DE102011055452A1

DE102011055452A1 - Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102011055452A1
Application number: DE102011055452A
Authority: DE
Inventors: Frank Rabe; Kathrin Steinhuber
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader aufgebaut wird und an den Druckwellenlader ein Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, ein Kanal 2 zum Abführen der komprimierten Frischluft, ein Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 zum Abführen von Abgas angeschlossen sind und der Druckwellenlader ein Kaltgasgehäuse, an dem Kanal 1 und Kanal 2 angeschlossen sind, und ein Heißgasgehäuse, an dem Kanal 3 und Kanal 4 angeschlossen sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Ladedruckes über einen Regelungskreis und/oder Steuerungskreis erfolgt, wobei der Regelungskreis und/oder Steuerungskreis einen Regler, ein Stellglied, eine Regelstrecke und eine Messglied aufweist und eine Führungsgröße und eine Störgröße eingebracht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Sowohl die gesetzlichen als auch die Markterfordernisse und die daraus resultierenden Ansprüche an heutzutage entwickelte Kraftfahrzeuge begründen sich in geringem Kraftstoffverbrauch und geringer Umweltbelastung. Hierzu ist seit einigen Jahren das Prinzip des Downsizings bekannt, bei dem mit gleichbleibendem Hubraum eine deutlich höhere Leistungsausbeute zu verzeichnen ist oder aber eine im Wesentlichen gleiche Leistungsausbeute, bei deutlich verringertem Hubraum, realisiert werden kann. Hierzu werden Verbrennungskraftmaschinen ein- oder mehrstufig aufgeladen, so dass entsprechend der Zylinderfüllgrad pro Verbrennungstakt steigt. Aufgrund des bei gleichbleibender Leistung deutlich reduzierten Hubraumes reduziert sich entsprechend die Reibleistung einer Verbrennungskraftmaschine, weshalb der effektive Wirkungsgrad in Bezug auf die gebotene Leistung steigt. In der Folge wird bei der Bereitstellung von annähernd der gleichen Leistung, also der Wandlung von chemischer im Kraftstoff enthaltener Energie in Bewegungsenergie, eindeutig weniger Kraftstoff verbraucht. Durch den geringen Kraftstoffverbrauch geht auch ein entsprechend geringer Schadstoffausstoß, insbesondere CO₂-Ausstoß, einher.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu verschiedene Aufladeverfahren bekannt. Beispielsweise ist es möglich, eine Verbrennungskraftmaschine mittels eines Turboladers aufzuladen. Hierbei wird die im Abgas enthaltene Restenergie dazu genutzt, die zur Verbrennung angesaugte und benötigte Frischluft zu verdichten und somit den Zylinderfüllungsgrad zu erhöhen.
Weiterhin ist beispielsweise aus dem Stand der Technik der Kompressor bekannt. Bei dem Kompressor wird ein Verdichter durch eine mechanische Kopplung, mit beispielsweise der Kurbelwelle, der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, wobei der Verdichter ebenfalls die zur Verbrennung benötigte Frischluft komprimiert, so dass der Zylinderfüllungsgrad steigt.
Ebenfalls ist aus dem Stand der Technik der Druckwellenlader bekannt, bei dem das von der Verbrennung ausgestoßene Abgas im direkten Gaskontakt dazu genutzt wird, die angesaugte Frischluft zu verdichten und der Verbrennungskraftmaschine wiederum zuzuführen. Der Druckwellenlader besitzt hierzu einen Zellrotor, der rotierende Zellen besitzt, wobei ein in den Zellen zuvor genannter Komprimierungsvorgang, bei direktem Gaskontakt von Abgas und angesaugter Frischluft, stattfindet.
Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine nimmt diese eine Vielzahl verschiedene Betriebspunkte ein, wobei zwischen dem Übergang der einzelnen Betriebspunkte kein funktioneller Zusammenhang gegeben ist. Bei konstanter Geschwindigkeit ergibt sich beispielsweise schon ein Betriebspunktwechsel durch das Befahren einer Steigung, so dass ein entsprechend höherer Lastpunkt eingenommen wird. Ebenfalls bei Lastsprüngen, hervorgerufen durch den punktuellen Bedarf von mehr oder aber auch gar keiner Antriebsleistung, erfolgt ein Betriebspunktwechsel. In direktem Zusammenhang mit dem Betriebspunktwechsel steht jedoch die Ladungswechselanforderung der Verbrennungskraftmaschine selber. Dies bedeutet einlassseitig die benötigte Menge an Frischluft bzw. Frischluft-Kraftstoff-Gemisch und auslassseitig einen entsprechenden Abgasausstoß.
Ein Druckwellenlader selber weist einen Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, einen Kanal 2 zum Abführen komprimierter Frischluft, einen Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und einen Kanal 4 zum Abführen von Abgas auf. Für den Ladungswechselvorgang bedeutet dies, dass der Druckwellenlader über den Kanal 2 direkt mit dem Einlassbereich der Verbrennungskraftmaschine und über den Kanal 3 direkt mit dem Auslassbereich der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist. Ein Wechsel des Betriebspunktes und damit eine Veränderung des gasdynamischen Verhaltens sowie der thermodynamischen Zustandsgrößen wirken sich also auch direkt auf den Verdichtungsprozess im Druckwellenlader selber aus.
Aus dem Stand der Technik gibt es daher verschiedene Ansätze zur Regelung und/oder Steuerung von Druckwellenladern selber. Beispielsweise ist aus der DE 10 2006 020 522 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Druckwellenlader bekannt, bei dem durch die Stellglieder Zellenradantrieb, Gastaschenventil, Gehäusedrehung, die Klappen in den einzelnen Kanälen eine Möglichkeit aufgezeigt wird, einen entsprechenden Druckwellenlader mittels einer Regelungs- und/oder Steuerungsfunktion auf die Erfordernisse der Verbrennungskraftmaschine anzupassen.
Hierbei sind jedoch die zur Korrektur des Regelungs- und/oder Steuerungskreises herangezogenen physikalischen Parameter an Verbrennungsmotoren für die Fluide Luft und Abgas empirisch ermittelt. Eine Änderung der Betriebsparameter der Druckwellenmaschine oder aber der Verbrennungskraftmaschine führt hier zu einem Zustand, der allenfalls über entsprechende Steuerungs- und/oder Regelungsalgorithmen iterativ oder aber mit einer Fuzzylogik aufgefangen werden kann.
Kommt es darüber hinaus zu einer Änderung der stofflichen Eigenschaften der an der Verbrennung beteiligten Fluide, kommt es unter Umständen zu einem unbestimmten Steuerungszustand, der einen Fluiddurchbruch durch die Zellen des Zellrotors und damit eine entsprechend uneffektive Verbrennung zur Folge haben kann. So kann es beispielsweise vorkommen, dass zur Komprimierung eingesetztes Abgas durch die Zelle durchbricht und dem Verbrennungstakt der Verbrennungskraftmaschine erneut zugeführt wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine gerade nicht erhöht, sondern im Gegenteil herabgesetzt. Aufgrund der allenfalls für einige Betriebszustände möglichen iterativen Annäherung käme es zu einem entsprechend hohen Rechenaufwand von potenziell hinterlegten Zahlenwertgleichungen, die eine schnelle, insbesondere Echtzeitregelung, innerhalb weniger Millisekunden erschwert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes in einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, dem ein physikalisch begründbarer Druckwellenvorgang als Regelalgorithmus zugrunde liegt und das gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbessert ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes an einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen in Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Das Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader aufgebaut wird und an den Druckwellenlader ein Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, ein Kanal 2 zum Abführen der komprimierten Frischluft, ein Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 zum Abführen von Abgas angeschlossen sind und der Druckwellenlader ein Kaltgasgehäuse, an dem Kanal 1 und Kanal 2 angeschlossen sind, und ein Heißgasgehäuse, an dem Kanal 3 und Kanal 4 angeschlossen sind, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Ladedruckes über einen Regelungskreislauf oder Steuerungskreislauf erfolgt, wobei der Regelungskreislauf oder der Steuerungskreislauf einen Regler, ein Stellglied, eine Regelstrecke und ein Messglied aufweist und eine Führungsgröße und eine Störgröße eingebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Druckwellenladers ist dabei vorzugsweise auf ein elektrisches Steuergerät implementiert und auf die grundsätzlichen Belange der elektrischen Stellglieder, Druckwellenmaschine bzw. eines Druckwellenladers abgestimmt. Es ermöglicht, den Druckwellenvorgang selbst als physikalisch begründbare Prozedur abzubilden, so dass entsprechend alle eintretenden Betriebszustände annähernd über den Regelalgorithmus selbst abgebildet werden können. Hierdurch ergeben sich entsprechend kurze Regelungs- und/oder Steuerungszeiten, so dass entsprechend sensitiv und reaktionsschnell der Druckwellenlader selbst auf den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine einstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der Ladedruck im Kanal 2 als Regelgröße erfasst und auf die Führungsgröße rückgeführt, wobei als Führungsgröße ein Ladedrucksollwert vorgegeben wird. Der Ladedruck im Kanal 2 ist dabei der sich einstellende Druck, den das komprimierte Medium, insbesondere die komprimierte Frischluft, aufweist. Dieser Druck unterscheidet sich maßgebend von dem Umgebungsdruck bzw. dem Druck im Kanal 1, den die angesaugte Frischluft aufweist. Der Regler wird dabei zum Folgen der Führungsgröße verwendet und das Messglied zur Erfassung der Störgröße.
Störgrößen sind dann, besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung, alle physikalischen, chemischen und thermodynamischen Zustandseigenschaften der durch den Aufladevorgang des Druckwellenladers beteiligten Fluide. Insbesondere sind dies das Abgas sowie die angesaugte Frischluft.
Bei der Führungsgröße handelt es sich um den zu erreichenden Betriebspunkt, der sich entsprechend über entweder ein Tableau oder aber entsprechend hinterlegte Algorithmen, beispielsweise von einer Fahrpedalstellung unter Berücksichtigung der Ist-Zustände, welche wiederum beispielsweise durch Motordrehzahl, Geschwindigkeit oder Ähnliches wiedergegeben sein können, umrechnen lässt. Die Führungsgröße ist also der Sollwert, der in dem Regelungs- oder Steuerungsprozess erreicht werden soll.
In der Ausführungsvariante, in dem der im Kanal 2 vorhandene Ladedruck als Regelgröße erfasst wird und auf die Führungsgröße zurückgeführt wird, kann es sich beispielsweise bei der Führungsgröße um einen Ladedrucksollwert handeln. Durch entsprechende Regelung und/oder Steuerung der elektronischen Komponenten des Druckwellenladers mittels des Stellgliedes über die Regelstrecke ist es somit möglich, den entsprechenden Kreis zu schließen. In der Regelstrecke wird wiederum die Störgröße über das Messglied erfasst und bevorzugt auf die Regelgröße geführt, wobei die Regelgröße dann wiederum auf die Führungsgröße rückgeführt wird. Ein solcher Regelungskreislauf und/oder Steuerungskreislauf ist unempfindlich gegenüber transienten Vorgängen.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, für die Regelung des Druckwellenprozesses selbst, auf die Regelgröße der Druckerhöhung, also des Druckes des von dem Kanal 1 in den Kanal 2 strömenden Fluids, neben den stoffspezifischen kinematikrelevanten Eigenschaften der Fluide und der druckwellenrelevanten Länge des Druckwellenerzeugers die Stellgrößenöffnungszeit und -verschlusszeit der jeweiligen Kanalöffnungen sowie die Störgröße Differenzdruck zwischen den Fluiden in den Kanälen 2 bis 4, also von Kanal 4 zu Kanal 2 und/oder von Kanal 4 zu Kanal 3, aufzunehmen, wobei der Druck im Kanal 2 als Regelgröße erfasst und auf die Führungsgröße rückgeführt wird. Im Rahmen der Erfindung bietet es sich hier insbesondere an, mit dem Verfahren entsprechende Stellglieder der Kanalöffnungsquerschnitte zu regeln und/oder zu steuern. Hierbei kann es sich beispielsweise um autark angetriebene Ventile handeln, die beispielsweise wiederum elektrisch, elektromechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder anderweitig betätigbar sind. Insbesondere sollten die Kanalöffnungsstellglieder jeweils einzeln und unabhängig ansteuerbar sein, so dass jeder Kanal einzeln ansteuerbar ist.
Hierzu werden als Stellgröße bevorzugt mindestens die Öffnungszeit und/oder Verschlusszeit einer Kanalöffnung der Kanäle 1 bis 4 genutzt, vorzugsweise werden die Öffnungszeiten der vier Kanäle 1 bis 4 und die Verschlusszeiten der vier Kanäle 1 bis 4 als Stellgrößen genutzt, besonders bevorzugt werden die Stellgrößen unabhängig voneinander angesteuert. Hierdurch ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Druckwellenlader entsprechend in einem höheren Wirkungsgradniveau zu betreiben, da zusätzlich zu bereits bekannten Regelungsmöglichkeiten, wie Motordrehzahl des Zellrotors oder aber Gehäuseversatz, aktiv in die Regelung und/oder Steuerung eingegriffen werden kann, indem ein jeweiliges Stellglied bzw. die jeweilige Stellgröße, Öffnungszeiten und/oder Verschlusszeiten individuell und unabhängig voneinander einstellbar sind.
Weiterhin bevorzugt wird als Störgröße ein Druck in einem der Kanäle 1 bis 4 und/oder eine Temperatur in einem der Kanäle 1 bis 4 und/oder ein Differenzdruck zwischen zwei der Kanäle verwendet. Hierdurch ist es wiederum möglich, über die entsprechenden Druckmessungen bzw. Differenzdruckmessungen die thermodynamische Zustandseigenschaft eines jeden Fluids genau zu erfassen und erfindungsgemäß in ein Regelungs- und/oder Steuerungsverfahren einzubinden.
Weiterhin bevorzugt werden als Parameter für die Regelstrecke die stoffspezifischen, thermodynamischen und/oder kinematischen Eigenschaften der angesaugten Frischluft verwendet.
Weiterhin bevorzugt wird als Parameter für die Regelstrecke die druckwellenrelevante Länge des Druckwellenladers verwendet. Hierbei handelt es sich um die akustische Länge des Druckwellenladers, also die Länge, die die Druckwellen selbst zur Ausbreitung und somit zur Überwindung eines Längenabschnittes benötigen. Weiterhin bevorzugt wird in dem Regler selber ein Prozessmodel genutzt, das nach dem Prinzip einer Fuzzylogik arbeitet.
Weiterhin bevorzugt wird zur Beobachtung der Regelstrecke ein Parallelmodel genutzt, wobei in dem Parallelmodel die Störgröße geschätzt wird. Vorzugsweise weist das Parallelmodel einen linear-quadratischen Regulator und/oder ein linear-quadratischen Estimator auf. Insbesondere erfolgt in diesem Zusammenhang die Schätzung der Störgrößen Druck und/oder Temperatur wahlweise in einem der Kanäle 1 bis 4 mittels eines Kalman-Filters. Der Regler und das Stellglied in dem Aktuatorregelkreis werden dem Regelungs- und/oder Steuerungskreis unterlagert. Bei den Aktuatoren kann es sich wiederum um elektrische, pneumatische und/oder hydraulische Stellelemente an oder in dem Druckwellenlader und/oder mit dem Druckwellenprozess verbundene handeln. Insbesondere handelt es sich um entsprechend unabhängig voneinander und eigenständig ansteuer- und betätigbare Ventile. Der Aktuatorregelkreis zur Betätigung dieser Ventile kann daher auch als modellbasierter Regler oder auch als klassischer PID-Regler mit der Einstellung gemäß einem symmetrischen Optimum entworfen sein. In diesem Fall ist die Phasenreserve der Ortskurve des unterlagerten Aktuatorregelkreises größer gleich Pi/8 und kleiner gleich Pi/4.
Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere möglich, den Druckwellenlader mit einzeln voneinander zu betätigenden Ventilen zu regeln und/oder zu steuern, wobei jedem der Kanäle 1 bis 4 ein Ventil zugeordnet ist, bei dem eine jeweilige Schließzeit und Öffnungszeit eingestellt wird. Die Ventile sind dabei erfindungsgemäß, wie bereits zuvor erwähnt, entsprechend unabhängig und einzeln voneinander ansteuerbar, so dass sich hierüber eine entsprechend zusätzliche Möglichkeit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ergibt, bei der die stofflichen Größen der Fluide bisher in keinem der bekannten Regel- oder Steuerungsverfahren zum Auslösen und Führen des Druckwellenvorgangs oder zum Betreiben der Druckwellenmaschine selbst berücksichtigt sind.
Weiterhin bevorzugt wird als Ersatzmodel für den Druckwellenprozess ein linearer Feder-Masse-Schwinger genutzt. Hierdurch wird vermieden, dass eine Änderung der Betriebsparameter des Druckwellenladers, der Brennkraftmaschine oder eine Änderung einer relevanten stofflichen Eigenschaft bereits eines der Fluide auf einen unbestimmten Steuerungszustand führt. Es wird in Analogie zur periodischen Anregung ein linear gekoppelter Feder-Masse-Schwinger der Druckwellenvorgang anhand der kinematikrelevanten Eigenschaften der beteiligten kompressiven Fluide beschrieben, welche durch die physikalischen Größen Kompressionsmodul, Massen-Dichte-Belag und Viskosität gegeben sind.
Die Periodendauer bzw. die Frequenz der periodischen Ventilschaltfolge wird dabei in Abhängigkeit der sich aus den, kinematikrelevanten stofflichen Eigenschaften der Fluide ergebenden, thermoakustischen Kreisfrequenz geregelt. Die Öffnungszeiten und die Schließzeiten der in periodischer Abfolge zu betätigenden Ventile sind in Abhängigkeit der Fluiddrücke in den speisenden und sammelnden Kanälen zu regeln. Die Öffnungsweite bzw. der Durchflussquerschnitt der Kanalöffnungen, welcher durch die Ventile freigegeben wird, ist in Abhängigkeit der dynamikrelevanten stofflichen Eigenschaften der Fluide selbst zu regeln. Als Ursprung der Periode der Kreisfrequenz ist der Zeitpunkt zu definieren, in dem das Ventil des druckreicheren speisenden Kanals zum Laden der Verbrennungskraftmaschine öffnet.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Öffnungszeiten und die Schließzeiten der Ventile in Abhängigkeit zumindest eines Druckes in einem Kanal zu regeln.
Im Rahmen der Erfindung ist es daher möglich, mit dem Regelungs- und/oder Steuerungsverfahren auf die Regelgröße der Druckerhöhung des Druckes von Kanal 1 zu Kanal 2 bzw. des Absolutdruckes im Kanal 2 ein thermodynamisches begründetes und mathematisch geschlossenes Druckwellenverfahren abzubilden, das als Regelalgorithmus auf beliebige 4-Kanal-Druckwellenlader anwendbar ist. Der Betrieb des Druckwellenladers ist dabei mit beliebigen Fluiden bei zeitlich veränderlichen und transienten thermodynamischen Betriebszustände der jeweiligen Fluide anwendbar, ohne stark iterative und/oder in sonstiger Weise rechenlastige Berechnungsschritte zu beinhalten.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Regelkreis von den Eingangsgrößen bis zu den Aktuatoren;
2 einen erfindungsgemäßen Regelkreis von den Eingangsgrößen bis zu den Stellgliedern;
3 ein Federmasseschwingerersatzsystem und
4 eine Darstellung einer periodischen _Ventilschaltfolge_für einen Druckwellenlader.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
In 1 werden auf die Bildebene bezogen auf der linken Seite die Eingangssignale in einem erfindungsgemäßen Regelkreis zur Regelung eines Druckwellenladers dargestellt. Diese sind die Führungsgröße 1, die Regelgröße 2 sowie verschiedene Absolutdrücke p2, p3, p4. Die Absolutdrücke werden von Differenzdruckmesswandlern 3 erfasst und als Differenzdrucksignal weitergegeben. Die Eingangssignale werden dann über verschiedene Regler bzw. Rechentableaus 4 weiterverarbeitet und in Parameter 5V ₁, 5V ₂, 5V ₃, 5V ₄ für die einzelnen Ventile und/oder Öffnungszeiten von Kanaleinlass bzw. Kanalauslass des Druckwellenladers umgewandelt. Diese Parameter 5V ₁, 5V ₂, 5V ₃, 5V ₄ werden dann in eine Steuereinheit 6 weitergeleitet, wobei in der Steuereinheit 6 selber Aktuatorregler in Form eines Phasen- bzw. Winkelversatzreglers 7, eines Kreisfrequenz- bzw. Drehzahlreglers 8 und/oder eines Amplituden- bzw. Hubreglers 9 vorhanden sind. Die Aktuatorregler erzeugen dann ein Steuerungssignal 10, 11, 12, welches dann wiederum an verschiedene Aktuatoren 13a, 13b, 13c weitergegeben wird, wobei die Aktuatoren unter Berücksichtigung des Steuerungssignals einstellbar sind.
2 zeigt ebenfalls einen Regelkreis für einen Druckwellenlader 14, wobei der gesamte Regelkreis des Druckwellenladers 14 gezeigt ist. Auf die Bildebene bezogen ist im linken unteren Teil des Blattes eine Blockdarstellung eines Druckwellenladers 14 gezeigt, mit den einzelnen Stellgliedern, Steuerscheibe 15, Kanalventil 16 und Gastaschenventil 17. Bei der Steuerscheibe 15 kann es sich auch um einen Kantenschieber 13a, ein Kaltgasdrehgehäuse oder aber ein Luftdrehgehäuse handeln. Die Kanalventile selbst können aktiv steuerbar sein, beispielsweise durch rotierende oder reversierende Ventile oder aber es können die Öffnungszeiten der jeweiligen Zellen eines rotierenden Zellrotors sein. Das Gastaschenventil 17 ist auch als Ableitventil bzw. Wastegate bekannt. Die Stellglieder selbst sind bevorzugt über elektrische oder elektromechanische Stellglieder ansteuerbar. Bei den Stellaktuatoren 13a, 13b, 13c handelt es sich um einen Kantenschieber bzw. Schwenkantrieb 13a, um ein Kanalventil bzw. Zellenradantrieb 13b und ein Gastaschenventilantrieb 13c. Weiterhin dargestellt ist ein Steuergerät 18 der Verbrennungskraftmaschine, das in Abhängigkeit des Arbeitspunktes der Verbrennungskraftmaschine den Ladedrucksollwert, also den Druck in Kanal 2 K2 für den Druckwellenlader 14 vorgibt. Dieser wird wiederum über die Regelstrecke entsprechend derart verwertet, dass die Aktuatoren 13a, 13b, 13c eine jeweilige Einstellung vornehmen.
3 zeigt weiterhin ein Ersatzschaltbild nach dem Prinzip eines gekoppelten Federmasseschwingers sowie der daraus folgenden resultierenden, periodischen Ventilschaltfolge bzw. dem zyklischen Wechsel der Kanäle 1 bis 4 K1, K2, K3, K4 aus Sicht einer Zelle eines rotierenden Zellrotors. Die in der jeweiligen Zelle des Zellrotors schwingende Gassäule, die sich bei Eintritt in Kanal 1 K1 aus angesaugter Frischluft, bei Austritt in Kanal 2 K2 aus komprimierter Frischluft, bei Eintritt in Kanal 3 K3 aus Abgas nach der Verbrennung und vor der Verdichtung sowie aus Kanal 4 K4 aus Abgas nach der Verdichtung zusammensetzt, wird durch das Federmasseschwingersatzsystem abgebildet. so ergeben sich durch das Federmasseschwingerersatzsystem für den Druckwellenlader 14 folgende drei charakteristische Systemgrößen:

– der Zeit- bzw. Phasenversatz (φ zwischen dem Abgas und dem Frischluftdruck), aus dem sich ein Stellwinkel α für den Kantenschieber bzw. die Steuerscheibe ergibt, nachdem der Aktuator des Kantenschiebers 13a eingestellt wird.
– die für beide in dem Zellrad befindlichen Gassäulen, also Frischluft und Abgas, eine identische Zykluszeit bzw. Kreisfrequenz (ω), abgebildet auf die Drehzahl n des Zellrotors selber
– das Verhältnis der Druckamplituden r von Abgas zu Frischluft, abgebildet auf die Stellung γ des Gastaschenventils 17.

Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens unter Einbeziehung eines modellbasierten Reglers nach dem Prinzip der Fuzzylogik gemäß 2 ist die Herleitung des Druckwellenladersystemverhaltens aus physikalischen, gasdynamischen Größen, die im Gegensatz zu der auf empirisch ermittelten Parametern beruhenden Kennfeldsteuerung ein kontinuierliches und stabiles Regeln der einzelnen Stellglieder des Druckwellenladers 14 bei vergleichbarer Rechenleistung ermöglichen. Die Stellgliedvorgaben interpolieren bzw. springen nicht von Kennfeldelement zu Kennfeldelement, sondern folgen kontinuierlich dem tendenziellen Verlauf der Druckführungsgröße unter Berücksichtung der Störgröße.
4 zeigt weiterhin ein Kreisdiagramm mit den jeweiligen Öffnungs- bzw. Schließzeiten t_o1, t_s1, t_o2, t_s2, t_o3, t_s3, t_o4, t_s4 der einzelnen Ventile eines jeden Kanals. Abgebildet ist die Kreisfrequenz Ω bei einer vollen Umdrehung einer Zelle des Zellrotors.
Bezugszeichenliste

1: Führungsgröße
2: Regelgröße
3: Differenzdruckmesswandler
4: Regler/Rechentableau
5V₁: Parameterventil 1
5V₂: Parameterventil 2
5V₃: Parameterventil 3
5V₄: Parameterventil 4
6: Steuereinheit
7: Phasenregler
8: Kreisfrequenzregler
9: Amplitudenregler
10: Steuersignal Zeitversatz
11: Steuersignal Kreisfrequenz
12: Steuersignal Druckamplitude
13a: Stellaktuator Kantenschieber
13b: Stellaktuator Kanalventil
13c: Stellaktuator Gastaschenventil
14: Druckwellenlader
15: Steuerscheibe
16: Kanalventil
17: Gastaschenventil
18: Steuergerät Verbrennungskraftmaschine
F: Kraft
m: Masse
c: Federkonstante
d: Dämpfungskonstante
t_o1: Öffnungszeit Kanal 1 bzw. Ventil 1
t_s1: Schließzeit Kanal 1 bzw. Ventil 1
t_o2: Öffnungszeit Kanal 2 bzw. Ventil 2
t_s2: Schließzeit Kanal 2 bzw. Ventil 2
t_o3: Öffnungszeit Kanal 3 bzw. Ventil 3
t_s3: Schließzeit Kanal 3 bzw. Ventil 3
t_o4: Öffnungszeit Kanal 4 bzw. Ventil 4
t_s4: Schließzeit Kanal 4 bzw. Ventil 4
p1: Druckkanal 1 Kanal 1
p2: Druckkanal 2 Kanal 2
p3: Druckkanal 3 Kanal 3
p4: Druckkanal 4 Kanal 4
K1: Kanal 1
K2: Kanal 2
K3: Kanal 3
K4: Kanal 4
φ: Zeitversatz bzw. Phasenversatz
α: Stellwinkel der Steuerscheibe bzw. des Kantenschiebers
n: Drehzahl des Zellrotors
r: Druckamplitude
γ: Stellung des Gastaschenventils
ω: Zykluszeit bzw. Kreisfrequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006020522 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Einstellung eines Ladedruckes einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader aufgebaut wird und an den Druckwellenlader ein Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, ein Kanal 2 zum Abführen der komprimierten Frischluft, ein Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 zum Abführen von Abgas angeschlossen sind und der Druckwellenlader ein Kaltgasgehäuse, an dem Kanal 1 und Kanal 2 angeschlossen sind, und ein Heißgasgehäuse, an dem Kanal 3 und Kanal 4 angeschlossen sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Ladedruckes über einen Regelungskreis und/oder Steuerungskreis erfolgt, wobei der Regelungskreis und/oder Steuerungskreis einen Regler, ein Stellglied, eine Regelstrecke und eine Messglied aufweist und eine Führungsgröße und eine Störgröße eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck im Kanal 2 als Regelgröße erfasst wird und auf die Führungsgröße rückgeführt wird, wobei als Führungsgröße ein Ladedrucksollwert vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied mindestens die Öffnungszeit und/oder Verschlusszeit einer Kanalöffnung der Kanäle 1 bis 4 genutzt wird, vorzugsweise werden die Öffnungszeiten der vier Kanäle 1 bis 4 und die Verschlusszeiten der vier Kanäle 1 bis 4 als Stellgrößen genutzt, besonders bevorzugt werden die Stellgrößen unabhängig voneinander angesteuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Störgröße ein Druck in einem der Kanäle 1 bis 4 und/oder eine Temperatur in einem der Kanäle 1 bis 4 und/oder ein Differenzdruck zwischen zwei Kanälen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter für die Regelstrecke die stoffspezifischen, thermodynamischen und/oder kinematischen Eigenschaften der angesaugten Frischluft verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter für die Regelstrecke die druckwellenrelevante Länge des Druckwellenladers verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Regler ein Prozessmodel genutzt wird, das nach dem Prinzip einer Fuzzylogik arbeitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beobachtung der Regelstrecke ein Parallelmodell genutzt wird, wobei in dem Parallelmodel die Störgröße geschätzt wird, vorzugsweise weist das Parallelmodel einen Linear-Quadratischen Regulator und/oder einen Linear-Quadratischen Estimator auf.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzungen der Störgrößen durch ein Kalman-Filter durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler und das Stellglied in einem Aktuatorregelkreis dem Regelungs- und Steuerungskreislauf unterlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der unterlagerte Aktuatorregelkreis als modelbasierter Regler oder als PID Regler betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der unterlagerte Aktuatorregelkreis eine Ortskurve aufweist, wobei die Phasenreserve größer gleich Pi/8 und kleiner gleich Pi/4 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwellenlader mit einzeln voneinander zu betätigenden Ventile geregelt und/oder gesteuert wird, wobei jedem der Kanäle 1 bis 4 ein Ventil zugeordnet ist und eine jeweilige Schließzeit und Öffnungszeit eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Ersatzmodel für den Druckwellenprozess ein linearer Feder Masse Schwinger genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile in einer periodischen Ventilschaltfolge angesteuert werden, wobei die Periodendauer in Abhängigkeit der sich aus den kinematikrelevanten Eigenschaften der Fluide ergebenden akustischen Kreisfrequenz geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeiten und Schließzeiten der Ventile in Abhängigkeit zumindest eines Druckes in einem Kanal geregelt werden.