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Title:
METHOD FOR CONTROLLING AN ELECTRICALLY DRIVEN COMPRESSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/060298
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for controlling an electric booster (12) in an internal combustion engine comprising an exhaust gas turbocharger (18, 32) in such a way that the electric booster (12) is connected using as little power as possible. The connection of said electric booster (12) depends on the power balance, said electric booster only being activated when the instantaneously available compressor power of the exhaust gas turbocharger (18, 32) is insufficient to provide the necessary power.

Inventors:
Ellmer, Dietmar (Böhmerwaldstr. 11 Regensburg, 93057, DE)
Stürtz, Michael (Höllbachstr. 3e Regensburg, 93059, DE)
Teiner, Markus (Rettenbacher Str. 4 Regensburg, 93057, DE)
Application Number:
PCT/DE2003/000018
Publication Date:
July 24, 2003
Filing Date:
January 07, 2003
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2 München, 80333, DE)
Ellmer, Dietmar (Böhmerwaldstr. 11 Regensburg, 93057, DE)
Stürtz, Michael (Höllbachstr. 3e Regensburg, 93059, DE)
Teiner, Markus (Rettenbacher Str. 4 Regensburg, 93057, DE)
International Classes:
F02B37/04; F02B37/12; F02B37/18; F02B39/10; F02D41/00; (IPC1-7): F02B39/10; F02B37/04; F02B37/12
Domestic Patent References:
WO2000047879A1
WO1997018388A1
Other References:
BARTSCH C: "ELEKTRISCHER ANTRIEB FUER ABGASTURBOLADER" ANTRIEBSTECHNIK, KRAUSSKOPF VERLAG FUR WIRTSCHAFT GMBH. MAINZ, DE, Bd. 38, Nr. 9, September 1999 (1999-09), Seiten 57-59, XP000860787 ISSN: 0722-8546
See also references of EP 1468173A1
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters (12) in einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader (18,32), mit den folgenden Verfahrens schritten : ein Turbinenmodell (38) bestimmt eine momentan verfügba re Turbinenleistung (POWTURMAX), ein Verdichtermodell (48) bestimmt die momentan gefor derte Verdichterleistung (50,52) und in dem Fall, in dem die geforderte Verdichterleistung größer als die verfügbare Turbinenleistung des Abgastur boladers ist, wird in einem inversen Verdichtermodell (64) ein durch den elektrisch angetriebenen Verdichter zu erzeugender Druck (PRSBOOSTSP) bestimmt, eine Ladedruckregelung (69) bestimmt unter Verwendung des durch den elektrisch angetriebenen Verdichter zu er zeugenden Drucks die erforderlichen Leistungen von Tur bine des Abgasturboladers und elektrisch angetriebenem Verdichter, eine Steuerung (86) für den elektrisch angetriebenen Verdichter steuert diesen entsprechend der angeforderten Leistung an.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedruckregelung (69) in dem Fall, in dem der elekt risch angetriebene Verdichter zugeschaltet ist, die Tur bine mit Maximalleistung ansteuert und den Ladedruck über die Einstellung der Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters steuert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedruckregelung jeweils ein PIDRegler (90, 100) für die Turbine des Abgasturboladers und für den e lektrisch angetriebenen Verdichter besitzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedruckregelung die Sollwerte für die Turbinenleis tung und für die Leistung des elektrisch angetriebenen Verdichters bestimmt, sowie ein Signal dafür, ob der e lektrisch angetriebene Verdichter zugeschaltet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Turbinenmodell die momentan verfüg bare Turbinenleistung (POWTURMAX) abhängig von dem Ab gasmassenstrom aus dem Motor (FLOWENG) der Turbinendreh zahl (NTCHA) und einer Abgastemperatur vor der Turbine (TEGTURUP) bestimmt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verdichtermodell (48) die Sollwerte für die momentan geforderte Leistung des elektrisch ange triebenen Verdichters (50) und der Turbine (52) bestimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtermodell die Sollwerte für den elektrisch an getriebenen Verdichter und Turbine abhängig von dem Luft massenstrom (MAF), dem Umgebungsdruck (AMP), der Ansaug lufttemperatur vor Verdichter (TIA CHA UP), der maximalen Verdichterleistung (POWCHAMAX) und dem momentanen Lade druck (PUT) bestimmt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Luftmassenstrom der Sollwert für den Luftmassenstrom verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Ladedruck der Sollwert für den momentanen Lade druck (PUTSP) verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das inverse Verdichtermodell für den e lektrisch angetriebenen Verdichter abhängig von dem DruckSollwert des elektrisch angetriebenen Verdichters (PRS BOOST SP), dem Umgebungsdruck (AMP), dem Luftmassen strom (MAF) und der Ansauglufttemperatur vor dem elekt risch angetriebenen Verdichter (TIABOOSTUP) den Soll wert für die Leistung des elektrisch angetriebenen Ver dichters (POWBOOSTUP) bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das inverse Verdichtermodell den elektrisch angetriebenen Verdichter als Luftmassenstrom den Sollwert für den Luft massenstrom verwendet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzlich ein inverses Turbinenmodell (80) vorgesehen ist, das den Sollwert für den Druckquo tienten über der Turbine (PQ EX SP) und für den Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbine (FLOW_TUR_SP) bestimmt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das inverse Turbinenmodell seine Ausgangsgrößen abhängig von dem Sollwert für die Turbinenleistung (POWTURSP), der Turbinendrehzahl (N_TCHA), der Abgastemperatur vor der Turbine (TEG TUR UP) und dem Sollwert für die Turbi nenleistung (POWTURSP) bestimmt sowie davon, ob der e lektrisch angetriebene Verdichter zugeschaltet ist oder nicht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß als elektrisch angetriebener Verdichter ein EBooster vorgesehen ist, der stromaufwärts oder stromabwärts von der Turbine des Abgasturboladers ange ordnet ist.
Description:
Beschreibung Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Ver- dichters Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters in einer Brennkraftma- schine mit einem Abgasturbolader (ATL).

Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen werden Abgas- turbolader eingesetzt, die die Ansaugluft verdichten, um den Luftdurchsatz des Motors zu erhöhen.

Ein Nachteil eines Abgasturboladers liegt darin, daß ein ge- wisser Abgasmassenstrom erforderlich ist, um die erforderli- che Turbinenleistungen abzugeben. Ein weiterer Nachteil des Turboladers liegt darin, daß das Laufzeug zunächst beschleu- nigt werden muß, bevor der erforderliche Arbeitspunkt er- reicht wird. Diese Nachteile des Abgasturboladers führen zu dem sogenannten"Turboloch", das sich bei positiven Last- sprüngen in einer Verzögerung äußert.

Um das Turboloch zu kompensieren, ist es bekannt, zusätzlich zu dem Abgasturbolader einen elektrisch angetriebenen Ver- dichter, sogenannter E-Booster, einzusetzen. Hierbei handelt es sich um eine Verdichterturbine, die durch einen Elektromo- tor angetrieben wird und zusätzlich die Luft verdichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrisch angetriebenen Verdichters be- reitzustellen, bei dem mit minimaler Leistung für dessen e- lektrischen Antrieb der Verdichter zugeschaltet wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterführungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt ein Turbinenmo- dell eine momentan verfügbare Turbinenleistung. Ein Verdich- termodell bestimmt die momentan geforderte Verdichterleis- tung. Wenn die geforderte Verdichterleistung größer als die verfügbare Turbinenleistung ist, wird in einem inversen Ver- dichtermodell ein durch den elektrischen Verdichter zu erzeu- gender Druck bestimmt. In einer Laderegelung wird unter Ver- wendung des durch den elektrisch angetriebenen Verdichters zu erzeugenden Drucks die erforderliche Leistung für den Ver- dichter bestimmt. Der elektrisch angetriebene Verdichter wird durch eine Steuerung entsprechend seiner geforderten Leistung angesteuert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein Zuschalten des elektrisch angetriebenen Verdichters nur dann, wenn die momentan verfügbare Turbinenleistung des Abgasturbo- laders nicht ausreicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aufgrund einer Leistungsbilanz des Abgasturboladers und des elektrisch angetriebenen Verdichters ein Zuschalten ge- steuert.

In einer besonders bevorzugten Weiterführung des Verfahrens ist eine Ladedruckregelung vorgesehen, die in dem Fall, daß der elektrisch angetriebene Verdichter zugeschaltet ist, die Turbine mit Maximalleistung ansteuert und den Ladedruck über die Einstellung der elektrischen Verdichterleistung steuert.

Mit dieser Ladedruckregelung wird sichergestellt, daß der e- lektrisch angetriebene Verdichter in seinem zugeschalteten Zustand stets mit minimaler Leistung zugeschaltet ist.

Gleichzeitig wird das Auftreten des"Turbolochs"verhindert.

Die Ladedruckregelung erfolgt bevorzugt jeweils über einen PID-Regler für die Turbine des Abgasturboladers und für den elektrisch angetriebenen Verdichter.

Bevorzugt bestimmt die Ladedruckregelung die Sollwerte für die Turbinenleistung und für die Leistung des elektrisch an- getriebenen Verdichters sowie ein Signal dafür, ob der elekt- risch angetriebene Verdichter zugeschaltet ist.

Das Turbinenmodell bestimmt bevorzugt die momentan verfügbare Turbinenleistung abhängig von dem Abgasmassenstrom aus dem Motor, einer Turbinendrehzahl und einer Abgastemperatur.

Das Verdichtermodell bestimmt bevorzugt die Sollwerte für die momentan geforderte Leistung der Turbine des Abgasturboladers und des elektrisch angetriebenen Verdichters. Diese Werte werden in dem Verdichtermodell vorzugsweise abhängig von dem Luftmassenstrom, dem Umgebungsdruck, der Ansauglufttemperatur vor dem Verdichter, der maximalen Verdichterleistung und dem momentanen Ladedruck bestimmt.

Als Wert für den Luftmassenstrom wird der Sollwert für den Luftmassenstrom angesetzt sowie für den Ladedruck der Soll- wert für den momentanen Ladedruck.

Das inverse Modell für den elektrisch angetriebenen Verdich- ter bestimmt abhängig von dem Druck-Sollwert des elektrisch angetriebenen Verdichters, dem Umgebungsdruck, dem Luftmas- senstrom und der Ansauglufttemperatur vor dem elektrisch an- getriebenen Verdichter den Leistungssollwert für den elekt- risch angetriebenen Verdichter. Bevorzugt verwendet das in- verse Modell für den elektrisch angetriebenen Verdichter als Luftmassenstrom den Sollwert für den Luftmassenstrom.

Zusätzlich kann ein inverses Turbinenmodell vorgesehen sein, das den Sollwert für den Druckquotienten über der Turbine des Abgasturboladers und den Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbine bestimmt. Das inverse Turbinenmodell be- stimmt den Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbi- ne und den Sollwert für den Druckquotienten über der Turbine abhängig von dem Sollwert für die Turbinenleistung, der Tur- binendrehzahl, der Abgastemperatur vor der Turbine, dem Soll- wert für die Turbinenleistung und abhängig davon, ob der e- lektrisch angetriebene Verdichter zugeschaltet wurde oder nicht.

Bevorzugt ist als elektrisch angetriebener Verdichter ein E- Booster vorgesehen, der stromaufwärts von der Turbine des Ab- gasturboladers angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei jeder Art von Regis- terladung eingesetzt werden, bei der eine Verdichtung durch Zuschalten eines elektrischen Verbrauchers erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigt : Fig. 1 eine schematische Übersicht einer Registeraufladung mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter, Fig. 2 eine schematische Ansicht der Ladedruckregelung, Fig. 3 eine schematische Systemübersicht und Fig. 4 eine schematische Ansicht der Koordination der La- dedruckregelung.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Übersichtsbild einer Register- aufladung mit E-Booster als elektrisch angetriebener Verdich- ter. Der dargestellte Strömungsweg beginnt mit einem Luftfil- ter 10. Stromabwärts von dem Luftfilter 10 ist ein E-Booster 12 vorgesehen. Parallel zu dem E-Booster 12 liegt ein Bypass- Kanal 14, in dem eine ansteuerbare Klappe 16 angeordnet ist.

Damit der elektrisch angetriebene Verdichter 12 schnell an- spricht und verzögerungsfrei den erforderlichen Druck zur Verfügung stellt, ist dieser klein ausgelegt. Um bei einem kleinen Verdichter einen ausreichenden Luftmassenstrom zu er- zielen, ist der Bypass-Kanal 14 vorgesehen.

Stromabwärts von dem E-Booster 12 ist ein Verdichter 18 eines Abgasturboladers vorgesehen. Parallel zum Verdichter 18 ist ein Umluftkanal 20 mit einer ansteuerbaren Klappe 22 angeord-

net. Der Umluftkanal 20 wird zum Schutz des Abgasturboladers zeitweise geöffnet, um bei einem entsprechenden Druckquotien- ten über dem Verdichter 18 des Abgasturboladers Luft im Kreis zu pumpen.

Stromabwärts vom Verdichter 18 des Abgasturboladers ist ein Ladeluftkühler 24 vorgesehen. An den Ladeluftkühler 24 schließen sich eine Drosselklappe 26, eine Ansaugleitung 28 und Zylinder 30 der Brennkraftmaschine an.

Weiter stromabwärts ist eine Turbine 32 des Abgasturboladers schematisch dargestellt. Parallel zu der Turbine 32 des Ab- gasturboladers ist ein sogenanntes Wastegate 34 eingezeich- net, das den Luftstrom durch die Turbine 32 steuert. Stromab- wärts erfolgt eine Konvertierung in einem schematisch darge- stellten Katalysator 36.

Fig. 3 zeigt eine schematische Übersicht, in der das erfin- dungsgemäße Verfahren durch einzelne Modellblöcke angezeigt wird. An dem Turbinenmodell 38 liegen als Eingangsgrößen der Abgasmassenstrom aus dem Motor 40 (FLOW ENG), die Turbolader- drehzahl 42 (N TCHA) und die Abgastemperatur vor der Turbine 44 (TEG TUR UP) an. Das Turbinenmodell 38 berechnet aus die- sen Größen die maximale Turbinenleistung 46 (POWTURMAX), das ist die Bruttoleistung der Turbine unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades.

Ein Verdichtermodell 48 berechnet den Sollwert 50 für den Druck am E-Booster (PRS BOOST SP). Ebenfalls berechnet das Verdichtermodell 48 den Sollwert 52 für die Verdichterleis- tung (POWCHASP).

Eingangsgrößen für das Verdichtermodell 48 sind der Sollwert für den Luftmassenstrom 54 (MAF KGH SP), der Umgebungsdruck 56 (AMP), die Ansauglufttemperatur 58 vor Verdichter des Ab- gasturboladers (TIA CHA UP) und der Sollwert 60 für den Lade- druck (PUTSP). Die maximale Turbinenleistung 46 liegt eben-

falls als maximale Leistung (POWCHAMAX) des Verdichters des Abgasturboladers 62 an dem Verdichtermodell 48 als Eingangs- größe an.

Das inverse Modell für den E-Booster 64 bestimmt den Sollwert für die Boosterleistung 66. Als Eingangsgröße an dem inversen Modell für den E-Booster liegen der Umgebungsdruck 56 (AMP), der Sollwert für den Luftmassenstrom 54 (MAF KGH SP), die An- sauglufttemperatur 68 vor dem E-Booster (TIABOOSTUP) und der Sollwert für den Booster-Druck (PRSBOOSTSP) 50 an.

Eine Ladedruckregelung ist schematisch in Fig. 3 als Block 69 dargestellt. Die Ladedruckregelung bestimmt als Ausgangsgröße den Sollwert für die Boosterleistung 70 (POWBOOSTELSP) ein Flag 72 für den Zustand der Ladedruckregelung (LV PUT CTL TCHA) und einen Sollwert 74 für die Turbinenleis- tung (POWTURSP). Die Ladedruckregelung 69 besitzt als Ein- gangsgröße den Sollwert der Boosterleistung 66 aus dem inver- sen Modell, den Sollwert für die Verdichterleistung 52 des Abgasturboladers aus dem Verdichtermodell 48, den Sollwert für den Ladedruck 60, den Ladedruck 76 (PUT) und den Druck- quotienten am E-Booster 78 (PQBOOST). Der Druckquotient 78 ist der Quotient aus dem Druck nach dividiert durch den Druck vor dem Booster.

Die Ausgangsgrößen der Ladedruckregelung liegen an dem inver- sen Modell für die Turbine 80 an. An dem inversen Turbinenmo- dell liegt als Eingangsgröße das Flag für den Zustand der La- dedruckregelung 72 (LV_PUT CTL TCHA) und der Sollwert für die Turbinenleistung 74 an. Ferner liegen an dem inversen Turbi- nenmodell 80 die Turboladerdrehzahl 42 und die Abgastempera- tur vor der Turbine 44 an. Als Ausgangsgrößen des inversen Turbinenmodells werden der Sollwert für den Abgasmassenstrom durch die Turbine 82 und der Sollwert für den Druckquotienten über der Turbine 84 (PQEXSP) berechnet.

Die Steuerung des E-Boosters erfolgt durch die Boostersteue- rung 86, an der ebenfalls das Flag für Zustand der Ladedruck- regelung 72 und zusätzlich der Sollwert für die Boosterleis- tung 70 anliegen.

Fig. 2 zeigt die Ladedruckregelung 69 im Detail. Ausgehend von dem Sollwert für den Ladedruck 60 und dem Istwert für den Ladedruck 76 wird die Differenz gebildet als Sollwert minus Istwert. Die Abweichung des Ladedrucks vom Sollwert für den Ladedruck 88 (PUT-DIE) wird gemeinsam mit dem Flag für den Zustand der Ladedruckregelung 72 (LV PUT CTL TCHA) zu einem Faktor für die Turbinenleistung 90 (FACPOWTURPUTCTL) ver- arbeitet. Der Faktor wird mit dem Sollwert für die Turbinen- leistung 52 multipliziert. Das Produkt wird als Basiswert für Sollwert der Turbinenleistung 92 weitergeleitet.

An einer Koordination der Ladedruckregelung 94 liegt der Ba- siswert für den Sollwert der Turbinenleistung 92 an. Ferner erfolgt die Koordination der Ladedruckregelung 94 abhängig von dem Druckquotienten am Booster 78 und der maximalen Tur- binenleistung 46. Die Ausgangsgröße der Koordination der La- dedruckregelung 94 ist das Flag für den Zustand der Lade- druckregelung 72, das den Wert 1 annimmt wenn der Booster ab- geschaltet ist und den Wert 0 annimmt wenn die Maximalleis- tung der Turbine angefordert wird.

Die Regelung der Leistung des Boosters erfolgt analog zu der Bestimmung des Basiswerts für den Sollwert der Turbinenleis- tung. Abhängig von dem Zustand der Ladedruckregelung und der Regelabweichung des Ladedrucks 88 wird ein Faktor für die Turbinenleistung 100 (FACPOWTURPUTCTL) bestimmt und mit dem Sollwert für die Boosterleistung 102 multipliziert. Das Produkt wird als Sollwert für die Boosterleistung 104 (POWBOOSTELSP) weitergeleitet.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführung für die Koordination der Ladedruckregelung. Im untersten Zweig wird der Basiswert

für den Sollwert der Turbinenleistung mit der maximalen Leis- tung der Turbine 46 verglichen. An der Komperator 106 erzeugt eine 1, wenn der Basiswert für den Sollwert der Turbinenleis- tung größer gleich der maximalen Turbinenleistung ist. Das Ausgangssignal des Komperators 106 liegt an einem S-R Flip- Flop 108 an dem Reset-Eingang an. An dem S-Eingang des Flip- Flops 108 liegt die Undverknüpfung aus zwei Vergleichen an.

Zunächst wird verglichen, ob der Druckquotient am Booster 78 kleiner gleich 1 ist. Wenn dies der Fall ist erfolgt kein Druckaufbau durch den Booster. Als zweite Größe wird vergli- chen, ob die Regelabweichung des Ladedrucks 88 kleiner gleich 0 ist. Die Regelabweichung wird, wie oben bereits erwähnt, als Differenz aus Sollwert minus Istwert gebildet, so daß ei- ne negative Regelabweichung anzeigt, daß der Istwert größer als der Sollwert ist. Das Statusbit 72 (LVPUTCTLTCHA) wird an dem Ausgang des S-R Flip-Flops 108 erzeugt.