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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik, insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau, ist ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers, welcher ein Turbinenrad und eine elektrische Maschine aufweist, mittels welcher das Turbinenrad antreibbar ist, bekannt.
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So offenbart beispielsweise das Dokument
DE 10 2014 017 631 A1 ein Verfahren zum Betrieb eines elektromotorisch unterstützten Abgasturboladers eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Betriebsmodus, in dem der Abgasturbolader elektromotorisch unterstützt angetrieben wird, und einen zweiten Betriebsmodus, in dem der Abgasturbolader elektrische Energie aus der Abgasenergie rekuperiert, wobei im ersten Betriebsmodus dem Abgasturbolader elektrische Energie aus einem Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs zugeführt wird und dass im zweiten Betriebsmodus die von dem Abgasturbolader rekuperierte elektrische Energie ohne vorherige Zwischenspeicherung in das Niederspannungsbordnetz eingespeist wird.
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Darüber hinaus offenbart die
DE 38 78 083 T2 ein Gerät zum Steuern eines Turboladers, der mit einer rotierenden Welle versehen ist, auf der ein Motor/Generator als elektrische rotierende Maschine angebracht ist. Bei diesem Gerät wird eine elektrische Last oder eine Batterie mit erzeugter elektrischer Energie versorgt, wenn der Motor/Generator als ein Generator arbeitet, und der Ladebetrieb des Turboladers wird unterstützt, um die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors zu erhöhen, wenn der Motor/Generator als ein Motor arbeitet.
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Aber auch diese Verfahren mit ihren dabei zum Einsatz kommenden, herkömmlichen Turboladern weisen weiterhin den Nachteil auf, dass eine maximal zulässige Drehzahl der Schaufelräder innerhalb des Verdichter- und Turbinengehäuses dadurch begrenzt ist, dass bei einer zu hohen Drehzahl der Schaufelräder diese durch die dann auftretende Fliehkraft innen am jeweiligen Gehäuse anstreifen und dadurch brechen, wodurch der Turbolader irreparabel beschädigt werden und sogar Folgeschäden am gesamten Verbrennungsmotor verursachen kann. Das bedeutet, dass eine maximal zulässige Drehzahl des Turboladers unbedingt einzuhalten ist.
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Hierzu bekannt ist unter anderem die
DE 10 310 221 A1 , welche ein Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks auf einer mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine offenbart. Dabei wird ein Ladedruck-Sollwert mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen und bei Überschreiten auf diesen begrenzt, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von einem vorliegenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine und einer Temperatur und einem Druck, die in Durchströmungsrichtung vor einem Verdichter des Abgasturbolader auftreten, ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Grenzwerts zusätzlich ein Gasmassenstrom herangezogen wird, der in Durchströmungsrichtung vor dem Verdichter auftritt.
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Nachteilig hierbei ist aber, dass die Drehzahl des Turboladers lediglich indirekt, das bedeutet über den Umweg einer Beeinflussung der in dem Turbolader herrschenden Thermodynamik, also beispielsweise mittels der Verstellung von Turbinenleitschaufeln und/oder Abblaseventilen geregelt werden kann. Es vergeht ein besonders langer Zeitraum, bis die Thermodynamik im Inneren des Turboladers über die dadurch beeinflusste Antriebsleistung des Turbinenrads ihre letztlich gewünschte Wirkung auf die Drehzahl des Turboladers entfaltet, wodurch insbesondere bei hochdynamischen Vorgängen, zum Beispiel einer maximalen Leistungsanforderung („Kick-Down“) etc., das Risiko besteht, dass die Drehzahl des Turboladers zumindest kurzzeitig die maximal zulässige Drehzahl überschreitet. Mit anderen Worten besteht ein Risiko eines kritischen Drehzahl-Überschwingers, wodurch der Turbolader beschädigt werden kann.
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Um dieses Problems Herr zu werden, werden heutige Abgasturbolader konstruktiv so ausgelegt, dass der zuvor beschriebene kritische Drehzahl-Überschwinger die maximal zulässige Drehzahl des Turboladers nicht überschreitet. Anders ausgedrückt werden herkömmliche Abgasturbolader überdimensioniert, da diese nicht auf einen planmäßigen, dauerhaften Betrieb mit einer Drehzahl nahe an der maximal zulässigen Drehzahl betrieben werden, sondern von dieser ein ausreichender Sicherheitsabstand eingehalten werden muss, damit auch die unvermeidlichen Drehzahlüberschwinger noch unterhalb der maximal zulässigen Drehzahl bleiben. Alternativ oder zusätzlich kann ein die thermodynamischen Verhältnisse im Inneren des Abgasturboladers regelnder Regler dynamisch besonders träge abgestimmt werden, sodass der kritische Drehzahl-Überschwinger besonders niedrig und/oder kurz ausfällt.
Durch die deswegen notwendige Überdimensionierung fallen die Turbolader größer als nötig aus, wodurch sie ein schlechteres, d.h. langsameres dynamisches Ansprechverhalten aufweisen und bei geringen Durchflüssen, also insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen weniger Ladedruck aufbauen und eher zum Pumpen neigen. Hierdurch wird unter anderem ein vorhandenes Dynamik-, Leistung-, Verbrauchs- und/oder Abgaspotenzial entweder direkt oder indirekt besonders ineffizient genutzt, wodurch der so ausgelegte Abgasturbolader ein besonders träges Ansprechverhalten als auch ein besonders niedriges stationäres Ladedruckpotential bei kleinen Motordrehzahlen aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers derart weiterzuentwickeln, dass der Abgasturbolader besonders effizient geregelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um nun das Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass der Abgasturbolader besonders effizient geregelt werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Turbinenrad mittels der elektrischen Maschine gezielt gebremst wird.
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Mit anderen Worten wirkt die elektrische Maschine zum Beispiel mit einer das Turbinenrad und ein Verdichterrad des Abgasturboladers verbindenden Welle zusammen, um das Turbinenrad gezielt zu bremsen. Mittels der elektrischen Maschine kann eine Rotation der Welle beschleunigt werden, um dadurch beispielsweise das Turbinenrad anzutreiben. Erfindungsgemäß wird nun jedoch die Rotation der Welle gebremst, um dadurch das Turbinenrad gezielt zu bremsen. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt wirkt die elektrische Maschine beim Bremsen des Turbinenrads der Rotation der Welle beziehungsweise des Turbinenrads gezielt beziehungsweise aktiv entgegen. Dies ist insofern vorteilhaft, als mittels der elektrischen Maschine ein kritisches Überschwingen einer Drehzahl des Turbinenrads wirksam verhindert werden kann. Hierdurch lässt sich der Abgasturbolader bei gleichen Leistungs- und/oder Ladedruckanforderungen kompakter, das heißt masseeffizienter (mit weniger Massenträgheitsmoment) ausbilden, sodass ein mit einem solchen Abgasturbolader ausgestatteter Kraftwagen im Gegensatz zu einem Kraftwagen, welcher mit einem herkömmlichen Abgasturbolader ausgestattet ist, besonders kraftstoff-und/oder emissionsarm zu betreiben ist.
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Bei gleichbleibender konstruktiver Auslegung des Abgasturboladers ist es im Umkehrschluss möglich, einen die thermodynamischen Verhältnisse im Inneren des Abgasturboladers regelnden Regler dynamischer abzustimmen als bei herkömmlichen Abgasturboladern, wodurch ein Dynamik-, Leistung-, Verbrauchs- und/oder Abgaspotential besonders effizient ausgenutzt werden kann/können.
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Wenn der Regler die thermodynamischen Verhältnisse im Inneren des Abgasturboladers dynamischer, das heißt schneller regeln kann, geht damit auch ein besonders spontanes Ansprechverhalten des Abgasturboladers und infolgedessen der Verbrennungskraftmaschine einher.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Abgasturboladers mit einer elektrischen Maschine;
- 2 ein Zeitablaufdiagramm, in welchem eine Abgasturbolader-Drehzahl und ein Ladedruck über der Zeit aufgetragen sind;
- 3 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben eines Abgasturboladers; und
- 4 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Abgasturboladers.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Abgasturbolader 100. Der Abgasturbolader 100 kann in einem Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, eingesetzt sein, welcher von einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar sein kann. Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine werden einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine Luft und Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Dadurch bildet sich im Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches verbrannt wird, wodurch Abgas der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst weiter einen Ansaugtrakt, der von der Luft durchströmbar ist bzw. durchströmt wird. Durch den Ansaugtrakt wird die Luft zu dem und insbesondere in den Brennraum geführt. Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem einen von Abgas durchströmbaren Abgastrakt auf, durch welchen das Abgas aus dem Brennraum abgeführt wird. Der Abgasturbolader 100 weist seinerseits ein in dem Ansaugtrakt angeordnetes Verdichterrad 110 und ein in dem Abgastrakt angeordnetes Turbinenrad 120 auf. Das Turbinenrad 120 wird durch das Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetrieben und treibt ihrerseits das Verdichterrad 110 an, welches die Luft ansaugt, verdichtet und dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuführt. Hierdurch ist eine besonders dichte Füllung des Brennraums der Verbrennungskraftmaschine mit Luft gewährleistet.
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Der Abgasturbolader weist außerdem eine elektrische Maschine 130 auf, mittels welcher eine Drehzahl des Turbinenrads 120 und/oder des Verdichterrads 110 beeinflusst wird. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 130 bei einer plötzlichen Leistungsanforderung eines Fahrers des Kraftwagens eine gemeinsame Welle 140 des Turbinenrads 120 und des Verdichterrads 110 rotatorisch beschleunigen, wodurch eine Drehzahl der Welle 140 und damit eine Drehzahl der jeweiligen Räder 110, 120 des Abgasturboladers 100 besonders schnell gesteigert werden. Bei einem derartigen Einsatz einer elektrischen Maschine 130 lassen sich bekannte Unzulänglichkeiten des Abgasturboladers 100 zumindest im Wesentlichen beheben, zum Beispiel eine unzureichende Verdichtung bei einer besonders niedrigen Motordrehzahl („Turboloch“). 2 zeigt in einem Zeitablaufdiagramm jeweils einen zeitlichen Verlauf einer Drehzahl 1 und eines Ladedrucks 2 eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betriebenen Abgasturboladers 100. Ferner sind in 2 bzw. in dem Zeitablaufdiagramm der zeitliche Verlauf einer Drehzahl 3 und eines Ladedrucks 4 des Abgasturboladers 100 dargestellt, sodass ein Unterschied zwischen einem herkömmlichen Verfahren zum Betreiben des Abgasturboladers 100 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Abgasturboladers 100 besonders leicht ersichtlich ist.
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Unter Bezugnahme auf 2 erfolgt ein herkömmliches Verfahren zum Betreiben des Abgasturboladers 100 folgendermaßen: Während einer ersten Zeitspanne 5, welche sich vom Beginn der Betrachtung an bis zu einem Zeitpunkt 6 erstreckt, ist eine Konstantfahrt des Kraftwagens dargestellt. Das bedeutet, dass mittels des Abgasturboladers 100 ein Ladedruck 4 erzeugt wird, welcher einem angeforderten Ladedruck, das heißt einem Soll-Ladedruck 7, zumindest im Wesentlichen entspricht. Dementsprechend verläuft auch die Drehzahl 3 des Abgasturboladers 100 in der ersten Zeitspanne 5 zumindest im Wesentlichen konstant.
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Zum Zeitpunkt 6 steigt der Soll-Ladedruck 7 beispielsweise dadurch, dass der Fahrer ein Fahrpedal besonders stark betätigt, zum Beispiel um den Kraftwagen zu beschleunigen. Während einer sich an die Zeitspanne 5 anschließende und von dem Zeitpunkt 6 und einem Zeitpunkt 8 begrenzten Zeitspanne 9 steigt dann gemäß der Leistungsanforderung die Drehzahl 3 als auch der Ladedruck 4.
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In einem sich an die Zeitspanne 9 anschließende und von dem Zeitpunkt 8 und einem Zeitpunkt 10 begrenzten Zeitspanne 11 kommt es dabei bei herkömmlichen Abgasturboladern bzw. bei herkömmlichen Verfahren zum Betreiben des Abgasturboladers 100 zu einem mit 12 bezeichneten Drehzahl-Überschwinger. Ein derartiger Drehzahl-Überschwinger 12 und dessen Entstehung sind im Stand der Technik bereits bekannt.
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Während der Zeitspanne 11 steigt auch der Ladedruck 4, insbesondere dem Drehzahl-Überschwinger 12 folgend, über das Niveau des Soll-Ladedrucks 7 an. Ebenfalls während der Zeitspanne 11 wird der Ladedruck 4 bzw. die Drehzahl 3 auf ein jeweiliges Soll-Maß geregelt, sodass insbesondere der Ladedruck 4 sich besonders nah an den Soll-Ladedruck 7 annähert.
Beginnend mit dem Zeitpunkt 10, das heißt anschließend an die Zeitspanne 11, folgt eine Zeitspanne 14, während welcher der Ladedruck 4 besonders nah an dem Soll-Ladedruck 7 verläuft, idealerweise mit diesem zusammenfällt. Beispielsweise kann während der Zeitspanne 14 der Ladedruck konstant verlaufen, jedoch auf einem höheren Niveau als während der Zeitspanne 5. Dementsprechend kann dann auch der Verlauf der Drehzahl 3 konstant verlaufen.
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Konsequenterweise ist der Abgasturbolader 100 (welcher vereinfacht auch Turbolader 100 genannt werden kann) dann konstruktiv so auszulegen bzw. herzustellen, dass der Drehzahl-Überschwinger 12 eine maximal zulässige Drehzahl 13 bzw. Maximaldrehzahl 13 des Abgasturboladers 100 nicht überschreitet, da ansonsten der Abgasturbolader 100 beschädigt wird, beispielsweise indem das Turbinenrad 120 oder das damit gekoppelte Verdichterrad 110 zu hohen Fliehkräften ausgesetzt ist und dadurch beschädigt bzw. zerstört wird.
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Um nun dieses Verfahren zum Betreiben des Abgasturboladers 100 derart weiterzuentwickeln, dass der Abgasturbolader 100 besonders effizient geregelt wird, ist vorgesehen, das Turbinenrad 120 mittels der elektrischen Maschine 130 gezielt zu bremsen. In dem Zeitablaufdiagramm der 2 beginnt eine derartige Bremsung des Turbinenrads 120 mittels der elektrischen Maschine 130 im Bereich des Zeitpunkts 8. Der Verlauf der Drehzahl 1 verhält sich während der Zeitspannen 5 und 9 analog zu der Drehzahl 3 bzw. dem Ladedruck 4 wie bereits beschrieben. Es ist jedoch festzustellen, dass die Drehzahl 1 keinerlei Drehzahl-Überschwinger aufweist, bevor diese in einen eingeregelten, konstanten Zustand übergeht.
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Indem das Turbinenrad 120 mittels der elektrischen Maschine 130 gebremst wird, kann eine vorgebbare bzw. vorgegebene Drehzahl des Turbinenrads 120 gezielt eingestellt werden. Insbesondere kann mittels der elektrischen Maschine 130 die vorgegebene Drehzahl konstant und/oder stabil gehalten werden, sodass das Turbinenrad 120 möglichst wenigen, insbesondere gar keinen Drehzahlschwankungen unterworfen ist. Daraus resultiert ein besonders gleichmäßiger Betrieb des Abgasturboladers 100.
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Vorzugsweise wird mittels der elektrischen Maschine 130 das Turbinenrad 120 gebremst, sobald die Gefahr besteht, dass die Drehzahl 1 die Maximaldrehzahl 13 des Abgasturboladers 100 überschreiten würde. Mit anderen Worten ist ein Überschwingen der Drehzahl 1 des Abgasturboladers 100 dadurch verhindert, dass mittels der elektrischen Maschine 130 das Turbinenrad 120, insbesondere die Drehzahl 1 des Turbinenrads 120, gebremst wird. Es ist denkbar, dass es sich bei der Maximaldrehzahl 13 um eine konstruktiv bedingte bzw. vorgegebene Maximaldrehzahl des Abgasturboladers 100 handelt, beispielsweise um eine bauartbedingte Drehzahlgrenze. Es kann also mittels des Bremsens des Turbinenrads 120 das Überschwingen der Drehzahl des Turbinenrads 120 über die bauartbedingte Drehzahlgrenze verhindert werden. Anders ausgedrückt kann ein Betrieb des Abgasturboladers 100 mit einer Drehzahl, welche höher ist als die Maximaldrehzahl 13, zu einer Fehlfunktion des Abgasturboladers 100 und/oder zur Beschädigung und/oder Zerstörung des Abgasturboladers 100 führen.
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In 2 ist des Weiteren zu erkennen, dass bereits zum Zeitpunkt 8 die Drehzahl 1 in den eingeregelten, konstanten Zustand übergeht und diese nicht erst nach dem Zeitpunkt 10 erreicht wird. Außerdem wird bereits ab dem Zeitpunkt 8, das heißt bereits in der Zeitspanne 11, die Drehzahl 1 bzw. der Ladedruck 2 auf einem konstanten Niveau gehalten. Infolgedessen geht auch der Ladedruck 2 bereits zum Zeitpunkt 8 in den eingeregelten, konstanten Zustand über und wird auf einem konstanten Niveau gehalten. Dadurch, dass der Drehzahl-Überschwinger 12 bei diesem Verfahren vermieden wird bzw. ist, kann bei gleicher konstruktiver Auslegung des Abgasturboladers 100 ein gegenüber dem herkömmlichen Soll-Ladedruck 7 höherer Soll-Ladedruck 15 erzeugt werden, welcher auch konstant gehalten werden kann, ohne einen durch eine Überdrehzahl verursachten Schaden des Abgasturboladers 100 befürchten zu müssen.
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Bevorzugt kann mittels des Bremsens des Turbinenrads 120 dessen Drehzahl konstant bei der Maximaldrehzahl 13 gehalten werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit ermöglicht ist, dass der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betriebene Abgasturbolader 100 besonders nah an dessen Betriebsgrenzen betrieben werden kann und dadurch besonders effizient regelbar ist.
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Im Idealfall - also wenn die Dimensionierung des Turboladers und der herkömmliche Regler, der über die innere Thermodynamik des Laders dessen Drehzahl (und den Ladedruck) regelt, ideal abgestimmt sind, - wird der Zustand der Zeitspanne 14 ohne elektrischen Eingriff eingeregelt, weil dauerhafter elektrischer Eingriff gesamtenergetisch nicht optimal wäre. Mit anderen Worten: Im Idealfall wird der elektrische Bremseingriff nur während der Zeitspanne 11 benötigt, also nur zur Vermeidung des Drehzahlüberschwingers. Ein dauerhafter elektrischer Eingriff während der Zeitspanne 14 wäre, weil gesamtenergetisch nicht optimal, zwar nicht anzustreben, könnte jedoch dann nötig sein und durchgeführt werden, wenn das thermodynamisch regelnde System nicht optimal ausgelegt wäre.
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3 zeigt, um das Verfahren zum Betreiben des Abgasturboladers 100 zu veranschaulichen, ein Flussdiagramm, in welchem Verfahrensschritte dargestellt sind. Ein erster Verfahrensanteil 16 umfasst eine herkömmliche, indirekte Regelung 18 des Abgasturboladers 100, wobei basierend auf einer Vielzahl von aus dem Stand der Technik bekannten Eingangsgrößen 17 beispielsweise über eine klassische, aus dem Stand der Technik bekannte Regelungseinrichtung entsprechende Steuer- und/oder Regelsignale 19 als Eingangsgrößen für einen Stellschritt 20 dienen. Hierbei wird zum Beispiel über zumindest ein klassisches Stellelement (zum Beispiel Leitschaufel-Winkelversteller, schaltbare Abblaseinrichtung etc.) wenigstens eine Gegebenheit im Inneren des Abgasturboladers 100 verändert, zum Beispiel ein Winkel der Leitschaufeln verstellt, eine Abblaseinrichtung („Wastegate“) geöffnet/geschlossen etc. Entsprechend der empfangenen Signale 19 wird also während des Stellschritts 20 zumindest eine veränderte thermodynamische Größe 21 erzeugt, wodurch eine Turbinenantriebsleistung 22 beeinflusst wird, indem auf diese wenigstens eine veränderte thermodynamische Größe 21 auf das Turbinenrad 120 einwirkt.
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Einfluss auf ein Drehzahlverhalten 23 des Abgasturboladers, welches insbesondere durch eine Drehzahlbeschleunigung, -verzögerung und/oder -konstanz charakterisiert werden kann, haben auch weitere Nebeneingangsgrößen 24, beispielsweise Reibleistungen, Trägheitsmomente, durch Verschleiß reduzierte Verdichterleistung etc.
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Um nun dieses Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers 100 derart weiterzuentwickeln, dass der Abgasturbolader 100 besonders effizient geregelt wird, ist ein zweiter Verfahrensanteil 25 vorgesehen, welcher eine weitere Regelung 26 aufweist, welche basierend auf weiteren Eingangsgrößen 27 weitere Steuer- und/oder Regelsignale 28 erzeugt und einem weiteren Stellschritt 29 als Eingangsgrößen zuführt bzw. bereitstellt. Hierbei wird über die elektrische Maschine 130 verhindert, dass - wie zuvor beschrieben - ein Drehzahl-Überschwinger auftritt, wodurch der Abgasturbolader 100 beschädigt bzw. zerstört werden kann. Insbesondere kann die elektrische Maschine 130 in einem ersten Betriebsmodus die das Turbinenrad 120 und das Verdichterrad 110 verbindende Welle 140 abbremsen, beispielsweise indem eine Gegenstrombremsung an der Welle 140 ausgeführt wird. Bei der Gegenstrombremsung wird eine Energiezufuhr der elektrischen Maschine 130 so geschaltet bzw. umgeschaltet, dass diese entgegen ihrer momentanen Drehrichtung angetrieben und dadurch abgebremst wird. Entsprechend der empfangenen weiteren Signale 28 wird also während des weiteren Stellschritts 29 zumindest eine elektromagnetische Größe 30 erzeugt, wodurch eine Bremsleistung 31 beeinflusst wird, indem diese mittelbar oder unmittelbar auf die Welle 140 des Turbinenrads 120 einwirkt.
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Die Turbinenantriebsleistung 22, welche aus dem ersten Verfahrensanteil 16 hervorgeht und die Bremsleistung 31, welche aus dem zweiten Verfahrensanteil 25 hervorgeht, wirken beide gemeinsam auf die Welle 140 bzw. auf das Turbinenrad 120 und/oder auf das Verdichterrad 110, sodass schließlich beide Verfahrensanteile 16, 25 Einfluss auf das Drehzahlverhalten des Abgasturboladers 100 haben. Mit anderen Worten kann das Regeln des Abgasturboladers 100 mit dem bisher aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, welches durch den ersten Verfahrensanteil 16 umfasst ist, erfolgen und um das erfindungsgemäße Verfahren, welches durch den zweiten Verfahrensanteil 25 umfasst ist, ergänzt werden.
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4 zeigt ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Abgasturboladers, wobei eine integrierte Regelung erfolgen kann. Dazu können in einem dritten Verfahrensanteil 32 einem Modellschritt 33 die Eingangsgrößen 17 bereitgestellt bzw. zugeführt werden. Während des Modellschritts 33 kann ein Turboladermodell, welches insbesondere in einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Kraftwagens hinterlegt sein kann, anhand der Eingangsgrößen 17 (zum Beispiel Motordrehzahl, Drehzahl 1 des Abgasturboladers 100, Drücke/Temperaturen vor und nach dem Verdichterrad 110 bzw. vor und nach dem Turbinenrad 120, Kraftstoffeinspritzmenge, momentane Stellungen der Stellelemente, Luft- und/oder Abgasmassenstrom, Abgasrückführungsraten etc.) und deren jeweiliger Veränderung antizipieren, zu welchem Zeitpunkt und in welcher Höhe die Bremsleistung 31 auf die Welle des Abgasturboladers 100 wirken muss, um den Drehzahl-Überschwinger 12 zu vermeiden.
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Hierzu liefert das Turboladermodell unter anderem einen benötigten Drehzahlverlauf 34 des Abgasturboladers 100 und eine prognostizierte, zur Erreichung eines Wunsch-Ladedruckverlaufs aufzuwendende Turbinenantriebsleistung 22, welche als Eingangsgrößen für einen Auswerteschritt 35 dienen. Dieser Auswerteschritt 35 liefert als eine erste Ausgangsgröße einen abzudeckenden Bedarf 36 thermodynamischer Turbinenleistung, welcher in einem Übergabeschritt 37 an den Stellschritt 20 übergeben wird. Hierdurch geht der Bedarf 36 von dem dritten Verfahrensanteil an einen ersten Verfahrensanteil 16a über, welcher im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform um die herkömmliche Regelung 18 reduziert ist. An deren Stelle tritt der dritte Verfahrensanteil 32.
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Außerdem liefert der Auswerteschritt 35 eine erwartete positive oder negative Differenz 38 thermodynamischer Turbinenleistung. Die Differenz 38 wird einem weiteren Übergabeschritts 39 als Eingangsgröße zugeführt bzw. bereitgestellt, um dann an einen Bremsleistungs-Berechnungsschritt 40 übergeben zu werden. In diesem Bremsleistungs-Berechnungsschritt 40 wird eine Leistungsdifferenz 41 (momentane Leistung der elektrischen Maschine 130 minus Leistungsbedarf) antizipierend ermittelt, die, wenn diese negativ ist, einen Bedarf an elektrischer Zusatzleistung ausdrückt, mittels welcher die elektrische Maschine 130 antreibbar bzw. beschleunigbar ist, und wenn diese positiv ist, einen Bedarf an elektrischer Bremsleistung ausdrückt, mittels welcher die elektrische Maschine 130 verzögerbar bzw. abbremsbar ist. Diese Leistungsdifferenz 41 fließt in die Steuerung der elektrischen Maschine 130 ein, indem diese einem Verfahrensunteranteil 25a bereitgestellt wird, wobei dieser an einer Übergangsstelle 42 direkt an einen Verfahrensunteranteil 25b angrenzt. Der Verfahrensanteil 25a umfasst den weiteren Stellschritt 29 und die Ausgabe der Bremsleistung 31 an den ersten Verfahrensanteil 16a.
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Der Verfahrensunteranteil 25b weist die weitere Regelung 26 auf. An der Übergangsstelle 42, an welcher die Verfahrensunteranteile 25a, 25b direkt aneinander angrenzen, werden die Leistungsdifferenz 41 und die aus dem Verfahrensunteranteil 25b stammenden weiteren Signale 28 zu einem gemeinsamen Steuer- und/oder Regelsignal 43 zusammengefasst und an den weiteren Stellschritt 29 übergeben.
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Der Verfahrensunteranteil 25b ist mit der weiteren Regelung 26 dafür vorgesehen, einen Drehzahl-Überschwinger 12 zu vermeiden, beispielsweise, wenn dieser trotz der modellbasierten Regelung in dem Modellschritt 33 tatsächlich auftreten sollte, etwa aufgrund von einer ungenauen Modellbildung. Hierbei wird mittels der weiteren Regelung 26 dann Einfluss auf das Regel- bzw. Steuerergebnis, also die Leistungsdifferenz 41, genommen, um die Leistungsdifferenz 41 nachzuregeln, sodass ein optimiertes Regel- bzw. Steuerergebnis vorliegt und anhand daran der Abgasturbolader 100 und insbesondere die elektrische Maschine 130 gesteuert bzw. geregelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehzahl
- 2
- Ladedruck
- 3
- Drehzahl (herkömmlich)
- 4
- Ladedruck (herkömmlich)
- 5
- Zeitspanne
- 6
- Zeitpunkt
- 7
- Soll-Ladedruck (herkömmlich)
- 8
- Zeitpunkt
- 9
- Zeitspanne
- 10
- Zeitpunkt
- 11
- Zeitspanne
- 12
- Drehzahlüberschwinger
- 13
- Maximaldrehzahl
- 14
- Zeitspanne
- 15
- Soll-Ladedruck
- 16
- erster Verfahrensanteil
- 16a
- erster Verfahrensanteil
- 17
- Eingangsgrößen
- 18
- herkömmliche Regelung
- 19
- Steuer-/Regelsignale
- 20
- Stellschritt
- 21
- thermodynamische Größen
- 22
- Turbinenantriebsleistung
- 23
- Drehzahlverhalten
- 24
- Nebeneingangsgrößen
- 25
- zweiter Verfahrensanteil
- 25a
- Verfahrensunteranteil
- 25b
- Verfahrensunteranteil
- 26
- weitere Regelung
- 27
- weiteren Eingangsgrößen
- 28
- weitere Steuer-/Regelsignale
- 29
- weiterer Stellschritt
- 30
- elektromagnetische Größe
- 31
- Bremsleistung
- 32
- dritter Verfahrensanteil
- 33
- Modellschritt
- 34
- benötigter Drehzahlverlauf
- 35
- Auswerteschritt
- 36
- Turbinenleistungsbedarf
- 37
- Übergabeschritt
- 38
- Turbinenleistungsdifferenz
- 39
- weiterer Übergabeschritt
- 40
- Bremsleistungs-Berechnungsschritt
- 41
- Leistungsdifferenz
- 42
- Übergangsstelle
- 43
- gemeinsames Steuer-/Regelsignal
- 100
- Abgasturbolader
- 110
- Verdichterrad
- 120
- Turbinenrad
- 130
- elektrische Maschine
- 140
- Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014017631 A1 [0003]
- DE 3878083 T2 [0004]
- DE 10310221 A1 [0006]