Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks eines Verbrennungsmotors. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuergerät, auf dem ein solches Verfahren ausführbar ist.

Bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader, wie diese oftmals in Kraftfahrzeugen eingesetzt sind, wird eine Ladedruckregelung benötigt. Da der Abgasturbolader den Ladedruck in Abhängigkeit von dem Abgasmassenstrom erzeugt, steigt der Ladedruck mit steigendem Abgasmassenstrom an. Um zu verhindern, dass der Ladedruck eine zulässige Grenze überschreitet, wird dieser durch die Ladedruckregelung begrenzt.

Die Ladedruckregelung wird zumeist derart ausgeführt, dass ein Bypassventil des Turboladers geöffnet wird. So wird ein Teil des Abgasmassenstroms an dem Abgasturbolader vorbeigeleitet, so dass der Volumenstrom zum Antrieb des Abgasturboladers sinkt. Dieses Verfahren ist beispielsweise aus der DE 103 10 221 A1 bekannt. Ein weiterer Ansatz ist aus der US 4,873,961 A bekannt. Dieses Dokument offenbart, dass durch Ladedruck entstehende Zylinderdruckbelastungen derart reduziert werden können, indem das zu verbrennende Gemisch des Verbrennungsmotors abgemagert wird. Allerdings konnte der Stand der Technik bisher kein Verfahren zur Ladedruckregelung bereitstellen, dass einen Verbrennungsmotor effizient betreibt.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, dass bei einfacher Ausführbarkeit einen sicheren und verbrauchsarmen Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Regelung eines Ladedrucks eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Der Verbrennungsmotor verbrennt ein Gemisch aus Luft und Brennstoff und umfasst einen Abgasturbolader, der dem Verbrennungsmotor die Luft zuführt. Durch den Abgasturbolader ist die Luft des Gemischs vorteilhaft komprimierbar, so dass die Luft dem Motor unter einem durch den Abgasturbolader erzeugbaren Ladedruck zuführbar ist. Dazu umfasst der Abgasturbolader eine Turbine, die durch einen Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Weiterhin umfasst der Abgasturbolader bevorzugt einen Verdichter, mit dem der Ladedruck erzeugbar ist. Erfindungsgemäß sind zumindest zwei Drehzahlbereiche vorhanden, in denen die erfindungsgemäße Regelung des Ladedrucks unterschiedlich erfolgt. So ist ein erster Bereich vorhanden, in dem die Drehzahl des Verbrennungsmotors eine erste Drehzahl überschreitet aber unterhalb einer zweiten Drehzahl verbleibt. In dem ersten Bereich wird der Ladedruck bevorzugt nicht begrenzt, wobei dennoch bevorzugt eine Belastung des Motors verringert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Anteil an Luft in dem Gemisch vergrößert wird. Ebenso ist ein zweiter Bereich vorhanden, in dem die Drehzahl des Verbrennungsmotors die zweite Drehzahl überschreitet. In diesem Bereich findet erfindungsgemäß eine Ladedruckbegrenzung statt, wobei dies bevorzugt zusätzlich zu der Regelung aus dem ersten Bereich geschieht. Erfindungsgemäß wird dazu ein Bypass der Turbine des Abgasturboladers geöffnet. Der zweite Bereich ist bevorzugt durch eine dritte Drehzahl begrenzt. Somit ist ein dritter Bereich vorhanden, in dem die Drehzahl des Verbrennungsmotors die dritte Drehzahl überschreitet. In diesem Bereich findet bevorzugt eine Regelung des Ladedrucks derart statt, dass ausschließlich der Bypass geöffnet wird. Somit findet insbesondere die zusätzliche Regelung aus dem ersten Bereich, d.h. ein Erhöhen des Anteils der Luft des Gemischs, im Gegensatz zu dem zweiten Bereich, im dritten Bereich nicht statt.

Besonders bevorzugt wird im dritten Bereich der Anteil der Luft in dem Gemisch verringert. Auf diese Weise ist das Gemisch für die Drehzahl innerhalb des dritten Bereichs optimierbar, so dass das der Verbrennungsmotor sehr effizient betreibbar ist.

Ebenso ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Ladedruck in dem dritten Bereich gesenkt wird. Da in dem dritten Bereich Drehzahlen vorliegen, durch die Belastungsgrenzen des Verbrennungsmotors überschritten werden können, wird der Ladedruck in diesem Bereich bevorzugt gesenkt, um den Verbrennungsmotor nicht zu überlasten. Somit stellt die erfindungsgemäße Regelung gemäß dieser Ausführungsform einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Verbrennungsmotors sicher.

Schließlich ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass im dritten Bereich ein Druck in einer den Abgasmassenstrom führenden Abgasleitung zwischen Verbrennungsmotor und Turbine einen vorbestimmten maximalen Wert nicht überschreitet. Da in dem dritten Bereich hohe Drehzahlen des Verbrennungsmotors vorherrschen, ist auch ein hoher Abgasmassenstrom vorhanden. Da ein zu hoher Abgasmassenstrom den Abgasturbolader aufgrund zu hoher Turboladerdrehzahl beschädigen kann, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Druck in der Abgasleitung durch das erfindungsgemäße Verfahren in einer vorteilhaften Ausführungsform begrenzt wird. So ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Abgasturboladers möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Regelung derart ausgeführt, dass im zweiten Bereich ein vorbestimmter maximaler Anteil an Luft im Gemisch nicht überschritten wird. Somit ist insbesondere ein zuverlässiger Betrieb des Verbrennungsmotors gewährleistet. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass im zweiten Bereich eine vorbestimmte maximale Drehzahl der Turbine nicht überschritten wird. Auf diese Weise wird eine Überlastung der Turbine vorteilhafterweise verhindert. Bevorzugt wird die Regelung derart durchgeführt, dass im ersten Bereich ein Erhöhen des Ladedrucks bis auf einen vorbestimmten maximalen Wert stattfindet. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Regelung im zweiten Bereich ein Halten des Ladedrucks auf dem maximalen Wert umfasst. Somit wird die Leistung des Verbrennungsmotors in dem ersten Bereich und/oder in dem zweiten Bereich nicht beschränkt, wobei dennoch sichergestellt ist, dass der Verbrennungsmotor innerhalb der Belastungsgrenzen betrieben wird.

Vorteilhafterweise wird die Regelung des Ladedrucks ausschließlich dann ausgeführt, wenn bei einer gegenwärtigen Drehzahl ein maximaler Ladedruck erreichbar ist. Der Ladedruck wird daher nicht unnötig begrenzt, so dass die Leistung des Verbrennungsmotors durch die erfindungsgemäße Regelung nicht unnötig vermindert wird.

Die Feststellung, dass ein maximaler Ladedruck erreichbar ist, wird besonders bevorzugt anhand eines Kennfelds oder anhand einer Kennlinie ausgeführt. Das Kennfeld oder die Kennlinie ist insbesondere für den Verbrennungsmotor individuell bestimmt.

Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ausgeführt. Hier wird bevorzugt die Regelung des Ladedrucks ausschließlich bei einer maximal möglichen Gaspedalöffnung ausgeführt. Bei maximaler Gaspedalöffnung wird dem Verbrennungsmotor eine größtmögliche Leistung abverlangt. Daher wird durch die erfindungsgemäße Regelung vorteilhafterweise sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor einerseits nicht überlastet wird, andererseits größtmöglich energieeffizient betrieben wird.

Der Verbrennungsmotor ist bevorzugt ein Ottomotor. Für derartige Motoren stellt der Stand der Technik nur wenig effiziente Abgasturbolader zur Auswahl. Hierbei ist insbesondere problematisch, dass der Stand der Technik einen kleinen Abgasturbolader fordert, der bereits bei einem geringen Abgasmassenstrom einen hohen Ladedruck erzeugt. Auf diese Weise soll das Auftreten eines„Turbolochs", d. h. ein Ansprechen des Abgasturboladers erst bei höheren Drehzahlen, vermieden werden. Jedoch wird durch derartige kleine Abgasturbolader bei hohen Motordrehzahlen und damit bei einem hohen Abgasmassenstrom eine Begrenzung der Drehzahl des Abgasturboladers durchgeführt, sodass eine ineffiziente Begrenzung des Ladedrucks entsteht. Somit stellt das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft eine Lösung für Ottomotoren dar, die somit effizient und zuverlässig betreibbar sind.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das insbesondere in einem Fahrzeug einsetzbar ist. Das Steuergerät ist bevorzugt derart eingerichtet, dass dieses das zuvor beschriebene Verfahren ausführt.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist

Figur 1 eine schematische Abbildung eines Verbrennungsmotors mit

Abgasturbolader wobei der Ladedruck des Verbrennungsmotors mit dem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung regelbar ist, und

Figur 2 eine schematische Ansicht eines Ladedruckverlaufs, wenn das

Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel angewandt wird.

Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Abgasturbolader 2. Der Abgasturbolader 2 umfasst eine Turbine 3, die von einem Abgasmassenstrom 4 angetrieben wird und einen Verdichter 8, der von der Turbine angetneben wird. Der Abgasmassenstrom 4 wird durch den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 erzeugt. Über einen Bypass 5 kann der Abgasmassenstrom 4 die Turbine 3 umgehen und direkt an eine Abgasanlage 6 geleitet werden. Somit ist eine Drehzahl der Turbine 3 und damit die Drehzahl des Abgasturboladers 2 über den Bypass 5 regelbar.

Weiterhin umfasst der Verbrennungsmotor 1 eine Luftzuführung 7. Der Luftzuführung 7 wird Luft von dem Verdichter 8 des Abgasturboladers 2 unter einem Ladedruck zugeführt. Der Verdichter 8 saugt Luft über eine Ansauganlage 10 an. Vorteilhafterweise wird die vom Verdichter 8 verdichtete Luft vor der Übergabe an die Luftzuführung 7 durch einen Ladeluftkühler 9 gekühlt.

Somit zeigt Figur 1 einen Verbrennungsmotor 1 , der einen durch Abgase betriebenen Abgasturbolader 2 zur Leistungssteigerung verwendet. Der Verbrennungsmotor 1 ist vorteilhafterweise ein Antriebsmotor eines Fahrzeugs und ist bevorzugt über ein Gaspedal ansteuerbar. Der Abgasturbolader 2 ist bevorzugt derart ausgelegt, dass dieser bei geringen Drehzahlen des Verbrennungsmotors 1 bereits einen hohen Ladedruck erzeugt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der mit steigender Drehzahl ebenfalls ansteigende Ladedruck bei hohen Drehzahlen vorhandene Belastungsgrenzen des Verbrennungsmotors 1 überschreitet. Daher ist ein Steuergerät 1 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorhanden, das ein Verfahren zur Regelung des Ladedrucks gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausführt. Dazu ist das Steuergerät 1 1 mit dem Bypass 5, dem Verbrennungsmotor 1 und der Luftzuführung 7 zum einseitigen oder zweiseitigen Übertragen von Signalen verbunden.

Figur 2 zeigt einen schematischen Verlauf eines Ladedrucks des Verbrennungsmotors 1 , wenn das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel angewandt wird. In dem Figur 2 zugrunde liegenden Koordinatensystem bezeichnet die Abszisse eine Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 und die Ordinate den Ladedruck. Das Verfahren wird nur dann ausgeführt, wenn eine maximale Öffnung des Gaspedals erreicht ist. Bei niedriger und mittlerer Gaspedalöffnung kann der Verbrennungsmotor 1 und der Bypass 5 insbesondere mit Verfahren aus dem Stand der Technik angesteuert werden.

Bei der maximalen Öffnung des Gaspedals wird anhand der Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 und eines aktuellen Ladedrucks 12 überprüft, ob ein in einem Kennfeld oder einer Kennlinie vordefinierte maximaler Wert 9 des Ladedrucks 12 erreichbar ist.

Bei der Ermittlung des Ladedrucks 12 wird bevorzugt der Umgebungsdruck berücksichtigt, welcher bei einer üblichen Motorsteuerung eines Antriebsmotors eines Fahrzeugs gemessen wird. Befindet sich der Ladedruck in einem maximalen Bereich, so erfolgt, abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors, nachfolgend aufgeführte Regelung. Dabei wird erfindungsgemäß eine Zusammensetzung eines Gemischs aus Brennstoff und Luft verändert, das dem Verbrennungsmotor 1 zur Verbrennung zugeführt wird. Das Verhältnis Luft zu Brennstoff wird dabei durch die Kennziffer Lambda beschrieben.

Ausgehend von einer Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors 1 erfolgt zunächst ein Betrieb des Verbrennungsmotors 1 , insbesondere mit Lambda 1 ,4, mit einem maximalen Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 sowie vollständig geschlossenem Bypass 5. So wird von der Turbine 3 des Abgasturboladers 2 ein für die gegenwärtige Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 größtmöglicher Ladedruck 12 erzeugt.

Ab einer ersten Drehzahl 13 muss die Motorbelastung begrenzt werden, um Schaden am Verbrennungsmotor 1 zu vermeiden. Insbesondere kann die Drehzahl in einem ersten Bereich, der mit der ersten Drehzahl 13 beginnt und von einer zweiten Drehzahl 14 begrenzt ist, ein maximaler Wert des Zylinderdrucks erreicht werden. Bei Verfahren aus dem Stand der Technik wird hierbei bereits der Ladedruck 12 selbst begrenzt, so dass sich ein alternativer Ladedruckverlauf 20 ergeben würde. Die erfindungsgemäße Regelung gemäß dem Ausführungsbeispiel sieht stattdessen vor, dass in dem ersten Bereich 16 eine Abmagerung des Gemischs, d.h. eine Erhöhung des Anteils der Luft im Gemisch, stattfindet, so dass Lambda erhöht wird. Daher ist, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, eine weitere Erhöhung des Ladedrucks 12 möglich, ohne dass die Belastungsgrenzen des Verbrennungsmotors 1 erreicht oder überschritten werden.

Durch die Abmagerung verringert sich die Brenngeschwindigkeit des Gemischs innerhalb des Verbrennungsmotors 1 . Somit verringert sich die Intensität der Verbrennung, wodurch der Druck innerhalb der Zylinder des Verbrennungsmotors 1 sinkt oder zumindest nicht weiter ansteigt.

Ab der zweiten Drehzahl 14 muss der Ladedruck begrenzt werden, um den Verbrennungsmotor 1 nicht zu überlasten. Mit der zweiten Drehzahl 14 beginnt ein zweiter Bereich 17, der durch eine dritte Drehzahl 15 begrenzt ist. In dem zweiten Bereich 17 ist es nicht mehr möglich, die Belastungsgrenzen des Verbrennungsmotors 1 durch weiteres Abmagern des Gemischs einzuhalten. So kann beispielsweise ein maximales Lambda erreicht sein, so dass bei weiterer Abmagerung eine Zündfähigkeit des Verbrennungsmotors 1 nicht mehr gegeben ist. Insbesondere darf Lambda den Wert 1 ,65 nicht überschreiten. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise ein weiteres Abmagern einen Anstieg des Zylinderdrucks nicht mehr verhindern. Außerdem besteht in dem zweiten Bereich die Gefahr, dass die Turbine 3 des Abgasturboladers 2 durch zu hohe Drehzahlen, die durch den hohen Abgasmassenstrom 4 des Verbrennungsmotors 1 bei hohen Drehzahlen verursacht wird, beschädigt wird.

Daher wird in dem zweiten Bereich 17 zunächst dieselbe Regelung ausgeführt, wie im ersten Bereich 16. Das bedeutet, dass das Gemisch abgemagert wird, sofern dies weiterhin möglich ist. Zusätzlich wird im zweiten Bereich 17 der Bypass 5 geöffnet, wobei die Öffnung des Bypasses 5 nur so gering ist, wie zur Begrenzung des Ladedrucks 12 nötig ist. Der Ladedruck 12 bleibt dabei in dem zweiten Bereich bevorzugt konstant. Insbesondere wird der Ladedruck 12 an dem maximalen Wert 9 gehalten. In einem dritten Bereich 18, der mit der dritten Drehzahl 15 beginnt, muss der Ladedruck 12 schließlich gesenkt werden, um den Verbrennungsmotor 1 nicht zu überlasten. Dazu wird der Bypass 5 geöffnet, wobei die Öffnung größer ist als im zweiten Bereich 17. Auf diese Weise wird der Zylinderdruck sowie der Druck in der Abgasleitung zwischen Verbrennungsmotor 1 und Turbine 3 des Abgasturboladers 2 begrenzt. Außerdem wird bevorzugt das Gemisch angefettet, d.h. der Anteil an Luft wird reduziert, so dass Lambda sinkt. Auf diese Weise wird der Verbrennungsmotor 1 möglichst energieeffizient betrieben.

Bevorzugt werden während einer Entwicklung des Verbrennungsmotors 1 ein maximaler Wert für Lambda, d.h. eine Zündgrenze des Verbrennungsmotors 1 , ein maximaler Wert für den Druck in der Abgasleitung zwischen Verbrennungsmotor 1 und Turbine 3, ein maximaler Wert für die Drehzahl der Turbine 3, ein maximaler Wert für den Zylinderdruck des Verbrennungsmotors 1 , sowie weitere Belastungsgrenzen des Verbrennungsmotors 1 festgelegt. Dabei werden die Kennfelder oder Kennlinien für die Ansteuerung des Bypasses 5 sowie für die zuvor beschriebene Bestimmung des maximalen Werts 19 des Ladedrucks 12 ermittelt. Diese sind dann in dem Steuergerät 1 1 hinterlegbar. Verfahren zur Ansteuerung des Bypasses 5 sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht weiter erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von einer Größe des Verbrennungsmotors 1 anwendbar. Daher sind die genannten Lambda-Werte lediglich einem spezifischen Ausführungsbeispiel zuzuordnen, da die Lambdabereich von verschiedenen Motorparametern sowie Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 1 abhängen. Diese sind insbesondere das Verdichtungsverhältnis, der Ladedruck, der Hubraum, der Bohrungsdurchmesser sowie Strömungsverhältnisse im Brennraum oder der Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors 1 .

Bezugszeichenliste

1 Verbrennungsmotor

2 Abgasturbolader

3 Turbine

4 Abgasmassenstrom

5 Bypass

6 Abgasanlage

7 Luftzuführung

8 Verdichter

9 Ladeluftkühler

10 Abgasanlage

11 Steuergerät

12 Ladedruck(-verlauf)

13 erste Drehzahl

14 zweite Drehzahl

15 dritte Drehzahl

16 erster (Drehzahl-)Bereich

17 zweiter (Drehzahl-)Bereich

18 dritter (Drehzahl-)Bereich

19 maximaler Wert des Ladedrucks

20 alternativer Ladedruckverlauf