Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers, insbesondere zu dessen Drehzahlüberwachung. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Kraftfahrzeug.

Allgemein sind Aufladungssysteme für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere im

Kraftfahrzeugbereich, bekannt, um Zylinder der Verbrennungskraftmaschinen mit Luft mit Überdruck für die Verbrennung von Kraftstoff zu versorgen.

Zur Bereitstellung der Luft mit Überdruck sind bspw. Turbolader und Kompressoren bekannt. Turbolader haben einen Verdichter und sie können mit einem eigenen Antrieb für den

Verdichter ausgestattet sein, z.B. ein Elektromotor, oder sie werden z.B. mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine betrieben, wobei das Abgas eine Turbine antreibt, die über eine Welle mit dem Verdichter wirkverbunden/gekoppelt ist. Letztere werden auch als

Abgasturbolader (ATL) bezeichnet.

Ferner ist beispielsweise aus DE 10 2018 106 780 A1 bekannt, dass ein ATL zusätzlich einen elektrischen Antrieb aufweisen kann, um eine Drehgeschwindigkeit des ATLs zu erhöhen und zu reduzieren. Insbesondere kann dadurch eine Drehzahl reduziert werden, wenn ein geringerer Ladedruck benötigt wird oder ein Ladedrucküberschuss verhindert werden soll. In DE 10 2006 000 237 A1 wird ebenfalls ein Turbolader mit einem Motor beschrieben, wobei der Motor auf Grundlage einer Verzögerungscharakteristik einer Istauslassenergie, die auf eine Turbine des Turboladers aufgebracht wird, gesteuert wird, um ein Überschwingen des

Ladedrucks zu verhindern. Aus DE 10 2005 040 887 A1 ist bekannt, eine Drehzahl eines Turboladers über eine elektrische Maschine, die mit einem Motor gekoppelt ist, innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs zu halten.

Bei der Auslegung eines Turboladers müssen u.a. maximale Drehzahlen beachtet werden, die der Turbolader nicht überschreiten darf. Im Falle des Übertritts besteht die Gefahr von Defekten bis hin zum Totalausfall des Turboladers. Auf Grund von Bauteiltoleranzen und Alterungseffekten ist eine umdrehungsgenaue Regelung (Abregelung) des Turboladers über alle Lebenslagen/Betriebspunkten nicht darstellbar.

Sensoreinrichtungen, wie etwa ein Turboladerdrehzahlsensor, kommen aus wirtschaftlichen Gründen in erster Linie im Motorsport bzw. Sportwagenbereich zum Einsatz.

Die Robustheit gegen Turboladerschäden kann durch ein virtuelles Drehzahlband des

Turboladers erreicht werden, das als Reserve für oben genannte Effekte dient. Das heißt, der Turbolader wird nicht an seiner maximal möglichen Drehzahlobergrenze betrieben. Damit verliert der Turbolader nominell an Performance, weil die Drehzahlbeschränkung durch das virtuelle Drehzahlband einen Ladedruckaufbau entsprechend einschränkt.

So wird beispielsweise im dynamischen Betrieb ein Stellglied des Turboladers (z.B. ein

Stellglied für eine variable Turbinengeometrie (VTG) der Turbine des Turboladers und/oder ein Wastegate) kurzzeitig öffnen, um trägheitsbedingte Überdrehzahlen zu kompensieren.

Funktional und applikativ stellen solche Verfahren äußerst hohe Anforderungen an die

Genauigkeit, sodass hier hohe Aufwände entstehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , durch eine Steuervorrichtung nach Anspruch 13, durch eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14 und ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 15 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.

Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers (ATL) einer Verbrennungskraftmaschine bereit, wobei der ATL mit einer elektrischen Maschine wirkverbunden ist und eine Drehzahl des ATLs über die elektrische Maschine einstellbar ist. Das Verfahren umfasst:

Ermitteln eines stationären oder dynamischen Betriebszustands der

Verbrennungskraftmaschine; und

Reduzieren einer ATL-Istd rehzahl über die elektrische Maschine zur Einhaltung einer Drehzahlobergrenze des ATLs, wobei die elektrische Maschine in Abhängigkeit des Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine betrieben wird. Die Begriffe Kontrolle, Einstellen, Ansteuerung, Steuerung, Regelung umfassen im Zusammenhang mit dieser Erfindung sowohl Steuerungen im eigentlichen Sinne (ohne

Rückkopplung) als auch Regelungen (mit einem oder mehreren Regelkreisen).

Der ATL ist mit der elektrischen Maschine insoweit wirkverbunden, als sie auf eine Drehzahl des ATLs einwirken kann, wie beispielsweise bei elektrisch unterstützen Abgasturboladern. Die elektrische Maschine ist also mit dem ATL, insbesondere direkt, gekoppelt und kann als Motor oder Generator betrieben werden. Die elektrische Maschine kann im Motorbetrieb die ATL- Drehzahl durch ein von ihr erzeugtes Drehmoment aufbauen oder reduzieren und im

Generatorbetrieb beispielsweise als Rekuperationsbremse die ATL-Drehzahl reduzieren kann.

Die Verbrennungskraftmaschine ist zumindest in zwei Betriebszuständen betreibbar, einerseits in dem stationären Zustand, insbesondere ein Volllastbetriebszustand, und in einem

dynamischen Betriebszustand, um einen Fahrerwunsch, insbesondere einen

Beschleunigungswunsch, umzusetzen. Das Ermitteln/Erfassen des Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine erfolgt in der Regel anhand verschiedener Betriebsgrößen der Verbrennungskraftmaschine und anhand von Betriebsgrößen von mit ihr zusammenhängenden Komponenten, wie beispielsweise dem Abgasturbolader.

Die ATL-Drehzahlobergrenze entspricht einer maximal zulässigen ATL-Drehzahl, die der ATL aufgrund von Bauteileigenschaften auf Dauer nicht überschreiten darf, um Bauteilschäden wie z.B. Fließen von Komponenten des ATLs, insbesondere dessen Laufzeug, zu vermeiden.

Um diese ATL-Drehzahlobergrenze einzuhalten, wird die ATL-Istdrehzahl mittels der elektrischen Maschine, insbesondere durch ihren Motorbetrieb, reduziert. Maßgeblich für den Eingriff der elektrischen Maschine in die ATL-Drehzahl ist dabei der ermittelte Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine. Denn je nachdem, ob ein stationärer oder dynamischer Betriebszustand vorliegt, wird die elektrische Maschine entsprechend betrieben bzw. eingestellt. Anders ausgedrückt, je nach Betriebszustand wirkt eine andere (An-)Steuerung auf die elektrische Maschine. Ferner greift die elektrische Maschine nur ein, um eine ATL-Drehzahl abzubauen.

Es können also Drehzahlüberschwinger des ATLs verhindert werden, indem die elektrische Maschine entsprechend auf die ATL-Drehzahl wirkt. Diese Drehzahlüberschwinger resultieren beispielsweise aus einer Massenträgheit des ATL-Laufzeugs. Mit dem obigen Verfahren ist es möglichen, den ATL nahe seiner Drehzahlobergrenze zu betreiben, ohne eine Abriegelung in Form des oben beschrieben virtuellen Drehzahlbands als Drehzahlreserve zum Bauteilschutz zu versehen. Somit kann das volle Drehzahlband des ATLs ausgenutzt werden, wodurch eine (fast) vollständige Nutzung der nominellen Performance des ATLs ermöglich wird.

In weiteren Verfahrensvarianten kann die elektrische Maschine über eine erste Regelung gesteuert werden, wenn der stationäre Betriebszustand vorliegt, und über eine zweite

Regelung, wenn der dynamische vorliegt. Hier kann mit„Regelung“ auch eine (An-)Steuerung gemeint sein. Somit kann die elektrische Maschine angepasst an die jeweiligen

Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine entsprechend betrieben bzw. eingestellt werden. Damit kann die elektrische Maschine vergleichsweise differenzierter eingestellt werden.

Ferner kann die erste Regelung eine erste Regelkomponente und eine zweite

Regelkomponente zum Reduzieren der ATL-Istdrehzahl aufweisen. Die erste und zweite Regelkomponente können in Abhängigkeit der Ist-Ladedrehzahl und eines Hystereseverhaltens der ATL-Istdrehzahl greifen/wirken. Dadurch kann für den stationären Betriebszustand die elektrische Maschine zusätzlich vergleichsweise differenzierter betrieben werden.

Ferner kann die Drehzahlobergrenze des ATLs eine Führungsgröße der ersten und zweiten Regelkomponente sein.

In weiteren Verfahrensalternativen kann im dynamischen Betriebszustand der

Verbrennungskraftmaschine die elektrische Maschine in Abhängigkeit einer Massenträgheit des ATLs und/oder einer Trägheit eines Ladedruckaufbaus betreibbar sein. Die Trägheit des Ladedruckaufbaus ergibt sich beispielsweise aus Verzögerungen im Gaspfad der

Verbrennungskraftmaschine, also z.B. wegen einem Weg zwischen einem Verdichter

(des ATLs) und einem Zylindereinlass. Dadurch ist ein Eingriff der elektrischen Maschine vergleichsweise genauer einstellbar, um einen Drehzahlüberschwinger auszugleichen.

Insbesondere ist die elektrische Maschine hinsichtlich eines Eingriffszeitpunkt, einer

Eingriffsdauer und/oder einer Eingriffsstärke (also Reduzierung der ATL-Drehzahl durch die elektrische Maschine) einstellbar.

In Verfahrensvarianten können die Massenträgheit des ATLs und die Trägheit des

Ladedruckaufbaus mittels Kennfeldern berücksichtig werden. Diese Kennfelder (oder auch Kennlinien) können beispielsweise empirisch am Prüfstand oder durch mathematische Modelle ermittelt werden.

Ferner kann der dynamische Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine vorliegen bzw. bestimmt werden, wenn eine Ladedruck-Regelabweichung größer als eine vorherbestimmte Mindestdruckdifferenz und eine prädizierte Ladedruckregelabweichung größer als ein vorherbestimmter Grenzdruck ist. Die Ladedruck-Regelabweichung entspricht einer Differenz zwischen Soll- und Ist-Ladedruck, wobei der Soll-Ladedruck zur Umsetzung des Fahrerwunschs dient (also zum Erreichen eines Soll-Motormoments) und daher auch aus dem Fahrerwunsch ableitbar ist. Der Ist- Ladedruck wird in der Regel über in der Luftleitung der

Verbrennungskraftmaschine entsprechend angeordnete Druckerfassungsvorrichtung erfasst.

Zur Bestimmung des dynamischen Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine muss die Ladedruck-Regelabweichung die vorherbestimmte Mindestdruckdifferenz überschreiten. Dies ist insofern erforderlich, um sich von vergleichsweise geringen Ladedruck-Regelabweichungen abzugrenzen, die auch im stationären Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine während der Einregelung des Ladedrucks auftreten können. Eine weitere Bedingung für das Vorliegen des dynamischen Betriebszustands kann sein, dass eine prädizierte Ladedruck- Regelabweichung einen vorbestimmten Grenzdruck überschreitet, wobei das Überschreiten des Grenzdrucks ein Überschwingen des Ladedrucks (über den Soll-Ladedruck) darstellt. Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, liegt der dynamische Betriebszustand der

Verbrennungskraftmaschine vor.

Ferner kann der stationäre Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine vorliegen bzw. bestimmt werden, wenn die Ladedruck-Regelabweichung kleiner als die vorherbestimmte Mindestdruckdifferenz ist und/oder die prädizierte Ladedruckregelabweichung kleiner als der vorherbestimmte Grenzdruck ist.

In Verfahrensvarianten kann die prädizierte Ladedruckregelabweichung in Abhängigkeit des Ladedruckgradienten ermittelt werden. Der Ladedruckgradient ist hier die zeitliche Veränderung des Ist-Ladedrucks. Aus dem Ladedruckgradienten lässt sich die Kinetik des ATL-Laufzeugs, insbesondere unter Berücksichtigung der Massenträgheit, ableiten.

Ferner kann die ATL-Istd rehzahl über die elektrische Maschine erfassbar sein. Durch die Verfügbarkeit der elektrischen Maschine und der damit verbundenen Sensorik, insbesondere der Drehzahlerfassung, ist es möglich, die Wellendrehzahl des ATLs und deren Änderung präzise zu erfassen. Dadurch kann die elektrische Maschine zur Drehzahlregelung des ATLs vergleichsweise präziser eingestellt werden.

In einer Alternative kann der ATL eine Stellanordnung, insbesondere eine variable

Turbinengeometrie und/oder ein Wastegate, aufweisen. Hierbei erfolgt das Reduzieren der ATL-Istdrehzahl über die elektrische Maschine dann, während die Stellanordnung in einer offenen Grenzstellung eingestellt ist. Dabei ist mit offener Grenzstellung gemeint, dass die Stellanordnung derart eingestellt wird, dass bei einer variablen Turbinengeometrie der Strömungsquerschnitt für das Abgas maximal groß ist und beim Wastegate dessen Ventil maximal geöffnet ist, um so viel Abgas wie möglich um die Turbine herumzuleiten.

Nach einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Steuervorrichtung für einen ATL für eine Verbrennungskraftmaschine bereit, wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

Nach einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ATL und einer Steuervorrichtung nach dem zweiten Aspekt bereit.

Nach einem vierten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine nach dem dritten Aspekt bereit.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einer

Verbrennungskraftmaschine;

Fig. 2a, 2b Eingangs- und Ausgangsgrößen für eine stationäre und dynamische

Drehzahlregelung eines Abgasturboladers;

Fig. 3a-c schematisch die stationäre Drehzahlregelung, eine Drehzahlregelung mittels einer elektrischen Maschine und eine thermodynamische Regelung;

Fig. 4 schematisch die dynamische Drehzahlregelung; und

Fig. 5a, 5b schematische Verläufe für einen Ladedruck, für Drehzahlen des

Abgasturboladers und für ein Stellglied des Abgasturboladers. Die Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Motor 3 (Verbrennungskraftmaschine) und einem Aufladungssystem 9 in Form eines Abgasturboladers (ATL), das von einer Steuervorrichtung 21 gesteuert wird. Die Steuervorrichtung 21 ist als Motorsteuergerät ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Motortyp beschränkt. Es kann sich um eine Verbrennungskraftmaschine handeln, die beispielsweise als Ottomotor oder als

Dieselmotor ausgebildet sein kann.

Der Motor 3 umfasst einen oder mehrere Zylinder 4, von denen hier einer dargestellt ist. Die Zylinder 4 werden vom ATL 9 mit aufgeladener (Verbrennungs-)Luft versorgt. Der ATL 9 umfasst einen Verdichter 13, der über eine Welle 14 von einer Turbine (Abgasturbine) 15 mit variabler Turbinengeometrie (VTG) angetrieben bzw. betrieben wird. Die Turbine 15 ist also über die Welle 14 mit dem Verdichter 13 wirkverbunden/gekoppelt. Der Verdichter 13 ist in einer Luftleitung 5 zum Motor 3 angeordnet und die Turbine 15 in einer Abgasleitung 7, die Abgas aus den Zylinder 4 abführt. So ist der Verdichter 13 mit Abgas des Motors 3 betreibbar, indem die Turbine 15 mit dem Abgas aus dem Motor 3 versorgt und damit angetrieben wird. Ferner ist der ATL 9 mit der Steuervorrichtung 21 gekoppelt.

Die VTG ist über einen Verstellmechanismus 17 einstellbar. Alternativ/ergänzend zur VTG ist ein Wastegate 19 vorgesehen. Über den Verstellmechanismus 17 (und/oder über das

Wastegate 19) ist das der Turbine 15 zugeführte Abgas und entsprechend eine Leistung des Verdichters 13 einstellbar. Optional kann auch ein mehrstufig aufgeladenes Aggregat vorgesehen werden. Anders ausgedrückt, es können auch mehrere ATL 9 vorgesehen sein.

Ferner weist der ATL 9 eine elektrische Maschine 11 auf. Die elektrische Maschine 11 hat eine Funktion als Motor und als Generator und ist mit der Welle 14 des ATLs 9 gekoppelt/wirk verbunden. Unter anderem ist die elektrische Maschine 11 dazu ausgebildet, eine Drehzahl des ATLs 9 zu messen. Hierbei kann mit der Drehzahl des ATLs 9 eine Drehzahl der Welle 14, eine Drehzahl des Verdichters 13 und/oder eine Drehzahl der Turbine 15 gemeint sein. Ferner kann die elektrische Maschine 11 dazu ausgebildet sein, ein Drehmoment auf den ATL 9

aufzuprägen. Dadurch kann die Drehzahl des ATLs 9 über die elektrische Maschine 11 erhöht und/oder verringert werden. Die Steuervorrichtung 21 ist mit der elektrischen Maschine 11 gekoppelt. Dadurch ist die elektrische Maschine 11 einstell-/steuerbar und eine von der elektrischen Maschine 11 erfasste Drehzahl des ATLs 9 auslesbar. Anders ausgedrückt, ein von der elektrische Maschine 11 erfasstes Drehzahlsignal des ATLs 9 wird von der

Steuervorrichtung 21 verarbeitet. Insbesondere kann die elektrische Maschine 11 mit der Welle 14 integriert sein. Dies wird beispielsweise erreicht, indem ein (nicht gezeigter) Rotor der elektrischen Maschine 11 als Teil der Welle 14 ausgebildet ist, wobei ein (nicht gezeigter) Stator der elektrischen Maschine 11 in einer festen Position um den als Rotor ausgebildeten Teil der Welle 14 herum angeordnet ist.

Die Fig. 2a und 2b zeigen eine stationäre bzw. eine dynamische Drehzahlregelung 30, 50 für den ATL 9 des Motors 3. Die stationäre Drehzahlregelung 30 wirkt in einem stationären Betriebszustand des Motors 3 und die dynamische Drehzahlregelung 50 in einem dynamischen Betriebszustand des Motors 3.

Wie aus der Fig. 2a ersichtlich ist, stellen eine ATL- Istdrehzahl n _A -n_,ist, eine ATL- Maximaldrehzahl n _A -n_,max (also eine maximal zulässige Drehzahl des ATLs, insbesondere hinsichtlich Bauteilschäden), ein Reservedrehzahlband des ATLs n _ATL ,Res und ein von der Steuervorrichtung 21 berechneter Sollwert für ein Stellglied des ATLs 9 (Verstellmechanismus 17 und/oder Wastegate 19) U _A TL,S _O II,ECU Eingangsgrößen für die stationäre Drehzahlregelung 30 dar.

Dabei gehen einige Eingangsgrößen unmittelbar in die stationäre Drehzahlregelung 30 ein, wie beispielsweise die ATL-Istdrehzahl n _A -n_,ist oder werden zuvor verarbeitet/verrechnet, z.B. die maximal zulässige ATL-Drehzahl n _A -n_,max und das Reservedrehzahlband n _A -n_,Res. Aus der stationären Drehzahlregelung 30 können ein von der elektrischen Maschine 1 1 zu erzeugendes Soll-Moment M _EM, s _oii,stat und ein Sollwert für das Stellglied des ATLs 9 U _A TL,S _O II als

Ausgangsgrößen hervorgehen.

In Block 29 wird erfasst, ob die ATL-Istdrehzahl n _A -n_,ist größer als eine Differenz zwischen der ATL-Maximaldrehzahl n _A -n_,max und dem Reservedrehzahlband n _A -n_,Res ist. Diese Differenz wird im Summationspunkt 27 gebildet, indem das Reservedrehzahlband n _A -n_,Res von der ATL- Maximaldrehzahl n _ATL,max abgezogen wird. Diese Differenz entspricht dem eingangs erwähnten virtuellen Drehzahlband des ATLs 9, das einem von der Steuervorrichtung 21 (vorher-) bestimmten zulässigen Drehzahlbereich des ATLs 9 entspricht. Mittels des virtuellen

Drehzahlbands des ATLs 9 wird der ATL 9 also hinsichtlich seiner Drehzahl, insbesondere nach oben hin, abgeriegelt.

Sofern die ATL-Istdrehzahl n _A -n_,ist größer als diese Differenz ist, geht aus dem Block 29 ein Eingriffssignal Ltat.i hervor. Andernfalls geht aus dem Block 29 ein„Nicht-Eingriff“-Signal Ltat.o hervor. Diese beiden Signale Ltat,i und Ltat.o werden dazu verwendet, um zu bestimmen, ob eine (später beschriebene) Drehzahlregelung (EM-Regelung) 40 mittels der elektrischen Maschine 11 greift oder nicht.

Aus der Fig. 2b ist ersichtlich, dass ein von der Steuervorrichtung 21 berechneter Soll- Ladedruck p2 _, s _oii , ein Ist-Ladedruck p2 _,ist , ein Grenzdruck p2 _,iim und ein Ist-Druck vor dem

Verdichter pi _,ist als Eingangsgrößen der dynamischen Drehzahlregelung 60 dienen. Hierbei können der Ladedruck-Istwert p2 _,ist und der Ist-Druck vor dem Verdichter pi _,ist beispielsweise von entsprechend angeordneten (nicht gezeigten) Drucksensoren erfasst werden. Alternativ und/oder ergänzend können andere Größen, aus denen die Druckwerte pi _,ist und p2 _,ist ableitbar sind, von entsprechenden (nicht gezeigten) Sensoren erfasst werden, so dass die

Steuervorrichtung 21 die Druckwerte pi _,ist und p _2,ist ermitteln kann. Je nachdem, ob die dynamische Drehzahlregelung 60 greift oder nicht, geht entweder ein ermitteltes Soll-Moment MEM, s _{oii, dy} n bzw. ein Motornullmoment M ₀ (der elektrischen Maschine 11) als Ausgangsgröße aus der dynamischen Drehzahlregelung 60 hervor. Die dynamische Regelung 60 wird später im Detail beschrieben.

Die Fig. 3a zeigt die EM-Regelung 40 und eine thermodynamische Regelung 50 der stationären Drehzahlregelung 30. Die stationäre Drehzahlregelung 30 weist ferner einen Aktivierungsblock 31 auf, bei dem bestimmt wird, ob die EM-Regelung 40 greift. Der Aktivierungsblock 31 greift/wird aufgerufen, sofern in die stationäre Drehzahlregelung 30 das Eingriffssignal L _tat .i eingeht. Der Aktivierungsblock 31 umfasst einen Zweipunktregler 35, um ein

hysteresebehaftetes Schalten darzustellen. Der Zweipunktregler 35 weist als Eingangsgröße die ATL-Istdrehzahl n _AT U _st auf. Ein oberer Schaltpunkt des Zweipunktreglers 35 ist die ATL- Maximaldrehzahl n _ATL .m _ax und ein unterer Schaltpunkt eine Differenz zwischen der ATL- Maximaldrehzahl n _ATL .m _ax und einer vorherbestimmten Schaltdifferenz An _hys . Der untere

Schaltpunkt wird in dem Summationspunkt 33 ermittelt, indem man die vorherbestimmte Schaltdifferenz An _hys von der ATL-Maximaldrehzahl n _ATL .m _ax subtrahiert. Die Schaltdifferenz An _hys ist so gewählt, dass sie kleiner als das Reservedrehzahlband n _ATL, r _es ist. Der Zweipunktregler 35 gibt ein Signal l _hys,i aus, wenn die ATL-Istdrehzahl n _A TL,ist den oberen Schaltpunkt überschreitet und ein Signal l _hys, o, wenn die ATL-Istdrehzahl n _A TL,ist den unteren Schaltpunkt unterschreitet. Wird das Signal l _hys,i ausgegeben, so greift die EM-Regelung 40. Wrd hingegen das Signal l _hys, o ausgegeben, greift die thermodynamische Regelung 50.

In der Fig. 3b ist die EM-Regelung 40 im Detail gezeigt. In einem Summationspunkt 41 wird eine ATL-Drehzahl-Regelabweichung An _ATL bestimmt, indem die ATL-Istdrehzahl n _AT U _st von der ATL-Maximaldrehzahl n _ATL .m _ax abgezogen wird. Über einen Regler 43, der beispielsweise als PI- Regler ausgebildet ist, wird die ATL-Drehzahl-Regelabweichung DPATI. weggeregelt (also auf einen Wert von im Wesenlichen„null“ einregelt), indem der Regler 43 eine EM-Stellgröße UEM ausgibt, das ein von der elektrischen Maschine 11 erzeugtes Moment einstellt. Die EM- Stellgröße UEM wird an Block 45 weitergegeben, der einen von der EM-Stellgröße UEM abhängiges, von der elektrischen Maschine 11 zu erzeugendes Drehmoment MEM. _U angibt.

Wenn die ATL-Drehzahl-Regelabweichung Dh _A p _. positiv ist, wird die EM-Stellgröße UEM derart durch den Regler 43 bestimmt, dass eine MEM. _U positiv ist. Die elektrische Maschine 11 wird also so betrieben, dass die ATL-Drehzahl aufgebaut wird. Wenn die ATL-Drehzahl- Regelabweichung Dh _A ti _. negativ ist, ergibt sich entsprechend ein negatives MEM. _U , mit dem die ATL-Drehzahl abgebaut wird.

Allerding soll nur eine negative Regelabweichung weggeregelt, also die ATL-Drehzahl nicht aufgebaut, werden. Das wird durch Block 47 erreicht. Als Eingangsgröße für den Block 47 dienen das EM-Stellgrößenabhängige Moment M _E M, _U und ein Nullmoment M ₀ . Im Block 47 greift eine Logik, die lediglich den minimalen Eingangswert als Ausgangsgröße M _EM .s _oii.stat weitergibt. Damit wird sichergestellt, dass nur Werte von kleiner oder gleich null als Soll-Moment M _EM .s _oii.stat der elektrischen Maschine 11 als Ausgangsgröße aus dem Block 47 (und somit aus der EM- Regelung 40) hervorgehen. Anders ausgedrückt, mit Hilfe des Blocks 47 wird von der EM- Regelung 40 nur die ATL-Drehzahl ab- und nicht aufgebaut.

Die thermodynamische Regelung 50 ist in der Fig. 3c dargestellt. Wie oben erwähnt, greift die thermodynamische Regelung 50, wenn aus dem Zweipunktschalter 35 die Größe I hys.o ausgegeben wird. Ferner greift die thermodynamische Regelung 50, wenn zuvor aus dem Block 29 das„Nicht-Eingriff-Signal L _tat .o ausgegeben wurde.

In der thermodynamischen Regelung 50 wird ein ATL-Stellglied-Sollwert UATL.SOII anhand des von der Steuervorrichtung 21 ermittelten Stellglied-Sollwerts UATL.SOII, ECU und der ATL-Drehzahl- Regelabweichung Dh _A ti_ bestimmt. Der von der Steuervorrichtung 21 ermittelte Stellglied- Sollwert UATL.SOII, ECU kann beispielsweise aus einem Fahrerwunsch abgeleitet werden. Im

Speziellen wird der Fahrerwunsch durch ein entsprechendes Drehmoment vom Motor 3 umgesetzt, das wiederum einen Soll-Ladedruck p _2, s _oii erfordert. Der von der Steuervorrichtung 21 ermittelte Stellglied-Sollwert U _A TL,SON,ECU stellt den ATL 9 so ein, dass dieser Soll-Ladedruck P2 _, s _oii erreicht wird, aber unbeachtlich einer ATL-Drehzahl. Dieser Stellglied-Sollwert UATL.SOII, ECU fungiert also als ein Vorsteuerungswert für die thermodynamische Regelung 50. Im Summationspunkt 51 wird die ATL-Drehzahl-Regelabweichung Dh _A p _. (wie oben beschrieben) bestimmt. Ein Regler 55, beispielsweise ein PI-Regler, regelt diese ATL-Drehzahl- Regelabweichung An _ATL weg, indem er einen reglerbasierten ATL-Stellglied-Sollwert U _ATi-, s _oii,Reg bestimmt. In einem Summationspunkt 53 wird dieser reglerbasierte ATL-Stellglied-Sollwert UATL, S _O II, Reg mit dem von der Steuervorrichtung 21 ermittelten Stellglied-Sollwert UATL,S _O II,ECU verrechnet. Dadurch wird im Summationspunkt 53 der ATL-Stellglied-Sollwert UATL.S _O II bestimmt, der die Ausgangsgröße der thermodynamischen Regelung 50 darstellt. Hier wird die

Verrechnung der beiden Sollwerte als eine Subtraktion dargestellt. Denkbar wäre auch eine Addition im Summationspunkt 53, wenn der Regler 55 den reglerbasierten ATL-Stellglied- Sollwert UATL, soii _, Reg entsprechend ermittelt.

Durch den reglerbasierten ATL-Stellglied-Sollwert u _A TL _, soii _, Reg wird der Vorsteuerungswert, also der von der Steuervorrichtung 21 ermittelte Stellglied-Sollwert U _A TL,S _O N,ECU, um einen Faktor korrigiert, so dass eine ATL-Istdrehzahl n _A TL _, ist der maximalen ATL-Drehzahl n _A TL _, max nachgeführt wird. Insbesondere wird der Vorsteuerungswert UATL.S _O II, ECU also um einen Offset (Dekrement) reduziert, um ein Überschwingen der ATL-Drehzahl n _ATL .m _ax möglichst abzumildern und die ATL- Istdrehzahl n _ATL .i _st auf die ATL-Maximaldrehzahl n _ATL .m _ax einzustellen.

Die thermodynamische Regelung 50 läuft parallel zur EM-Regelung 40, wobei je nach ATL- Drehzahl ersteres oder letzteres greift, d.h. deren Ausgangsgröße zur Drehzahlregelung des ATLs 9 verwendet wird. Die EM-Regelung 40 greift, wenn das Signal lh _ys,i erzeugt wird und die thermodynamische Regelung 50, wenn eines der Signale Ltat.o und lh _ys, o erzeugt wird. So ist ein hochdynamisches„Umschalten“ zwischen der EM-Regelung 40 und thermodynamischen Regelung 50 möglich.

In der Fig. 4 ist die dynamische Drehzahlregelung 60 des ATLs 9 im Detail gezeigt. Im

Divisionspunkt 61 wird ein Soll-Druckverhältnis p2i _, s _oii über den Verdichter 13 gebildet, indem der Soll-Ladedruck p _2, soii durch den Ist-Druck vor dem Verdichter 13 pi _,is t geteilt wird. Ferner wird im Block 63 der eingehende Ist-Ladedruck p _2, ist differenziert und ein Ladedruckgradient P2 _, grad des Ist-Ladedrucks p _2,is t ausgegeben. Dazu kann der Block 63 beispielsweise als DT1- Glied ausgelegt sein. Mittels des Ladedruckgradienten p _2,gra d können Verzögerungen im

Ladedruckaufbau, beispielsweise aufgrund einer Trägheit der in der Luftleitung 5 befindlichen vorverdichteten Luft, die Massenträgheit des ATLs 9 und/oder ein Hochlaufen des ATLs 9 berücksichtigt und prädiziert werden. Ferner ist mittels des Ladedruckgradienten P2 _,grad über Kennfelder 65, 87 eine Eingriffsdauer Ϊ _EM und das Soll-Moment M _EM, s _oii,dyn der elektrischen Maschine 11 bestimmbar. Dabei gibt die Eingriffsdauer Ϊ _EM an, wie lange die elektrische Maschine 11 das Soll-Moment M _EM, s _oii,dyn erzeugt oder anders ausgedrückt, wie lange ein Momenteneingriff der elektrischen Maschine 11 zur Beeinflussung der ATL-Drehzahl erfolgt. So lässt sich mit Kenntnis des Soll-Druckverhältnisses P21 _, soii über den Verdichter 13 und den Ladedruckgradienten P2 _,gr ad aus dem Kennfeld 65 die Eingriffsdauer Ϊ _EM bzw. aus dem Kennfeld 87 das Soll-Drehmoment M _EM, s _oii,dyn bestimmen.

Hierbei wird das Kennfeld 87 mittels empirisch am Prüfstand ermittelten Daten erstellt, so dass eine Massenträgheit des ATLs 9, insbesondere seines Laufzeugs, berücksichtigt und das Hochlaufen des ATLs 9 bzw. die ATL-Drehzahl prädiziert werden kann. Dadurch kann entsprechend das Soll-Drehmoment M _E M _, soii _, d _y n bestimmt werden, das auf den ATL 9 wirken muss, damit die maximale ATL-Drehzahl n _A -n_,max nicht überschritten wird. Ergänzend/alternativ zu dem Kennfeld 87 ist es auch möglich, dass Soll-Drehmoment M _E M _, soii _, d _y n über eine

entsprechende Massenträgheitsrechnung in Abhängigkeit einer kinetischen Energie des Laufzeugs des ATLs 9 zu ermitteln.

Ferner wird in der dynamischen Drehzahlregelung 60 ermittelt, ob eine Drehzahlregelung durch die elektrische Maschine 11 greifen soll. Dafür wird geprüft, ob ein dynamischer

Betriebszustand des Motors 3 vorliegt. Dazu wird im Summationspunkt 73 die Ladedruck- Regelabweichung Dr2 gebildet, indem der Ist-Ladedruck p2 _,ist von dem Soll-Ladedruck p2 _, s _oii abgezogen wird. Die Ladedruck-Regelabweichung Ap ₂ wird im Block 75 mit einer

Mindestdruckdifferenz Ap ₂ , _m in verglichen. Ein dynamischer Betrieb des Motors 3 liegt vor, wenn die Ladedruck-Regelabweichung Dr2 die Mindestdruckdifferenz Ap2 _,min überschreitet, die in der Regel zwischen 450 und 550 mbar, z.B. 500 mbar, beträgt. Es sind auch andere Werte bzw. Wertebereiche für die Mindestdruckdifferenz Ap2 _,min möglich.

Auch wird geprüft, ob während einem Einregeln des Ladedrucks ein Grenzdruck p2 _,üm für ein Überschwingen des Ladedrucks p ₂ voraussichtlich überschritten wird. Um den Ladedruckverlauf zu prädizieren, wird im Summationspunkt 67 der Ist-Ladedruck p ₂ ,ist mit dem

Ladedruckgradienten p ₂ , _gra d beaufschlagt/summiert. Aus dem Summationspunkt 67 geht ein prädizierter Ladedruck p ₂ , _pre d hervor. Anschließend wird im Summationspunkt 67 der prädizierte Ladedruck p ₂ , _pre d von dem Soll-Ladedruck p ₂ , _So n abgezogen, so dass eine prädizierte Ladedruck- Regelabweichung Ap ₂ , _pr ed ermittelt wird. Im Block 71 wird überprüft, ob die prädizierte

Ladedruck-Regelabweichung Ap ₂ , _pre d den Grenzdruck p ₂ ,üm für Ladedrucküberschwinger überschreitet. Damit die dynamische Drehzahlregelung 60 ein Eingriffssignal l _dyn,i ausgibt, müssen zwei Bedingungen erfüllt werden. So muss aus dem Block 71 hervorgehen, dass die prädizierte Ladedruck-Regelabweichung Ap2 _{, red} größer als der Grenzdruck p2 _,üm für

Ladedrucküberschwinger sein. Ferner muss aus dem Block 75 hervorgehen, dass die

Ladedruck-Regelabweichung Dr2 größer als die Mindestdruckdifferenz Ap2, _min ist. Sind beide Bedingungen erfüllt, gibt ein Block 77 das Eingriffssignal l _dyn,i aus und andernfalls das„Nicht- Eingriff“-Signal l _dyn, o.

Wenn der Block 71 das Eingriffssignal l _dyn,i ausgibt, wird dieses an Block 79 weitergeleitet, der eingangsseitig ferner die Eingriffsdauer t _E M aufnimmt. Im Block 79 wird bestimmt, ob das Eingriffssignal l _dyn ,i innerhalb der Eingriffsdauer t _E M vom Block 77 ausgegeben wird. Falls ja, gibt der Block 79 wieder das Eingriffssignal l _dyn,i aus und andernfalls das„Nicht-Eingriff“-Signal l _dyn, o·

Geht aus der dynamischen Drehzahlregelung das Eingriffssignal l _dyn,i hervor, so wird die elektrische Maschine 11 derart betrieben, um das entsprechende Soll-Moment M _EM, s _oii,dyn zu erzeugen und damit auf die ATL-Drehzahl einzuwirken. Geht allerdings das„Nicht-Eingriff“- Signal l _dyn, o hervor, wird das Motornullmoment Mo ausgegeben und die elektrische Maschine 11 wird nicht betrieben. Anders ausgedrückt, die elektrische Maschine 11 wirkt nicht auf die ATL- Drehzahl ein.

Liegt das„Nicht-Eingriff“-Signal l _dyn, o vor, greift wieder die stationäre Drehzahlregelung 30, die parallel zu der dynamischen Regelung 60 läuft. Auch hier ist wieder durch den parallelen Ablauf der stationären Regelung 30 und der dynamischen Regelung 60 ein hochdynamisches „Umschalten“ zwischen ihnen mittels der Signale l _dyn,i , l _dyn, o möglich.

Die Fig. 5a zeigt Verläufe für den Soll- und Ist-Ladedruck p2 _, s _oii , P2 _,ist und für den Soll- und Ist- ATL-Drehzahl n _ATL .s _oii , n _A -ru _st während des stationären Betriebszustand des Motors 3. Die Verläufe sind über die Zeit aufgetragen. Der Soll-Ladedruck p ₂ ,soii wird durch eine waagerechte Linie dargestellt, um die der Verlauf des Ist-Ladedrucks p ₂ ,i _s t , insbesondere im Wesentlichen wellenähnlich, schwankt. Allerdings ist der Ist-Ladedruck p ₂ ,ist im Wesentlichen eingeregelt. Der Verlauf der Ist-ATL-Drehzahl n _AT L,ist schwankt ebenfalls und insbesondere im Wesentlichen wellenähnlich. Ferner sind hinsichtlich der ATL-Drehzahlen noch die maximal zulässige ATL- Drehzahl n _ATL.max und das Reservedrehzahlband n _ATL.Res gezeigt.

Die Fig. 5a stellt Verläufe dar, bei denen die oben erwähnte stationäre Drehzahlregelung 30 noch nicht eingreift, und verdeutlicht vor allem, in welchen Zeitabschnitten die EM-Regelung 40 oder thermodynamische Regelung 50 greifen sollte. Solche Zeitabschnitte können beispielsweise im Zehntel- Sekundenbereich liegen. Hierbei ist die thermodynamische

Regelung 50 dann aktiv, wenn sich die Ist-ATL-Drehzahl unterhalb des Reservedrehzahlbands n _ATL.Res befindet. Befindet sich die Ist-ATL-Drehzahl n _{ATL st} hingegen oberhalb des

Reservedrehzahlbands n _ATL.Res , so ist die EM-Regelung 40 aktiv.

Die Fig. 5b zeigt Verläufe für den Soll- und Ist-Ladedruck p2.soii, P2,ist und für die Soll- und Ist- ATL-Drehzahl n _ATL .s _oii , n _ATL .i _st während des dynamischen Betriebszustands des Motors 3. Ferner ist ein Verlauf des von der elektrischen Maschine 1 1 zu erzeugendes Soll-Moments M _EM .s _oii.dyn gezeigt. Das Soll-Moment M _E M _, soii _, dyn steigt also an, um auf die ATL-Istdrehzahl n _A TL,ist derart zu wirken, dass sie bei Hochfahren des ATLs die maximale ATL-Drehzahl n _ATL,max nicht überschreitet.

Bezugszeichenliste

Kraftfahrzeug

Verbrennungskraftmaschine (Motor) Zylinder

Luftleitung (Gaspfad)

Abgasleitung (Abgaspfad)

Abgasturbolader (ATL)

elektrische Maschine

Verdichter

Welle

Turbine

Verstellmechanismus für VTG

Wastegate

Steuervorrichtung

Summationspunkt

Vergleichsblock

stationäre Regelung

Summationspunkt

Zweipunktschalter

Regelung durch elektrische Maschine Block (z.B. PI-Regler)

, 47 Block

thermodynamische Regelung

Summationspunkt

Block (z.B. PI-Regler)

dynamische Regelung

Divisionspunkt

Block (z.B. DT-Glied)

Kennfeld

, 69 Summationspunkt

Block

Summationspunkt

, 77, 79 Block 87 Kennfeld

riATL.Ist ATL-Istdrehzahl

riATL.max maximal zulässige ATL-Drehzahl

riATL.Res ATL-Reservedrehzahlband

AnATL ATL-Drehzahl-Regelabweichung

UATL, Soll, ECU von der Steuervorrichtung 21 berechneter Sollwert für ATL-Stellglied UATL, Soll, Reg reglerbasierter Sollwert für ATL-Stellglied

UATL.Soll ATL-Stellglied-Sollwert

Stellgröße für elektrische Maschine

ldyn,1 Eingriffssignal aus dynamischer Regelung

Idyn.O „Nicht-Eingriff“-Signal aus dynamischer Regelung

I h ys , 1 Signal aus Zweipunktschalter

I h ys , 0 Signal aus Zweipunktschalter

lstat,1 Eingriffssignal aus stationärer Regelung

Istat.O „Nicht-Eingriff“-Signal aus stationärer Regelung

Soll-Moment der elektrischen Maschine aus dynamischer Regelung

Soll-Moment der elektrischen Maschine aus stationärer Regelung Drehmoment (elektrische Maschine)

PUst Ist-Druck vor Verdichter

P2,grad Ladedruckgradient

P2,lst Ist-Ladedruck

P2,lim Grenzdruck für Überschwinger

P2,lim Mindestdruckdifferenz

P2,Soll Soll-Ladedruck

P21 .Soll Sollwert für Druckverhältnis über Verdichter

Dr 2 Ladedruckregelabweichung

Ap2,pred prädizierte Ladedruckregelabweichung

tem Eingriffsdauer