Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Druckschrift DE 103 20 978 B3 ist ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine bekannt, das neben einer Drehzahlüberwachung über den gesamten Betriebsbereich des Abgasturboladers auch eine Drehzahlüberwachung zum Schutz vor zu hohen Drehzahlen des Abgasturboladers darstellt. Es wird ein Luft- Kraftstoffverhältnis durch Messung einer Luftzahl im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ermittelt. In Abhängigkeit der Luftzahl wird auf die Drehzahl des Abgasturboladers geschlossen.

Eine Beanspruchung des Abgasturboladers über einen bestimmten thermischen und mechanischen Grenzwert hinaus, kann zur Zerstörung des Abgasturboladers führen. Damit der Abgasturbolader seine mechanische und thermische Grenze nicht überschreitet, wird üblicherweise zur Überwachung des Abgasturboladers als Grenzwert eine zulässige Abgasturboladerdrehzahl in Abhängigkeit einer maximal zulässigen Abgastemperatur angegeben. Die zulässige

Abgasturboladerdrehzahl und die maximal zulässige Abgastemperatur gelten für einen Dauerbetrieb des Abgasturboladers. Bei einem Überschreiten dieser maximal zulässigen Abgastemperatur aufgrund von Überschwingern liegt kein Drehzahlschutz für den Abgasturbolader vor.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine zu schaffen, das neben einer Leistungssteigerung eine verbesserte Betriebssicherheit des Abgasturboladers herbeiführt.

Erfindungsgemäß ist hierzu ein Verfahren zur Regelung eines Abgasturboladers für eine mittels eines Verdichters aufgeladene Brennkraftmaschine vorgesehen, bei dem für einen aktuellen Betriebspunkt des Verdichters oder der Brennkraftmaschine eine zulässige Höchstdrehzahl des Abgasturboladers in Abhängigkeit einer aktuellen Abgastemperatur der Brennkraftmaschine vorgegeben wird. Zulässige Höchstdrehzahlen des Abgasturboladers werden in Abhängigkeit von Abgastemperaturen von einer Grenzwertlinie dargestellt. Der Abgasturbolader kann in seinem tatsächlichen, maximal möglichen Drehzahlbereich betrieben werden, wobei die Leistung des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine unter Beachtung einer thermischen und einer mechanischen Sicherheitsgrenze gesteigert werden können. Der Volllastverbrauch und die Emissionen der Brennkraftmaschine können reduziert werden, da eine höhere Abgastemperatur bei niedrigen und mittleren Motordrehzahlen zugelassen werden kann, wodurch ein Verbrennungsluftverhältnis λ mit einem Wert 1 erzielbar ist.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird in Abhängigkeit einer Drehzahldifferenz des Abgasturboladers,

die aus der zulässigen Höchstdrehzahl und einer aktuellen Abgasturboladerdrehzahl ermittelt wird, und eines aktuellen Betriebspunktes des Verdichters oder der Brennkraftmaschine ein Korrekturfaktor ermittelt. Dies führt zu einer Verbesserung der Regelgüte eines Regelkreises.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch

3 wird vorzugsweise ein virtueller, vorzugebender Betriebspunkt des Verdichters oder der Brennkraftmaschine als ein Produkt des Korrekturfaktors und eines virtuellen, vorgegebenen Betriebspunktes des Verdichters oder der Brennkraftmaschine ermittelt.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch

4 wird zur schnellen Drehzahlregelung ein Wastegate oder eine variable Turbinengeometrie oder ein Axialschieber einer Turbine des Abgasturboladers in Abhängigkeit von dem virtuellen, vorzugebenden Betriebspunkt geregelt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Regel- und

Steuereinheit einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader,

Fig. 2 ein Beispiel für ein Kennfeld eines Verdichters,

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung einer Grenzwertlinie zulässiger Höchstdrehzahlen eines Abgasturboladers in Abhängigkeit von Abgastemperaturen einer

Brennkraftmaschine und

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung der Struktur der erfindungsgemäßen Regelung des Abgasturboladers.

In Fig. 1 ist eine prinzipielle Darstellung einer Regel- und Steuereinheit einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 1, ein Otto- oder ein Dieselmotor,, ist mit dem Abgasturbolader 2 und einer Regel- und Steuereinheit 3 ausgestattet. In dieser Regel- und Steuereinheit 3 werden Betriebspunkte BP der Brennkraftmaschine 1 und/oder eines nicht näher dargestellten Verdichters des Abgasturboladers 2 geregelt beziehungsweise gesteuert. Die Brennkraftmaschine 1 und der Abgasturbolader 2 sind über nicht näher dargestellte Rohrleitungen miteinander verbunden. Die Brennkraftmaschine 1 und der Abgasturbolader 2 sind zwar nicht mechanisch, jedoch thermodynamisch miteinander gekoppelt.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für ein Kennfeld des nicht näher dargestellten Verdichters des Abgasturboladers 2 der Brennkraftmaschine 1 dargestellt, wobei auf einer Abszisse des Kennfeldes ein korrigierter Luftmassenstrom mL_korr und auf einer Ordinate des Kennfeldes ein Druckverhältnis πV aufgetragen sind. Das Druckverhältnis πV ergibt sich aus einer Division eines Ladedruckes an einem Verdichterausgang des Verdichters durch einen Ansaugdruck an einem Verdichtereingang des Verdichters, wobei die Drücke Druckverluste enthalten.

Der korrigierte Luftmassenstrom mL_korr des Kennfeldes stellt einen von dem Verdichter geförderten Luftmassenstrom mL dar, der mit einem Korrekturfaktor KORR__1 multipliziert ist. Der Korrekturfaktor KORR_1 ergibt sich aus der Gleichung

KORR 1 = V ¹ «- I

Pti wobei T _t i eine Totaltemperatur vor dem Verdichter und P _t i einen Totaldruck vor dem Verdichter bezeichnet.

Der nutzbare Kennfeldbereich ist nach links, in Richtung kleiner Luftmassenströme durch die so genannte Pumpgrenze P begrenzt. Die Pumpgrenze P des Verdichters sollte im Betrieb nicht überschritten werden. Bei zu kleinen Luftmassenströmen löst sich die Strömung von Leitschaufeln des Verdichters. Der Fördervorgang wird dadurch instabil. Die Luft strömt rückwärts durch den Verdichter, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis einstellt. Der Druck baut sich erneut auf. Der Vorgang wiederholt sich in schneller Folge. Dabei entsteht ein Geräusch, das so genannte Pumpgeräusch. Die Pumpgrenze P des Verdichters ist gestrichelt dargestellt.

Durchgezogene, mit Rauten versehen Linien stellen konstante Drehzahlen nATL_korr des Verdichters beziehungsweise des Abgasturboladers 2 dar. Die Drehzahlen nATL sind ebenso wie die Luftmassenströme mL korrigiert und sind mit einem Korrekturfaktor KORR_2 multipliziert. Der Korrekturfaktor KORR_2 ergibt sich aus der Gleichung

Die Korrekturfaktoren KORR_1 und KORR_2 reduzieren die Werte des Luftmassenstromes und der Drehzahlen auf Werte, die unabhängig von der Ansaugtemperatur T _t i und dem Ansaugdruck p _t i zum Zeitpunkt der Messung sind. Sie normieren das Kennfeld, wodurch dieses Kennfeld ebenfalls für andere Ansaugtemperaturen T _t i und Ansaugdrücke p _t i verwendbar ist.

Wirkungsgrade η _v des Verdichters sind durch dünne, durchgezogene Linien dargestellt. Eine punktierte Linie

stellt einen maximalen Wirkungsgrad bei einem korrigierten Luftmassenstrom mL_korr und einem Druckverhältnis πV im Verdichterkennfeld dar.

Weiterhin ist eine Motorschlucklinie M eingetragen. Diese gibt in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl und einer Last an, welcher Luftmassenstrom mL_korr von der Brennkraftmaschine 1 bei einem bestimmten Druckverhältnis πV des Verdichters benötigt wird. In dem gezeigten Beispiel steigt der benötigte Luftmassenstrom mL_korr mit zunehmender

Motordrehzahl und zunehmender Last an. Das Druckverhältnis πV steigt ebenfalls mit zunehmender Motordrehzahl und zunehmender Last an, nimmt aber bei sehr hohen Motordrehzahlen und sehr hoher Last wieder ab.

Somit kann bei einem bekannten Kennfeld des Verdichters und bekannter Motorschlucklinie M im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ein jeweils zu einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 optimaler virtueller Betriebspunkt BP_soll des Verdichters vorbestimmt werden. Das bedeutet, dass ein Regelverfahren des Abgasturboladers 2 in Abhängigkeit von Betriebspunkten des Verdichters die Regelgüte des Verfahrens weiter verbessert.

Fig. 3 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Grenzwertlinie TAB_nATL einer zulässigen Höchstdrehzahl des Abgasturboladers 2 in Abhängigkeit einer Abgastemperatur TAB der Brennkraftmaschine 1.

Der Abgasturbolader 2 besitzt einen thermischen und einen mechanische Belastungsgrenzwert. Der thermische Belastungsgrenzwert stellt eine Höchsttemperatur TAB_max des durch eine Turbine strömenden Gases dar, im Falle der Brennkraftmaschine 1 eine Höchsttemperatur TAB max des

Abgases, die nicht überschritten werden sollte. Eine Überschreitung dieser Höchsttemperatur TAB_max führt zu Materialschäden an der Turbine, zum Beispiel zu so genannten „Hot-Spots", die punktuelle Schädigungen an Turbinenschaufeln sind.

Der mechanische Belastungsgrenzwert ist durch eine Höchstdrehzahl nATL_max_max des Abgasturboladers 2 angegeben. Ein Überschreiten dieser Höchstdrehzahl nATL_max_max führt zu einer mechanische Zerstörung des Abgasturboladers 2 aufgrund der sehr hohen Fliehkräfte.

Die Höchstdrehzahl nATL_max_soll ist abhängig von der Abgastemperatur TAB der Brennkraftmaschine 1. Je höher diese Abgastemperatur TAB ist, desto niedriger ist die zulässige Höchstdrehzahl nATL_max_soll . Üblicherweise ist bisher eine Grenzdrehzahl nATL_max_H für den Betrieb des Abgasturboladers 2 als zulässige Höchstdrehzahl nATL_max_soll angegeben, die in Abhängigkeit der zulässigen Höchsttemperatur TAB_max ermittelt wurde. Die in Fig. 3 schraffiert dargestellte Fläche zeigt den üblicherweise ungenützten Temperatur- und Drehzahlbereich eine Abgasturboladers 2. Bei der Regelung des Abgasturboladers 2 mittels der Grenzwertlinie TAB_nATL wird zu jeder Abgastemperatur TAB der Brennkraftmaschine 1 eine Höchstdrehzahl nATL_max_soll ermittelt und für den Betrieb vorgegeben. Diese Höchstdrehzahl nATL_max_max ist mindestens so groß wie die Grenzdrehzahl nATL_max_H. Bei einer Abgastemperatur TAB, die geringer ist als die Höchsttemperatur TAB_max, kann der Abgasturbolader 2 bei einer Drehzahl nATL_max_soll betrieben werden, die größer ist als die Drehzahl nATL_max_H. Diese höhere Drehzahl nATL_max_soll des Abgasturboladers 2 ergibt eine Leistungssteigerung des Abgasturboladers 2.

Durch die Bestimmung der zulässigen Höchstdrehzahl nATL_max_soll in Abhängigkeit der Abgastemperatur TAB der Brennkraftmaschine 1 wird ebenso die thermische Betriebsgrenze überwacht. Bei einem kurzzeitigen Auftreten von Abgastemperaturen TAB, die größer sind als die maximal zulässige Höchsttemperatur TAB_max, wird durch die Bestimmung der zulässigen Höchstdrehzahl nATL_max_soll mittels der Grenzwertlinie TAB_nATL der Abgasturbolader 2 in einem kurzzeitig zulässigen Betriebsbereich betrieben.

Ein Betreiben des Abgasturboladers 2 entlang der gestrichelt dargestellten Linie mit einem Abstandes A zur dargestellten Grenzwertlinie TAB__nATL ist ebenso möglich.

Die zugelässigen Höchstdrehzahlen nATL_max_soll können auch in Form von Wertepaaren oder in Form eines Kennfeldes oder als Funktion in Abhängigkeit der Abgastemperatur TAB dargestellt sein.

Die Fig. 4 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Struktur für die erfindungsgemäße Regelung des Abgasturboladers 2, die in die Regel- und Steuereinheit 3 eingebettet ist.

Ausgangspunkt für die Regelung des Abgasturboladers 2 sind drei Zustandsgrößen eines aktuellen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine 1 und eines aktuellen Betriebszustandes des Abgasturboladers 2.

Die erste Zustandsgröße ist eine aktuelle Abgastemperatur TAB_ist des Abgases der Brennkraftmaschine 1. Sie ergibt sich aus dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1. Die aktuelle Abgastemperatur TAB_ist kann über eine Simulation oder eine Messung ermittelt sein.

Die zweite Zustandsgröße ist ein aktuelles Druckverhältnis πV_ist am Verdichter im aktuellen Betriebszustand des Abgasturboladers 2. Dieses Druckverhältnis πV_ist bestimmt sich als Quotient eines aktuellen Druckes p _t2 nach dem Verdichter zu einem aktuellen Druck p _t i vor dem Verdichter.

Die dritte zur Regelung erforderliche Zustandsgröße ist der von dem Verdichter angesaugte aktuelle Luftmassenstrom mL_ist. Dieser Luftmassenstrom mL_ist wird mittels der erläuterten Umrechnung auf einen korrigierten Luftmassenstrom mL_korr_ist umgerechnet.

Der Luftmassenstrom mL, die Drücke pti und p _t 2 und die Temperatur T _t i werden mit Hilfe von Sensoren gemessen und gegebenenfalls mit Hilfe geeigneter Modelle noch korrigiert. Ebenso könnten der Luftmassenstrom mL, die Drücke p _t i und p _t 2 und die Temperatur T _t i auch simuliert werden.

Die Abgastemperatur TAB_ist wird einem ersten Block 4 zugeführt. In diesem Block 4 ist die in Fig. 3 dargestellte Grenzwertlinie TAB_nATL gespeichert. Die Grenzwertlinie TAB_nATL liegt in Form von Wertepaaren vor, wobei ein Paar durch eine Abgastemperatur TAB und einer zu dieser Abgastemperatur zulässigen Höchstdrehzahl nATL_max_soll gebildet ist. Die Grenzwertlinie TAB_nATL könnte ebenso in Form einer Funktion vorliegen.

Die Abgastemperatur TAB_ist wird in dem in Fig. 4 dargestellten Block 4 mit den gespeicherten Abgastemperaturen TAB verglichen. Aus diesem Vergleich wird eine zu der Abgastemperatur TAB_ist gehörende zulässige Höchstdrehzahl nATL max soll ermittelt.

Das Verdichterdruckverhältnis πV_ist und der Luftmassenstrom mL_korr_ist werden einem Block 5 zugeführt. In diesem Block 5 ist ein Kennfeld Kl gespeichert, welches das in Fig. 2 abgebildete Kennfeld des Verdichters darstellt. Das Verdichterdruckverhältnis πV_ist und der Luftmassenstrom mL_korr_ist kennzeichnen eine einzige, bestimmte, aus dem Kennfeld Kl ermittelbare Abgasturboladerdrehzahl aktuelle nATL_korr_ist, die im in Fig. 4 dargestellten Block 5 mit Hilfe des Verdichterdruckverhältnisses πV_ist und des Luftmassenstrom.es mL_korr_ist ermittelt wird. Die aktuelle, nicht korrigierte Drehzahl des Abgasturboladers 2 nATL_ist wird durch eine Multiplikation der Abgasturboladerdrehzahl nATL__korr_ist mit dem Reziprokwert des Korrekturfaktors KORR_2 bestimmt.

Die Ausgangsgrößen nATL_max_soll und nATL_ist aus Block 4 und Block 5 werden in einem Block 6 subtrahiert und die Differenzdrehzahl ΔnATL einem Block 7 zugeführt: ΔnATL = nATL_max_soll - nATL_ist.

Dem Block 7 wird als zweite Eingangsgröße ein Betriebspunkt BP_ist des Verdichters zugeführt, der aus dem korrigierten Luftmassenstrom mL_korr_ist und dem Verdichterdruckverhältnis πV ist folgendermaßen bestimmt wird:

mL korr ist

BP ist = = =

^~ πV ist

Wenn die zulässige Höchstdrehzahl nATL_max_soll kleiner ist als die aktuelle Abgasturboladerdrehzahl nATL_ist, muss zur Vermeidung einer Zerstörung des Abgasturboladers 2 die Abgasturboladerdrehzahl reduziert werden. Damit zur Verbesserung der Regelgüte eine angemessene

Drehzahlreduzierung des Abgasturboladers 2 durchgeführt werden kann, wird in Block 7 ein Korrekturfaktor FAK in

Abhängigkeit der Abgasturboladerdrehzahldifferenz ΔnATL und des aktuellen Betriebspunktes BP_ist des Verdichters aus einem Kennfeld K2 ermittelt. Das Kennfeld K2 stellt eine Abhängigkeit des Korrekturfaktors FAK von unterschiedlichen

Differenzdrehzahlen ΔnATL bei unterschiedlichen Betriebspunkten des Verdichters dar. Je nach aktuellem Betriebspunkt BP_ist und Differenzdrehzahl ΔnATL ergibt sich ein Korrekturfaktor FAK zwischen 0 und 1. Je größer die Differenzdrehzahl ΔnATL ist, desto kleiner ist der Korrekturfaktor FAK. Wird zum Beispiel der Korrekturfaktor FAK zu 0,95 ermittelt, so muss der virtuelle, vorgegebene Betriebspunkt BP_soll um 5% reduziert werden.

Der Korrekturfaktor FAK gibt eine prozentuale Änderung eines virtuellen, vorgegebenen Betriebspunktes BP_soll des Verdichters an. Dieser virtuelle, vorgegebene Betriebspunkt BP_soll beschreibt einen virtuellen Betriebspunkt des Verdichters, aus dem sich, der aktuelle, reale, Betriebspunkt BP_ist des Verdichters ergibt.

In einem Block 8 wird der virtuelle, vorgegebene Betriebspunkt BP_soll des Verdichters mit dem Korrekturfaktor FAK multipliziert. Die Ausgangsgröße aus Block 8 ist ein virtueller, vorzugebender Betriebspunkt BP_reg des Verdichters. In Abhängigkeit des ermittelten virtuellen, vorzugebenden Betriebspunktes BP_reg kann ein Wastegate einer Turbine des Abgasturboladers 2 zur schnellen

Drehzahlreduzierung durch Abblasen von Abgas vor der Turbine eingestellt werden. Ebenso könnte zur Drehzahlreduzierung eine Turbinenquerschnittsfläche einer variablen Turbinengeometrie oder eine Querschnittsfläche eines

Eintrittsdurchmessers der Turbine durch einen Axialschieber eingestellt werden.

Das Verfahren eignet sich sowohl für Mono-Turbomotoren, als auch für Bi-Turbomotoren. Bei Bi-Turbomotoren muss der von den Verdichtern geförderte Luftmassenstrom mL halbiert werden. Die weitere Vorgehensweise entspricht dem beschriebenen Verfahren.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Regelung des Abgasturboladers 2 mittels des aktuellen Betriebspunktes BP_ist des Verdichters, des vorzugebenden Betriebspunktes BP_reg des Verdichters und des vorgegebenen Betriebspunktes BP_soll des Verdichters durchgeführt.

Ebenso könnte auch ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 zur Regelung herangezogen werden. Das Kennfeld des Verdichters in Block 1 bleibt dabei erhalten. Das Kennfeld K2 in Block 7 würde Abhängigkeiten der Differenzdrehzahl ΔnATL von entsprechenden, zur Regelung herangezogenen Betriebskennwerten der Brennkraftmaschine 1 aufweisen. Der virtuelle, vorgegebene Betriebspunkt BP_soll und der virtuelle, vorzugebende Betriebspunkt BP_reg wären Betriebspunkte von Betriebskennwerte der Brennkraftmaschine 1.