 2 , which in turn is normally adjusted in the manner described to the target boost pressure P2, sp , the boost pressure P2, sp is defined depending on an accelerator pedal position.
  • a transitional area 23 is hatched, which separates the operating area areas 19 and 20 from the operating area areas 21 and 22.
  • the control device of the turbocharger is now programmed so that in operating conditions at low speeds N, which are in the diagram of Fig. 6 left of the transition region 23, a Control of the boost pressure P 2 by adjusting the actuators of the high-pressure turbine 5 with completely closed Wastegate valve 9 and minimal flow cross-section of the low-pressure turbine 6, while operating conditions with higher speeds N, in the diagram of Fig. 6 right of U transition region 23, a control of the boost pressure P2 by adjusting the actuators is carried out, which are associated with the low-pressure turbine 6, while the high-pressure turbine 5, the wastegate valve 7 and the bypass valve 8 are fully open.
  • the transition region 23 has a finite width, whereby a hysteresis is defined, which avoids an unnecessary jump between control methods according to adjacent operating size ranges 19 and 22 or 20 and 21.
  • the boost pressure P 2 is not regulated, but controlled only by unregulated control of the actuators.
  • the actual boost pressure control takes place in the above-lying operating size ranges 19 and 22 with the control device described above.
  • the actuating signal generating unit 16 is accordingly set up so that either only the
  • transitional region 23 is passed through between the operating variable regions 19 and 22, then both between two different characteristics of the inverse turbine System model and between two used to determine the overall efficiency ⁇ ⁇ of the treasure large unit 13 maps switched.
  • switching is meant a change from an access to one of the maps to an access to the respective other map.
  • the transitional region 23 defines for each torque M two threshold values for the rotational speed N which are spaced apart by a hysteresis difference and at which such a switching takes place

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern einer Abgasturboaufladung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasturboladungsvorrichtung, umfassend eine Schätzgrößeneinheit (13) zum Bestimmen eines Massenstroms (MFt,mdl) durch ein Turbinensystem (2) des AbgasturboaufIadungsvorrichtung, eine Regeleinheit zum Ermitteln eines Regel-Abgasgegendrucks (P3,ctl) in Abhängigkeit von einem Soll-Ladedruck (p2,sp) und einem Ist-Ladedruck (p2) sowie eine Stellsignal-Erzeugungseinheit (16) zum Generieren mindestens eines Stellsignals (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP) für mindestens ein Stellglied des Turbinensystems (2) in Abhängigkeit vom Regel-Abgasgegendruck (P3,ctl) und vom Massenstrom (MFt,mdl) durch das Turbinensystem (2), wobei die Schätzgrößeneinheit (13) ein Turbinensystem-Modell zum Bestimmen eines geschätzten Gesamtwirkungsgrades (?t) des Turbinensystems (2) und ein Verdichtersystem-Modell zum Bestimmen eines geschätzten Gesamtwirkungsgrades (?c) eines Verdichtersystems (4) der Abgasturboaufladungsvorrichtung mit mindestens zwei Verdichtern umfasst und wobei die Regeleinheit eingerichtet ist zum Ermitteln des Regel-Abgasgegendrucks (P3,ctl) unter Verwendung der geschätzten Gesamtwirkungsgrade (?t, ?c). Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor mit einer entsprechenden Steuervorrichtung.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Steuern einer Abgasturboaufladung eines Verbrennungsmotors und Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern einer Abgasturboaufladung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasturboaufladungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie einen Verbrennungsmotor, der eine derartige Vorrichtung umfasst.
Die Notwendigkeit solcher Steuerungsvorrichtungen für Abgasturboaufladungsvorrichtungen, die zur Ladedrucksteuerung bzw. -regelung dienen, ergibt sich aus höher werdenden Anforderun- gen an Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emissionen, Ansprechverhalten und Komfort einerseits und aus zunehmend komplexer werdenden Konfigurationen von für Verbrennungsmotoren verwendeten Abgasturboladern andererseits. Eine gattungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Schätzgrößeneinheit, die auf ei- nem physikalischen Modell des Verbrennungsmotors aufbaut, eine Regeleinheit zum Ermitteln mindestens einer Regelzwischengröße, bei der es sich typischerweise um einen Regel- Abgasgegendruck oder um eine von einem Soll-Abgasgegendruck abhängige Größe handelt, in Abhängigkeit von einem SoIl- Ladedruck und einem als Betriebsgröße gemessenen oder von Betriebsgrößen abgeleiteten Ist-Ladedruck sowie eine Stellsignal-Erzeugungseinheit zum Generieren mindestens eines Stellsignals für mindestens ein Stellglied des Turbinensystems.
Eine solche Vorrichtung zum Steuern einer Abgasturboaufladung ist beispielsweise in der Druckschrift WO 2006/106058 Al beschrieben. Dabei handelt es sich um eine modellbasierte Steuerung insofern, als sowohl in die Schätzgrößeneinheit als auch in die Regeleinheit und die Stellsignal-Erzeugungs- einheit physikalische Modelle des entsprechenden Verbrennungsmotors eingehen, die eine Modellierung der Eigenschaften dieses Verbrennungsmotors einschließlich des Turbinensystems und des Verdichtersystems erfordern. Angesichts der Entwick- lung zahlreicher sehr unterschiedlicher Motor- und Abgasturboladerkonfigurationen ergibt sich daraus das Problem, dass für eine Entwicklung und Wartung von für diese unterschiedlichen Konfigurationen geeigneten Steuerungsvor- richtungen mit dementsprechend verschiedenen Algorithmen und Funktionen ein nachteilig hoher Aufwand getrieben werden muss .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine entspre- chende Vorrichtung zum Steuern einer Abgasturboaufladung zu entwickeln, die mit geringem Aufwand an Abgasturboaufladungs- vorrichtungen mit verschiedenen Systemkonfigurationen ange- passt und so zu deren Steuerung geeignet gemacht werden kann. Dabei ist anzustreben, dass eine Anpassung der Vorrichtung an eine andere Systemkonfiguration ohne Neuprogrammieren lediglich durch eine geänderte Bedatung möglich ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, der eine entsprechend aufwandsarm einzurichtende Steuervorrichtung umfasst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch einen Verbrennungsmotor mit dem Merkmalen des Anspruchs 20. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche .
Demnach ist vorgesehen, dass die Schätzgrößeneinheit ein Tur- binensystem-Modell zum Bestimmen eines geschätzten Gesamtwirkungsgrades des Turbinensystems und ein Verdichtersystem- Modell zum Bestimmen eines geschätzten Gesamtwirkungsgrades eines in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichtersystems der Abgasturboaufladungsvorrichtung mit mindestens zwei Verdichtern umfasst, wobei die Regeleinheit eingerichtet ist zum Ermitteln des Regel-Abgasgegendrucks o- der der mindestens einen anderen Regelzwischengröße unter Verwendung der geschätzten Gesamtwirkungsgrade des Turbinen- Systems und des Verdichtersystems, und/oder dass die Stellsignal-Erzeugungseinheit ein inverses Turbinensystem-Modell für das vorzugsweise mindestens zwei Turbinen enthaltende Turbinensystem umfasst zum Generieren des mindestens einen Stellsignals in Abhängigkeit nicht nur von der mindestens einen Regelzwischengröße, bei der es sich typischerweise um den Regel-Abgasgegendruck handeln kann, sondern auch von mindestens einer weiteren Betriebsgröße oder in der Schätzgrößeneinheit ermittelten Schätzgröße.
Wenn das Turbinensystem-Modell einen Gesamtwirkungsgrad des Turbinensystems und das Verdichtersystem-Modell einen Gesamtwirkungsgrad des Verdichtersystems bestimmt, wobei zumindest das Verdichtersystem insofern komplex ist, als es mindestens zwei Verdichter umfasst, wird es vorteilhafter Weise möglich, Schnittstellen zwischen der Schätzgrößeneinheit, der Regeleinheit und der Stellsignal-Erzeugungseinheit so zu gestalten, dass diese Schnittstellen sich nicht von den entsprechenden Schnittstellen einer entsprechenden Steuerung für ei- nen einfachen Abgasturbolader mit nur einstufiger Aufladung und insbesondere einem einfachen Verdichtersystem mit nur einem Verdichter, angetrieben von einem einfachen Turbinensystem mit nur einer Turbine, unterscheiden. Erreicht wird das dadurch, dass die Regeleinheit eingerichtet ist zum Ermitteln der mindestens einen Regelzwischengröße - also vorzugsweise des Regel-Abgasgegendrucks oder der vom Soll-Abgasgegendruck abhängigen Größe - in Abhängigkeit von den geschätzten Gesamtwirkungsgraden des Turbinensystems und des Verdichtersystems. Die genannten Schnittstellen sind dann also unabhängig von der für die Abgasturboaufladungsvorrichtung mit dem Turbinensystem und dem Verdichtersystem gewählten Systemkonfiguration. Eine Anpassung der Vorrichtung an eine andere Systemkonfiguration ist außerdem sehr einfach dadurch möglich, dass das Verdichtersystem-Modell, das Turbinensystem-Modell und/oder das inverse Turbinensystem-Modell unabhängig voneinander und ohne Auswirkungen auf die Gesamtstruktur der typischerweise durch eine entsprechende programmtechnische Einrichtung realisierten Vorrichtung möglich ist. Insbesondere werden zwischen der Schätzgrößeneinheit, der Regeleinheit und der Stellsignal-Erzeugungseinheit keine Schnittstellen für interne Betriebsgrößen des Turbinensystems oder des Verdichtersystems benötigt, deren Definition von einer inneren Struktur des Verdichtersystems oder des Turbinensystems abhängt. In vielen Fällen wird für eine Anpassung der Vorrichtung an eine geänderte Systemkonfiguration der Abgasturboauf- ladungsvorrichtung sogar nicht einmal eine Umprogrammierung des Verdichtersystem-Modells, des Turbinensystem-Modells und/oder des inversen Turbinensystem-Modells, sondern lediglich eine neue Bedatung erforderlich sein. Daraus folgt auch, dass die Realisierung einer entsprechenden Steuervorrichtung für einen neuen Motoren- und/oder Abgasturboaufladungstyp mit ausgesprochen geringem Aufwand möglich ist.
Bei einer im Hinblick auf eine einfache Realisierbarkeit zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist die Schätzgrößeneinheit eingerichtet zum Bestimmen eines Massenstroms durch ein in einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnetes Turbinensystem der Abgasturboaufladungsvorrichtung in Abhängigkeit von Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors, wobei die Stellsignal-Erzeugungseinheit eingerichtet ist zum Generieren des mindestens eines Stellsignals in Abhängigkeit vom geschätzten Massenstrom durch das Turbinensystem und vorzugs- weise zusätzlich in Abhängigkeit von einem Abgasdruck stromabwärts des Turbinensystems und von einer Abgastemperatur stromaufwärts des Turbinensystems. Die Schätzgrößeneinheit kann zusätzlich zum Bestimmen eines geschätzten Abgasgegendrucks eingerichtet sein.
Eine für die meisten üblichen Abgasturboaufladungs- Konfigurationen geeignete Steuervorrichtung ergibt sich, wenn das durch das Verdichtersystem-Modell modellierte Verdichtersystem einen Niederdruckverdichter und einen stromabwärts hinter den Niederdruckverdichter geschalteten Hochdruckverdichter umfasst, wobei das Verdichtersystem-Modell eingerichtet ist zum Bestimmen des Gesamtwirkungsgrads des Verdichtersystems in Abhängigkeit von Betriebsgrößen des Verbrennungs- motors und von durch Kennfelder modellierten Wirkungsgraden des Niederdruckverdichters und des Hochdruckverdichters. Dabei kann der Gesamtwirkungsgrad des Verdichtersystems z. B. bestimmt werden als
ηc = ηc,Lp-ηc,Hp-a/ (ηc,Hp-b + ηc,Lp-c + b-c)
oder als davon abgeleitete Größe, wobei ηc für den Gesamtwirkungsgrad des Verdichtersystems, T|C,LP für den Wirkungsgrad des Niederdruckverdichters und ηc,HP für den Wirkungsgrad des Hochdruckverdichters steht und wobei a, b und c für Variablen stehen, die nur vom Ist-Ladedruck, von einem als Betriebsgröße gemessenen Ansaugdruck stromaufwärts des Verdichtersystems und einem im Ansaugtrakt zwischen dem Niederdruckverdichter und dem Hochdruckverdichter herrschenden Zwischendruck abhängen. Dieser Zwischendruck kann gemessen oder auch in einfacher Weise berechnet werden. Der Begriff Betriebsgröße steht in dieser Schrift allgemein für gemessene Größen oder daraus abgeleitete Größen.
Die entsprechende Vorrichtung kann dann durch Auswahl entsprechender Kennfelder an sich bekannter Art für die Wirkungsgrade der einzelnen Verdichter an sehr verschiedene Verdichtersysteme adaptiert werden, wobei auch eine Anpassung an einen einfachen Abgasturbolader mit nur einem Verdichter e- benfalls problemlos möglich ist, indem einer der Wirkungsgrade des Hochdruckverdichters oder des Niederdruckverdichters als ηc,HP = 1 bzw. T|C,LP = 1 definiert wird und gleichzeitig der Zwischendruck mit dem Ist-Ladedruck stromabwärts bzw. dem Ansaugdruck stromaufwärts des Verdichtersystems identifiziert wird.
Eine mit geringem Rechenaufwand mögliche und dementsprechend schnelle Regelung der Abgasturboaufladungsvorrichtung mittels des als Steuergröße verwendeten Regel-Abgasgegendrucks ist dann möglich, wenn die Regeleinheit eine mit einem eigentlichen Regler zusammenwirkende Vorsteuerung zum Bestimmen eines Vorsteuer-Abgasgegendrucks in Abhängigkeit von Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors, vom Soll-Ladedruck und von den geschätzten Gesamtwirkungsgraden des Turbinensystems und des Verdichtersystems aufweist und der Regler dementsprechend eingerichtet ist zum Ermitteln des Regel-Abgasgegendrucks un- ter Verwendung des von der Vorsteuerung bestimmten Vorsteuer- Abgasgegendrucks. Die von der Vorsteuerung zum Bestimmen des Vorsteuer-Abgasgegendrucks verwendeten Betriebsgrößen oder davon abgeleiteten Größen können insbesondere einen Ansaugdruck stromaufwärts des Verdichtersystems, einen Abgasdruck stromabwärts des Turbinensystems, eine Ansauglufttemperatur stromaufwärts des Verdichtersystems, eine Abgastemperatur stromaufwärts des Turbinensystems, einen Massenstrom durch das Verdichtersystem und den geschätzten Massenstrom durch das Turbinensystem umfassen. Abgesehen vom typischerweise in Abhängigkeit von einer Gaspedalstellung definierten Soll- Ladedruck und dem Ist-Ladedruck benötigt die Regeleinheit bei einfachen Ausführungen der Erfindung keine weiteren Eingabegrößen. Insbesondere sollen die von der Regeleinheit und insbesondere von der Vorsteuerung verwendeten Betriebsgrößen keine inneren Betriebsgrößen des Verdichtersystems oder des Turbinensystems umfassen, sondern allenfalls indirekt von solchen inneren Betriebsgrößen abhängen mit einer dann innerhalb der Schätzgrößeneinheit berücksichtigten Abhängigkeit. So wird z. B. der Gesamtwirkungsgrad des Turbinensystems von Stellgliedpositionen des Turbinensystems abhängen, wobei die entsprechende Abhängigkeit jedoch im Turbinensystem-Modell berücksichtigt wird und keinen Einfluss auf die Struktur der Regeleinheit oder einer Schnittstelle zur Regeleinheit hat.
Es kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor zusätzlich zu der Abgasturboaufladungsvorrichtung mit einer Abgasrückführung ausgestattet ist. Eine vorteilhafte Entkopplung eines hier beschriebenen Regelkreises der Abgasturboaufladungsvorrichtung von einem Regelkreis der Abgasrückführung kann dann mittels einer Entkopplungseinheit erreicht werden, die zum Ermitteln eines Entkopplungs-Massenstroms durch Korrigieren des geschätzten Massenstroms durch das Turbinensystem in Abhängigkeit von einer Zustands- oder Steuergröße der Abgasruckfuhrung eingerichtet ist. Eine Entkopplung der zwei Regelkreise kann dann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass das inverse Turbinensystem-Modell das mindestens eine Stellsignal in Abhängigkeit vom Entkopplungs-Massenstrom und insofern nur indirekt abhangig vom geschätzten Massenstrom durch das Turbinensystem generiert.
Typischerweise wird das vom Turbinensystem-Modell und vom in- versen Turbinensystem-Modell modellierte Turbinensystem min- destens zwei Turbinen zum Antreiben der mindestens zwei Verdichter des Verdichtersystems umfassen. So kann das Turbinensystem insbesondere eine Hochdruckturbine zum Antreiben des Hochdruckverdichters und eine stromabwärts hinter die Hochdruckturbine geschaltete Niederdruckturbine zum Antreiben des Niederdruckverdichters aufweisen.
Das durch die Vorrichtung modellbasiert angesteuerte Turbinensystem kann dabei sowohl für eine erste als auch für eine zweite der genannten Turbinen jeweils mindestens ein durch die Stellsignal-Erzeugungseinheit angesteuertes Stellglied aufweisen. Damit wird eine vorteilhaft genaue Steuerung der Abgasturboaufladungsvorrichtung möglich. Dann kann die Stellsignal-Erzeugungseinheit eingerichtet sein zum Erzeugen sowohl mindestens eines Stellsignals für das mindestens eine Stellglied der ersten Turbine als auch mindestens eines
Stellsignals für das mindestens eine Stellglied der zweiten Turbine derart, dass abhangig davon, ob ein Schwellenwert einer Steuergroße über- oder unterschritten ist, entweder nur das mindestens eine der ersten Turbine zugeordnete Stell- signal variiert wird, wahrend das mindestens eine Stellglied der zweiten Turbine eine konstante Extremalposition einnimmt, oder nur das mindestens eine der zweiten Turbine zugeordnete Stellsignal variiert wird, wahrend das mindestens eine Stellglied der ersten Turbine eine konstante Extremalposition ein- nimmt. Vorteilhafterweise wird dazu bei einem Über- oder Unterschreiten des Schwellenwerts zwischen zwei verschiedenen vom inversen Turbinensystem-Modell umfassten Kennfeldern umgeschaltet, die jeweils zum Ermitteln mindestens eines Stell- Signals für die Turbine dienen, deren mindestens eines Stellglied gerade zur Ladedruckregelung dient.
Zum Ermitteln des mindestens einen Stellsignals kann das in- verse Turbinensystem-Modell insbesondere mindestens ein Kennfeld umfassen, welches das entsprechende Stellsignal oder die Stellsignale oder eine Kombination dieser Stellsignale definiert in Abhängigkeit von einem Druckquotienten, der aus dem Regelabgasdruck und einem als Betriebsgröße stromabwärts des Turbinensystems gemessenen oder berechneten Abgasdruck gebildet ist, und von einem druck- und temperaturnormierten Massenstrom, der in Abhängigkeit vom geschätzten Massenstrom durch das Turbinensystem gebildet ist. Die Verwendung des druck- und temperaturnormierten Massenstroms ist dabei vor- teilhaft, weil sie eine besonders einfache Darstellung des
Kennfeldes und damit des inversen Turbinensystem-Modells erlaubt. Zur Bildung des druck- und temperaturnormierten Massenstroms kann am einfachsten der ohnehin bestimmte Regel- Abgasgegendruck sowie eine als Betriebsgröße gemessene oder berechnete Abgastemperatur im Abgastrakt stromaufwärts des Turbinensystems verwendet werden. Dazu kann der geschätzte Massenstrom durch das Turbinensystem oder gegebenenfalls der daraus gebildete Entkopplungs-Massenstrom mit der Quadratwurzel der Abgastemperatur im Abgastrakt stromaufwärts des Tur- binensystems multipliziert und durch den Regel- Abgasgegendruck dividiert werden, unter Umständen bei zusätzlicher Multiplikation mit einem Normierungsfaktor. In jedem Fall kann das mindestens eine vom inversen Turbinensystem- Modell verwendete Kennfeld so gebildet werden, dass es keine Abhängigkeit von inneren Betriebsgrößen des Turbinensystems zeigt, also keine Abhängigkeit von solchen Betriebsgrößen, deren Definition von der Systemkonfiguration des Turbinensystems abhinge.
Das zum Ermitteln des Gesamtwirkungsgrads des Turbinensystems verwendete Turbinensystem-Modell wiederum kann mit mindestens einem Kennfeld realisiert werden, das eine Bestimmung dieses Gesamtwirkungsgrads in Abhängigkeit von dem schon genannten Druckquotienten aus Regel-Abgasgegendruck und dem gemessenen oder berechneten Abgasdruck stromabwärts des Turbinensystems und von einer aktuellen Position des mindestens einen Stellglieds erlaubt. Bei gegebener Position des mindestens einen Stellglieds des Turbinensystems wiederum sollte auch dieses Kennfeld keine Abhängigkeiten von inneren Betriebsgroßen des Turbinensystems zeigen, was für eine zutreffende Modellierung auch nicht notwendig ist und eine von der Systemkonfiguration unabhängige Gestaltung der Schnittstellen zwischen der Schatzgroßeneinheit und der Regeleinheit sowie der Stellsignal-Erzeugungseinheit ermöglicht .
Jede der Turbinen des Turbinensystems kann sowohl mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet sein und dementspre- chend ein Turbinengeometrie-Stellglied aufweisen als auch mit einem Wastegate-Ventil als einzigem oder zum Turbinengeometrie-Stellglied hinzutretendem Stellglied versehen sein. Wenn eine der Turbinen oder jede Turbine sowohl mit einer variablen Turbinengeometrie als auch mit einem Wastegate ausgestat- tet ist, kann zum Ansteuern der entsprechenden Stellglieder der jeweiligen Turbine auch ein gemeinsames, einparametriges Stellsignal verwendet werden, das sowohl eine sinnvolle Ansteuerung der Stellglieder als auch eine einfache Modellierung des Turbinensystems erlaubt. Dazu kann die Stellsignal- Erzeugungseinheit so ausgebildet sein, dass, beginnend bei einer Extremalposition, in der das Wastegate geschlossen ist und die entsprechende Turbine einen minimalen offenen Querschnitt zeigt, zunächst der Querschnitt der Turbine bei geschlossenem Wastegate geöffnet wird, wobei erst bei vollstan- dig geöffneter Turbine mit einem Offnen des Wastegates begonnen wird, und zwar unter Beibehaltung eines dann maximalen Stromungsquerschnitts der Turbine. Die Niederdruckturbine wird bei bevorzugten Ausfuhrungen der Erfindung gegebenenfalls erst dann durch allmähliches Offnen eines Turbinenquer- Schnitts und/oder eines Wastegate-Ventils angesteuert, wenn die dann davorgeschaltete Hochdruckturbine bereits voll- standig geöffnet und/oder ein Wastegate-Ventil der Hochdruckturbine geöffnet ist. Alternativ oder zusatzlich kann die Hochdruckturbine dazu ein Bypass-Ventil aufweisen, das ein Überbrücken der Hochdruckturbine und damit quasi eine Reduktion des Turbinensystems auf die Niederdruckturbine erlaubt.
Schließlich kann auch ein Bypass-Ventil vorgesehen sein, das einen von der Hochdruckturbine angetriebenen Hochdruckverdichter zu überbrücken erlaubt und das zweckmaßigerweise genau dann geöffnet wird, wenn die Hochdruckturbine und/oder ein Wastegate-Ventil der Hochdruckturbine und/oder ein By- pass-Ventil der Hochdruckturbine vollständig geöffnet ist. In jedem dieser beschriebenen Falle ist eine ausgesprochen einfache Modellierung sowohl des Turbinensystems als auch des Verdichtersystems problemlos möglich, wobei gegebenenfalls auf verschiedene Kennfelder abhangig davon zurückgegriffen wird, welche der Turbinen bei konstanten Stellgliedpositionen der jeweils anderen Turbine angesteuert, also bezuglich ihrer Stellgliedpositionen variiert wird.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren Ia, Ib und 2 bis 6 erläutert. Es zeigt
Fig. Ia eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer seriellen Abgasturboaufladung mit einer Obermenge möglicher Stellglieder, Fig. Ib eine entsprechende Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer alternativ gestalteten Abgasturboaufladungsvorrichtung, durch die eine parallele Abgasturboaufladung realisiert wird, mit einer Obermenge möglicher Stellglieder, Fig. 2 eine durch ein Flussdiagramm gegebene Darstellung eine Vorrichtung zum Steuern der Abgasturboaufladung des Verbrennungsmotors aus Fig. Ia,
Fig. 3 ein als dreidimensionales Diagramm veranschaulichtes Kennfeld für ein inverses Turbinensystem- Modell, das in dieser Vorrichtung verwendet wird,
Fig. 4 in ahnlicher Darstellung ein an anderer Stelle der Vorrichtung verwendetes Turbinensystem-Modell, Fig. 5 eine diagrammatische Darstellung einer Bildung eines kombinierten Stellgliedsignals für die Abgas- turboladungsvorrichtung und
Fig. 6 ein Diagramm, das verschiedene Betriebsgroßen- bereiche des Verbrennungsmotors veranschaulicht.
Der in Fig. Ia abgebildete Verbrennungsmotor weist neben einem hier mit sechs Zylindern dargestellten Motorblock 1 einen Abgastrakt mit einem Turbinensystem 2 sowie einen Ansaugtrakt auf, der neben einem Ladeluftkuhler 3 ein Verdichtersystem 4 umfasst .
Das Turbinensystem 2 wiederum umfasst zwei Turbinen, nämlich eine mit variabler Turbinengeometrie ausgestattete Hochdruck- turbine 5 sowie eine ebenfalls mit variabler Turbinengeometrie ausgestattete und im Abgastrakt stromabwärts hinter die Hochdruckturbine 5 geschaltete Niederdruckturbine 6. Turbinengeometrie-Stellglieder der Hochdruckturbine 5 und der Niederdruckturbine 6 sind jeweils durch einen Pfeil veranschau- licht. Als weiteres der Hochdruckturbine 5 zugeordnetes
Stellglied ist ein Wastegate-Ventil 7 vorgesehen, das zur Hochdruckturbine 5 parallel geschaltet ist. Zusatzlich kann die Hochdruckturbine 5 durch Offnen eines Bypass-Ventils 8 vollständig überbrückt werden. In einem zur Niederdruck- Turbine 6 parallelen Pfad des Abgastraktes innerhalb des Turbinensystems 2 ist schließlich ein weiteres Wastegate-Ventil 9 geschaltet, das als zusatzliches Stellglied der Niederdruckturbine angesehen werden kann.
Das Verdichtersystem 4 weist einen von der Niederdruckturbine 6 angetriebenen Niederdruckverdichter 10 sowie einen im Ansaugtrakt stromabwärts hinter den Niederdruckverdichter 10 geschalteten Hochdruckverdichter 11 auf, der von der Hochdruckturbine 5 angetrieben wird. Parallel zum Hochdruckver- dichter 11 ist ein weiteres Bypass-Ventil 12 geschaltet, so dass der Hochdruckverdichter durch Offnen dieses Bypass- Ventils überbrückt werden kann. Das Turbinensystem 2 bildet zusammen mit dem Verdichtersystem 4 eine Abgasturboaufladungsvorrichtung für eine Abgasturba- aufladung des abgebildeten Verbrennungsmotors, der mit einer in der Fig. Ia selbst nicht dargestellten Steuervorrichtung gesteuert werden kann, und zwar durch Ansteuern der Stellglieder des Turbinensystems 2, die durch die Turbinengeometrie-Stellglieder der beiden Turbinen sowie durch die Wastega- te-Ventile 7 und 9 und das Bypass-Ventil 8 gegeben sind. Als weiteres Stellglied, das dem Verdichtersystem zugeordnet ist, steuert dieselbe Steuervorrichtung auch das Bypass-Ventil 12 an .
Ein entsprechender Verbrennungsmotor mit einer alternativ realisierten Abgasturboaufladung ist in Fig. Ib abgebildet, wo- bei dort wiederkehrende Merkmale wieder mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Eine Abgasturboaufladungsvorrichtung dieses Verbrennungsmotors umfasst wieder ein Turbinensystem 2' und ein Verdichtersystem 4', wobei hier das Turbinensystem 2' eine erste Turbine 5' und eine dazu, abweichend vom vorhe- rigen Beispiel, parallel geschaltete zweite Turbine 6' aufweist. Dabei treibt die erste Turbine 5' einen ersten Verdichter 10' des Verdichtersystems 4' und die zweite Turbine 6' einen hier parallel zum ersten Verdichter 10' geschalteten zweiten Verdichter 11' an. Als Stellglieder sind hier ein Wastegate-Ventil 7' zum Überbrücken der ersten Turbine 5' sowie ein Absperrventil 8' zum Absperren der zweiten Turbine 6' und ein zweckmaßigerweise zusammen mit diesem Absperrventil 8' angesteuertes Absperrventil 12' für den zweiten Verdichter 11' und zusatzlich Stellglieder für variable Turbinengeomet- rien der beiden Turbinen 5' und 6' veranschaulicht. Wie bei dem Beispiel aus Fig. Ia sind die genannten Stellglieder als Obermenge verschiedener möglicher Stellgliedkombinationen zu verstehen, von denen bei verschiedenen Ausfuhrungen auch lediglich Untermengen realisiert sein können. Zum Ansteuern der Stellglieder ist wieder eine in Fig. Ib nicht abgebildete Steuervorrichtung vorgesehen. Die Steuervorrichtung für die Abgasturboaufladung des Verbrennungsmotors aus Fig. Ia ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, wobei ganz analog auch eine Steuervorrichtung für die alternative Abgasturboaufladung aus Fig. Ib realisiert werden kann. Verschiedene Komponenten der Steuervorrichtung sind in Fig. 2 durch Blöcke veranschaulicht, die nicht unbedingt gegenständlich getrennt sein müssen, sondern auch lediglich programmtechnisch durch verschiedene Unterprogramme realisiert sein können.
Die abgebildete Vorrichtung zum Steuern der Abgasturboaufladung weist insbesondere eine Schätzgrößeneinheit 13 auf, die ein physikalisches Modell des Verbrennungsmotors umfasst und die unter anderem zum Bestimmen eines geschätzten Massen- Stroms MFτ,mdi durch das Turbinensystem 2 in Abhängigkeit von Betriebsgrößen BG des Verbrennungsmotors eingerichtet ist. Als Betriebsgrößen BG werden dabei insbesondere ein Massenstrom MF0 von Ansaugluft durch das Verdichtersystem 4 sowie ein Brennstoff-Massenstrom FF verwendet, die beide als Mess- großen ermittelt werden. Die Schätzgrößeneinheit 13 umfasst darüber hinaus ein Turbinensystem-Modell zum Bestimmen eines modellierten Gesamtwirkungswirkungsgrades ητ des Turbinensystems 2 sowie ein Verdichtersystem-Modell zum Bestimmen eines modellierten Gesamtwirkungsgrades ηc des Verdichtersystems 4.
Ferner weist die Steuervorrichtung eine durch eine Vorsteuerung 14 und einen Regler 15 gebildete Regeleinheit zum Ermitteln eines Regel-Abgasgegendrucks P3,cti in Abhängigkeit von einem Soll-Ladedruck P2,sp und einem als Betriebsgröße gemes- senen Ist-Ladedruck p2 auf. Der Regel-Abgasgegendruck P3,cti wird dabei unter Verwendung der von der Schätzgrößeneinheit 13 ermittelten geschätzten Gesamtwirkungsgrade ητ und ηc des Turbinensystems 2 und des Verdichtersystems 4 ermittelt. Dazu bestimmt die Vorsteuerung 14, der die Gesamtwirkungsgrade ητ und ηc sowie der geschätzte Massenstrom MFτ,mdi von der Schätzgrößeneinheit 13 über eine Schnittstelle übergeben werden, zunächst einen Vorsteuer-Abgasgegendruck P3,pre in Abhängigkeit sowohl von den von der Schätzgrößeneinheit 13 erhaltenen Größen als auch vom Soll-Ladedruck P2,sp und von weiteren typischerweise direkt gemessenen Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors. Der Regel-Abgasgegendruck P3,cti wird dann mittels des entsprechend programmierten Reglers 15 aus dem Vor- steuer-Abgasgegendruck P3,pre gewonnen, indem abhängig von einer Differenz zwischen dem Soll-Ladedruck P2,sp und dem Ist- Ladedruck p2 ein Korrekturwert ermittelt wird, der dann zum Vorsteuer-Abgasgegendruck P3,pre hinzuaddiert wird. Die von der Vorsteuerung 14 zum Bestimmen des Vorsteuer-Abgasgegen- drucks P3,pre verwendeten Betriebsgrößen umfassen einen Ansaugdruck pi stromaufwärts des Verdichtersystems 4, einen Ab- gasdruck p4 stromabwärts des Turbinensystems 2, eine Ansauglufttemperatur Ti stromaufwärts des Verdichtersystems 4, eine Abgastemperatur T3 stromaufwärts des Turbinensystems 2 und den Massenstrom MFC der durch das Verdichtersystem 4 strömenden Ansaugluft. Zur Messung aller oder einiger dieser Betriebsgrößen sind entsprechende Sensoren im Ansaugtrakt und im Abgastrakt des Verbrennungsmotors vorgesehen. Unter Umständen können einige der genannten Betriebsgrößen auch be- rechnet werden, beispielsweise in der Schätzgrößeneinheit 13, so dass sich zumindest eine unmittelbare Messung erübrigt. Dagegen verwendet weder die Vorsteuerung 14 noch der Regler 15 innere Betriebsgrößen des Verdichtersystems 4 oder des Turbinensystems 2, so dass auch keine Schnittstelle für sol- che inneren Betriebsgrößen zwischen der Schätzgrößeneinheit 13 und der Regeleinheit vorgesehen ist. Der Vorsteuer- Abgasgegendruck P3,pre kann durch die Vorsteuerung 14 insbesondere bestimmt werden wie folgt:
Pz,pre
Figure imgf000016_0001
In dieser Gleichung stehen cp,air für die spezifische Wärmekapazität von Luft bei konstantem Druck, cp,eχh für die spezifische Wärmekapazität des den Abgastrakt passierenden Abgases bei konstantem Druck, κair für den Isentropenexponenten von
Luft und κeχh für den Isentropenexponenten des Abgases. Insbe- sondere unter der vereinfachenden Annahme konstanter Isen- tropenexponenten κair und κeXh kann diese Gleichung sehr einfach als Kennfeld dargestellt werden.
Schließlich weist die in Fig. 2 dargestellte Steuervorrichtung auch eine Stellsignal-Erzeugungseinheit 16 auf, die ein inverses Turbinensystem-Modell umfasst und eingerichtet ist zum Generieren von Stellsignalen SVTG,HP, SWG,HP, SBYP,HP, SVTG,LP und SWG,LP für die schon erwähnten Stellglieder des Turbinen- Systems 2 in Abhängigkeit vom Regel-Abgasgegendruck P3,cti und vom geschätzten Massenstrom MFτ,mdi durch das Turbinensystem 2. Dabei bezeichnet SVTG,HP ein Turbinengeometrie-Stellsignal für die Hochdruckturbine 5, SWG,HP ein Stellsignal für das Wastegate-Ventil 7, SBYP,HP ein Stellsignal für das Bypass- Ventil 8, in Abhängigkeit von dem gleichzeitig mit dem By- pass-Ventil 8 auch das Bypass-Ventil 12 geöffnet wird, SVTG,LP ein Turbinengeometrie-Stellsignal für die Niederdruckturbine 6 und SWG,LP ein Stellsignal für das Wastegate-Ventil 9.
Die abgebildete Steuervorrichtung bildet einen Teil eines Regelkreises der Abgasturboaufladung, mit dem insbesondere der Ladedruck p2 geregelt werden soll. Nun ist der in Fig. Ia abgebildete und mit der Steuervorrichtung gesteuerte Verbrennungsmotor zusätzlich mit einer dort nicht dargestellten Ab- gasrückführung ausgestattet. Um den Regelkreis des Abgasturboaufladung von einem Regelkreis dieser Abgasrückführung zu entkoppeln, weist die Steuervorrichtung aus Fig. 2 zusätzlich eine Entkopplungseinheit 17 auf, die eingerichtet ist zum Ermitteln eines Entkopplungs-Massenstroms MFτ,dec durch Korri- gieren des mittels der Schätzgrößeneinheit 13 geschätzten
Massenstroms MFτ,mdi in Abhängigkeit von einer Zustands- oder Steuergröße MFEGR,cti der Abgasrückführung, bei der es sich hier um einen als Steuergröße verwendeten Abgasrückführstrom handelt. Das von der Stellsignal-Erzeugungseinheit 16 umfass- te Turbinensystem-Modell generiert die Stellsignale beim vorliegenden Ausführungsbeispiel also insofern indirekt in Abhängigkeit von dem geschätzten Massenstrom MFτ,mdi, als es den daraus abgeleiteten Entkopplungs-Massenstrom MFτ,dec von der Entkopplungseinheit 17 erhalt. Eine vergleichbare Entkopplung zweier Regelkreise ist in der Druckschrift WO 2006/106058 Al detaillierter beschrieben. Das inverse Turbinensystem-Modell, das die Stellsignale SVTG,HP, SWG,HP, SBYP,HP, SVTG,LP und SWG,LP mit Hilfe von Kennfeldern ermittelt, verwendet schließlich gemessene Betriebsgroßen, nämlich insbesondere die stromaufwärts des Turbinensystems 2 im Abgastrakt gemessene oder in der Schatzgroßeneinheit 13 berechnete Abgastemperatur T3 und den im Abgastrakt stromabwärts des Turbinensystems 2 gemessenen oder berechneten Abgasdruck p4. Dagegen zeigen die vom inver- sen Turbinensystem-Modell verwendeten Kennfelder keine Abhängigkeit von inneren Betriebsgroßen des Turbinensystems 2. Mit einer in Fig. 2 ganz rechts dargestellten Stellglied- Steuerung 18 werden die schon genannten Stellglieder in Ab- hangigkeit von den Stellsignalen SVTG,HP, SWG,HP, SBYP,HP, SVTG,LP und SWG,LP, welche die Stellgliedsteuerung 18 von der Stellsignal-Erzeugungseinheit 16 erhalt, eingestellt, wobei die Stellglieder dafür entsprechende Antriebe oder Aktuatoren aufweisen .
Die Stellsignal-Erzeugungseinheit 16 kann darüber hinaus zum Erzeugen von Grenzwert-Indikatoren eingerichtet sein, die beim Erreichen von Grenzwerten durch Ein- oder Ausgabegroßen der Stellsignal-Erzeugungseinheit 16 an den Regler 15 gesandt werden und damit einen Regelvorgang begrenzen, um ein Übersteuern zu vermeiden.
Das von der Schatzgroßeneinheit 13 umfasste Verdichtersystem- Modell bestimmt den Gesamtwirkungsgrad ηc des Verdichtersys- tems 4 in Abhängigkeit von den Betriebsgroßen BG des Verbrennungsmotors und von durch einzelne Kennfelder modellierten Wirkungsgraden T|C,LP und ηc,HP des Niederdruckverdichters 10 und des Hochdruckverdichters 11. Für den Fall, dass das By- pass-Ventil 12 geöffnet ist, kann der Gesamtwirkungsgrad ηc des Verdichtersystems 2 dabei mit dem Wirkungsgrad T|C,LP des Niederdruckverdichters 10 identifiziert werden. Andernfalls wird der Gesamtwirkungsgrad ηc des Verdichtersystems 4 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das Verdichtersystem- Modell bestimmt als
ηc = ηc,Lp-ηc,Hp-a/ (ηc,Hp-b + ηc,Lp-c + b-c),
wobei die Variablen a, b und c nur vom Ist-Ladedruck p2, von dem stromaufwärts des Verdichtersystems 4 als Betriebsgröße gemessenen Ansaugdruck pi und von einem zwischen dem Niederdruckverdichter 10 und dem Hochdruckverdichter 11 herrschen- den Zwischendruck pinter abhängen und wie folgt definiert sind:
Figure imgf000019_0001
b = (P11Wp1)1 - 1/κ- - 1 c = (p^p.nte,)1 " 1/κa,r - 1
Dabei kann der Zwischendruck pinter entweder als innere Betriebsgröße des Verdichtersystems 4 gemessen werden oder auch in einfacher Weise in Abhängigkeit vom Ansaugdruck pi und dem Wirkungsgrad T|C,LP des Niederdruckverdichters berechnet werden. Als physikalische Größe bezeichne der Gesamtwirkungsgrad ηc dabei den Quotienten aus der isentropen Kompressionsleistung des Verdichtersystems 4 und der Summe der in die Verdichter des Verdichtersystems 4 hineingesteckten mechanischen Leistung.
Das Kennfeld, mit dem der Wirkungsgrad T|C,LP des Niederdruckverdichters ermittelt wird, zeigt auch eine Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur Ti, die ohnehin gemessen wird, wäh- rend das Kennfeld für den Wirkungsgrad ηc,HP des Hochdruckverdichters von einer im Ansaugtrakt zwischen dem Niederdruckverdichter 10 und dem Hochdruckverdichter 11 herrschenden Temperatur abhängt, die allerdings nicht unbedingt gemessen werden muss, da sie sich aus der Ansauglufttemperatur I1 und dem Wirkungsgrad T|C,LP des Niederdruckverdichters 10 rechnerisch ergibt. Zusätzlich werden eventuell die in den Niederdruckverdichter 10 und den Hochdruckverdichter 11 investier- ten mechanischen Leistungen benötigt, die problemlos aus anderen Betriebsgrößen gewonnen werden können.
Das inverse Turbinensystem-Modell umfasst ein Kennfeld zum Ermitteln der Stellsignale SVTG,HP, SWG,HP und SBYP,HP sowie ein weiteres Kennfeld zum Ermitteln der Stellsignale SVTG,LP und SWG,LP- Dabei werden die einer Turbine zugeordneten Stellsignale SVTG,HP, SWG,HP und SBYP,HP bzw. SVTG,LP und SWG,LP zu jeweils einem kombinierten Stellsignal Sc zusammengefasst . Ein sol- ches Kennfeld des inversen Turbinensystem-Modells ist in
Fig. 3 veranschaulicht. Es zeigt das entsprechende kombinierte Stellsignal Sc in Abhängigkeit von einem Druckquotienten PQT, der definiert als PQT = P3,cti/P4, und von einem druck- und temperaturnormierten Massenstrom MFτ,dec [R* T3] 1/2/p3,cti, der gemäß diesem Ausdruck aus dem Entkopplungs-Massenstrom MFτ,dec und damit in Abhängigkeit vom geschätzten Massenstrom MFτ,mdi gebildet ist, wobei R für eine Normierungskonstante steht. Dazu ist die Stellsignal-Erzeugungseinheit 16 entsprechend programmiert .
In ähnlicher Weise ist das von der Schätzgrößeneinheit 13 um- fasste Turbinensystem-Modell durch Kennfelder realisiert, die jeweils den Gesamtwirkungsgrad ητ in Abhängigkeit von dem schon genannten Druckquotienten PQT und einer aktuellen kom- binierten Stellgliedposition Sc angeben. Abgesehen von der jeweiligen Stellgliedposition Sc zeigen diese Kennfelder wieder keine Abhängigkeit von inneren Betriebsgrößen des Turbinensystems 2. Eines dieser Kennfelder ist beispielhaft in Fig. 4 veranschaulicht.
In Fig. 5 ist grafisch dargestellt, wie eine der kombinierten Stellgliedpositionen Sc in Abhängigkeit von einem Turbinengeometrie-Stellsignal SVTG und einem Stellsignal für ein derselben Turbine zugeordnetes Wastegate-Ventil SWG gebildet wird. Dabei wird eine Stellgliedposition POSVTG eines die mit variabler Turbinengeometrie ausgestattete Turbine verstellenden Stellglieds abhängig vom Turbinengeometrie-Stellsignal SVTG eingestellt, während eine Stellgliedposition POSWG des entsprechenden Wastegate-Ventils abhangig vom Stellsignal SWG eingestellt wird. Nun werden die beiden dieser Turbine zugeordneten Stellglieder zweckmaßigerweise so angesteuert, dass die Turbinengeometrie nur geändert wird, wenn das Wastegate- Ventil geschlossen ist, wahrend das Wastegate-Ventil nur verstellt wird, wenn die Turbinengeometrie einem maximalen Stromungsquerschnitt entsprechend eingestellt ist. So kann abhangig von den beiden Stellgliedpositionen POSVTG und POSWG eine einparametrige kombinierte Stellgliedposition POSC für diese Turbine definiert werden, die in einer in Fig. 5 ganz oben dargestellten Weise durch das kombinierte Stellsignal Sc bestimmt bzw. vorgegeben wird. Das kombinierte Stellsignal Sc hangt dementsprechend ein-eindeutig mit den beiden Stellsignalen SVTG und SWG zusammen. In der beschriebenen Weise wird sowohl für die Hochdruckturbine 5 als auch für die Niederdruckturbine 6 jeweils ein kombiniertes Stellsignal Sc definiert. Das Bypass-Ventil 8 schließlich wird genau dann geöffnet, wenn das kombinierte Stellsignal Sc der Hochdruckturbine 5 eine vollständige Öffnung sowohl der Hochdruckturbine 5 als auch des Wastegate-Ventils 7 bestimmt.
In Fig. 6 schließlich werden in einem Diagramm vier unterschiedliche Betriebsgrößen-Bereiche 19, 20, 21 und 22 veranschaulicht, die sich durch unterschiedliche Werte einer Dreh- zahl N des Verbrennungsmotors und eines Drehmoments M des Verbrennungsmotors voneinander unterscheiden. Dabei ergibt sich das Drehmoment M abhangig von der Drehzahl N und dem Ist-Ladedruck p2, der wiederum normalerweise in beschriebener Weise auf den Soll-Ladedruck P2,sp eingeregelt wird, wobei der Ladedruck P2,sp abhangig von einer Gaspedalstellung definiert wird.
Mittig in Fig. 6 ist ein Ubergangsbereich 23 schraffiert dargestellt, der die Betriebsgroßenbereiche 19 und 20 von den Betriebsgroßenbereichen 21 und 22 trennt. Die Steuervorrichtung der Abgasturboaufladung ist nun so programmiert, dass bei Betriebszustanden mit niedrigen Drehzahlen N, die im Diagramm der Fig. 6 links des Ubergangsbereichs 23 liegen, eine Steuerung des Ladedrucks P2 durch Verstellen der Stellglieder der Hochdruckturbine 5 bei vollständig geschlossenem Wastega- te-Ventil 9 und minimalem Stromungsquerschnitt der Niederdruckturbine 6 erfolgt, wahrend bei Betriebszustanden mit ho- heren Drehzahlen N, die im Diagramm der Fig. 6 rechts des U- bergangsbereichs 23 liegen, eine Steuerung des Ladedrucks P2 durch Verstellen der Stellglieder erfolgt, die der Niederdruckturbine 6 zugeordnet sind, wahrend die Hochdruckturbine 5, das Wastegate-Ventil 7 und das Bypass-Ventil 8 vollständig geöffnet sind. Dabei hat der Ubergangsbereich 23 eine endliche Breite, wodurch eine Hysterese definiert wird, die ein unnötiges Springen zwischen Steuerungsmethoden gemäß benachbarter Betriebsgroßenbereiche 19 und 22 oder 20 und 21 vermeidet .
In den Betriebsbereichen 20 und 21, die sehr niedrigen Drehmomenten M entsprechen, wird der Ladedruck P2 nicht geregelt, sondern nur durch ungeregelte Ansteuerung der Stellglieder gesteuert. In den daruberliegenden Betriebsgroßenbereichen 19 und 22 erfolgt dagegen die eigentliche Ladedruckregelung mit der zuvor beschriebenen Steuervorrichtung.
Für die geregelte Steuerung der Abgasturboaufladung und damit des Ladedrucks P2 ist die Stellsignal-Erzeugungseinheit 16 dementsprechend so eingerichtet, dass entweder nur die der
Hochdruckturbine 5 zugeordneten Stellsignale SVTG,HP, SWG,HP und SBYP,HP bzw. das in Abhängigkeit davon gemäß Fig. 5 definierte kombinierte Stellsignal Sc variiert wird, wahrend die Stellglieder der Niederdruckturbine 6 die weitestmöglich geschlos- sene Extremalposition einnehmen, oder dass nur die der Niederdruckturbine 6 zugeordneten Stellsignale SVTG,LP und SWG,LP bzw. das daraus entsprechend Fig. 5 gebildete kombiniertes Stellsignal Sc variiert werden, wahrend die Stellglieder der Hochdruckturbine vollständig geöffnet sind. Wenn sich der Be- triebszustand des Verbrennungsmotors so ändert, dass der U- bergangsbereich 23 zwischen den Betriebsgroßenbereichen 19 und 22 durchschritten wird, wird dementsprechend sowohl zwischen zwei verschiedenen Kennfeldern des inversen Turbinen- system-Modells als auch zwischen zwei zur Bestimmung des Gesamtwirkungsgrades ητ von der Schatzgroßeneinheit 13 verwendeten Kennfeldern umgeschaltet. Mit "Umschalten" ist dabei ein Wechsel von einem Zugriff auf eines der Kennfelder zu einem Zugriff auf das jeweils andere Kennfeld gemeint. Der U- bergangsbereich 23 definiert dabei für jedes Drehmoment M zwei um eine Hysterese-Differenz beabstandete Schwellenwerte für die Drehzahl N, bei denen ein solches Umschalten erfolgt

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Steuern einer Abgasturboaufladung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasturboaufladungsvorrichtung, umfassend
- eine Schätzgrößeneinheit (13), die ein physikalisches Modell des Verbrennungsmotors umfasst,
- eine Regeleinheit zum Ermitteln eines Regel-Abgasgegendrucks (P3,cti) oder mindestens einer anderen Regelzwischen- große in Abhängigkeit von einem Soll-Ladedruck (p2,sp) und einem als Betriebsgröße gemessenen oder von Betriebsgrößen abgeleiteten Ist-Ladedruck (p2) ,
- eine Stellsignal-Erzeugungseinheit (16) zum Generieren mindestens eines Stellsignals (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC) für mindestens ein Stellglied des Turbinensys¬ tems (2) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass die Schätzgrößeneinheit (13) ein Turbinensystem-Modell zum Bestimmen eines geschätzten Gesamtwirkungsgrades (ητ) des Turbinensystems (2) und ein Verdichtersystem-Modell zum
Bestimmen eines geschätzten Gesamtwirkungsgrades (ηc) eines in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichtersystems (4) der Abgasturboaufladungsvorrichtung mit mindestens zwei Verdichtern umfasst, wobei die Regeleinheit eingerichtet ist zum Ermitteln des Regel-Abgasgegendrucks
(P3,cti) oder der mindestens einen anderen Regelzwischengröße unter Verwendung der geschätzten Gesamtwirkungsgrade (ητ ,ηc) des Turbinensystems (2) und des Verdichtersystems (4), und/oder - dass die Stellsignal-Erzeugungseinheit ein inverses Turbinensystem-Modell umfasst zum Generieren des mindestens einen Stellsignals (SVTG,HPJ SVTG,LPJ SWG,HPJ SBYP,HPJ SWG,LP; SVTGΛ SWG^ SC) in Abhängigkeit vom Regel-Abgasgegendruck (P3,cti) oder der mindestens einen anderen Regelzwischengröße und von mindes- tens einer weiteren Betriebsgröße oder in der Schätzgrößeneinheit (13) ermittelten Schätzgröße.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzgrößeneinheit (13) eingerichtet ist zum Bestimmen eines Massenstroms (MFτ,mdi) durch ein in einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnetes Turbinensystem (2) der Abgas- turboaufladungsvorrichtung in Abhängigkeit von Betriebsgrößen (BG) des Verbrennungsmotors, wobei die Stellsignal- Erzeugungseinheit (16) eingerichtet ist zum Generieren des mindestens eines Stellsignals (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC) in Abhängigkeit vom geschätzten Massen- ström (MFτ,mdi) durch das Turbinensystem (2) und vorzugsweise zusätzlich in Abhängigkeit von einem Abgasdruck (p4) stromabwärts des Turbinensystems (2) und von einer Abgastemperatur (T3) stromaufwärts des Turbinensystems (2).
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das durch das Verdichtersystem-Modell modellierte Verdichtersystem (4) einen Niederdruckverdichter (10) und einen stromabwärts hinter den Niederdruckverdichter (10) geschalteten Hochdruckverdichter (11) umfasst, wobei das Verdichtersystem-Modell eingerichtet ist zum Bestimmen des
Gesamtwirkungsgrads (ηc) des Verdichtersystems (4) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen (BG) des Verbrennungsmotors und von durch Kennfelder modellierten Wirkungsgraden (ηc,LP, T|C,HP) des Niederdruckverdichters (10) und des Hochdruckverdichters (11) .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtersystem-Modell eingerichtet ist zum Bestimmen des Gesamtwirkungsgrads (ηc) des Verdichtersystems (4) als
ηc = ηc,Lp-ηc,Hp-a/ (ηc,Hp-b + ηc,Lp-c + b-c)
oder als davon abgeleitete Größe, wobei ηc für den Gesamtwirkungsgrad des Verdichtersystems (4), T|C,LP für den Wirkungs- grad des Niederdruckverdichters (10) und ηc,HP für den Wirkungsgrad des Hochdruckverdichters (11) steht und wobei a, b und c für Variablen stehen, die nur vom Ist-Ladedruck (P2) , von einem als Betriebsgröße (BG) gemessenen Ansaugdruck (px) stromaufwärts des Verdichtersystems (4) und einem im Ansaugtrakt zwischen dem Niederdruckverdichter (10) und dem Hochdruckverdichter (11) herrschenden Zwischendruck abhängen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit einen Regler (15) sowie eine Vorsteuerung (14) zum Bestimmen eines Vorsteuer- Abgasgegendrucks (p3,Pre) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors, von dem Soll-Ladedruck (p2,sp) und von den geschätzten Gesamtwirkungsgraden (ητ ,ηc) des Turbinensystems (2) und des Verdichtersystems (4) aufweist, wobei der Regler (15) eingerichtet ist zum Ermitteln des Regel- Abgasgegendrucks (P3,cti) unter Verwendung des Vorsteuer- Abgasgegendrucks (P3,pre) •
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Vorsteuerung (14) zum Bestimmen des Vorsteuer- Abgasgegendrucks (p3,Pre) verwendeten Betriebsgrößen oder davon abgeleiteten Größen einen Ansaugdruck (px) stromaufwärts des Verdichtersystems (4), einen Abgasdruck (p4) stromabwärts des Turbinensystems (2), eine Ansauglufttemperatur (Ti) stromaufwärts des Verdichtersystems (4), eine Abgastemperatur (T3) stromaufwärts des Turbinensystems (2), einen Massenstrom (MFc) durch das Verdichtersystem (4) und den geschätzten Mas- senstrom (MFτ,mdi) durch das Turbinensystem (2), aber keine inneren Betriebsgrößen des Verdichtersystems (4) oder des Turbinensystems (2) umfassen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass sie zum Entkoppeln eines Regelkreises des
Abgasturboaufladung von einem Regelkreis einer Abgasrückführung des Verbrennungsmotors eine Entkopplungseinheit (17) aufweist, die zum Ermitteln eines Entkopplungs-Massenstroms (MFτ,dec) durch Korrigieren des geschätzten Massenstroms (MFτ,mdi) durch das Turbinensystem (2) in Abhängigkeit von einer Zustands- oder Steuergröße (MFEGR, cti) der Abgasrückführung eingerichtet ist, wobei das inverse Turbinensystem-Modell das mindestens eine Stellsignal (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTGΛ SWG, SC) in Abhängigkeit vom Entkopplungs- Massenstrom (MFT,dec) generiert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass das vom Turbinensystem-Modell und vom in- versen Turbinensystem-Modell modellierte Turbinensystem (2) mindestens zwei Turbinen zum Antreiben der mindestens zwei Verdichter umfasst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass unter den Turbinen eine Hochdruckturbine (5) und eine stromabwärts hinter die Hochdruckturbine (5) geschaltete Niederdruckturbine (6) sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinensystem sowohl für eine erste als auch für eine zweite der genannten Turbinen jeweils mindestens ein durch die Stellsignal-Erzeugungseinheit (16) angesteuertes Stellglied aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellsignal-Erzeugungseinheit (16) eingerichtet ist zum Erzeugen sowohl mindestens eines Stellsignals (SVTG,HP, SwG1HPr SBYP,HP) für das mindestens eine Stellglied der ersten Turbine als auch mindestens eines Stellsignals (SVTG,LP, SWG,LP) für das mindestens eine Stellglied der zweiten Turbine derart, dass abhangig davon, ob ein Schwellenwert einer Steuergroße über- oder unterschritten ist, entweder nur das mindestens eine der ersten Turbine zugeordnete Stellsignal variiert wird, wahrend das mindestens eine Stellglied der zweiten Turbine eine konstante Extremalposition einnimmt, oder nur das mindestens eine der zweiten Turbine zugeordnete Stellsignal variiert wird, wahrend das mindestens eine Stellglied der ersten Turbine eine konstante Extremalposition einnimmt, wo- bei bei einem Über- oder Unterschreiten des Schwellenwerts zwischen zwei verschiedenen vom inversen Turbinensystem- Modell umfassten Kennfeldern umgeschaltet wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das inverse Turbinensystem-Modell zum Ermitteln des mindestens einen Stellsignals (SVTG,HP, SVTG,LP, SWG,HP, SBYP,HP, SWG,LP; SVTG, SWG, SC) mindestens ein Kennfeld um- fasst mit einer Abhängigkeit von einem Druckquotienten (PQT) , der aus dem Regel-Abgasgegendruck (P3,cti) und einem als Betriebsgröße gemessenen oder berechneten Abgasdruck (p4) stromabwärts des Turbinensystems (2) gebildet ist, und von einem druck- und temperaturnormierten Massenstrom (MFτ,dec [R* T3] 1/2/p3,cti) , der in Abhängigkeit vom geschätzten Massenstrom (MFτ,mdi) durch das Turbinensystem (2) gebildet ist .
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kennfeld des inversen Turbinensystem-Modells ein kombiniertes Stellsignal (Sc) ausliest, welches mindestens einem ersten Stellglied und einem zweiten Stellglied zugeordnet werden kann derart, dass bei einem monotonen variieren des kombinierten Stellsignals (Sc) zunächst bei einer konstanten ersten Position des zweiten Stellglieds das erste Stellglied monoton variiert wird von einer ersten zu einer zweiten Position des ersten Stellglieds, wobei bei Erreichen der zweiten Position des ersten Stellglieds das zweite Stellglied monoton von einer ersten zu einer zweiten Position des zweiten Stellglieds variiert wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellsignal-Erzeugungseinheit (16) zur Bildung des druck- und temperaturnormierten Massenstroms (MFτ,dec [R-T3] 1/2/p3,cti) in Abhängigkeit von dem Regel- Abgasgegendruck (P3,cti) und einer als Betriebsgröße gemesse¬ nen Abgastemperatur (T3) im Abgastrakt stromaufwärts des Turbinensystems (2) eingerichtet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine vom inversen Turbinensystem-Modell verwendete Kennfeld keine Abhängigkeit von inneren Betriebsgrößen des Turbinensystems (2) zeigt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schätzgrößeneinheit (13) ein Gesamtwirkungsgrad (ητ) des Turbinensystems (2) mittels eines kombinierten Stellsignals (Sc) ermittelt wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schätzgrößeneinheit (13) ein Abgasgegendruck (p3) stromaufwärts des Turbinensystems (2) mit- tels eines kombinierten Stellsignals (Sc) ermittelt wird.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinensystem-Modell zum Ermitteln des Gesamtwirkungsgrads (ηc) des Turbinensystems (2) mindes- tens ein Kennfeld umfasst mit einer Abhängigkeit von einem Druckquotienten (PQT) , der aus dem Regel-Abgasgegendruck (P3,cti) und einem als Betriebsgröße (BG) stromabwärts des Turbinensystems (2) gemessenen Abgasdruck (p4) gebildet ist, und von einer aktuellen Position des mindestens einen Stell- glieds.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine vom Turbinensystem-Modell verwendete Kennfeld bei gegebener Position des mindestens einen Stell- glieds des Turbinensystems (2) keine Abhängigkeit von inneren Betriebsgrößen des Turbinensystems (2) zeigt.
20. Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasturboaufladungs- vorrichtung mit einem in einem Abgastrakt des Verbrennungsmo- tors angeordneten Turbinensystem (2) und einem in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten und mindestens zwei Verdichter aufweisenden Verdichtersystem (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor eine Vorrichtung zum Steuern einer Abgasturboladung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 umfasst.
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