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DE102023113312B3 - Compressor protection function to maintain the compressor outlet temperature, control device, internal combustion engine and vehicle - Google Patents

Compressor protection function to maintain the compressor outlet temperature, control device, internal combustion engine and vehicle Download PDF

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DE102023113312B3
DE102023113312B3 DE102023113312.8A DE102023113312A DE102023113312B3 DE 102023113312 B3 DE102023113312 B3 DE 102023113312B3 DE 102023113312 A DE102023113312 A DE 102023113312A DE 102023113312 B3 DE102023113312 B3 DE 102023113312B3
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compressor
temperature
combustion engine
internal combustion
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Celine Schmidt
Stefan Gebauer
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Original Assignee
Volkswagen AG
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Abstract

Modellbasiertes Schutzverfahren zur Einhaltung einer Grenztemperatur eines Verdichterbauteils in einem Verdichters für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend Bestimmen einer Zylinderfüllung basierend auf einem Verdichtermodell, das die isentrope Kompression eines Gases anwendet, einem Druck vor dem Verdichter, einer Temperatur vor dem Verdichter und einem Sollwirkungsgrad des Verdichters und Einstellen eines Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine basierend auf der bestimmten Zylinderfüllmenge, sodass die Grenztemperatur des Verdichterbauteils nicht überschritten wird.

Figure DE102023113312B3_0000
Model-based protection method for maintaining a limit temperature of a compressor component in a compressor for an internal combustion engine, comprising determining a cylinder charge based on a compressor model that applies the isentropic compression of a gas, a pressure upstream of the compressor, a temperature upstream of the compressor and a target efficiency of the compressor and setting an operating state of the internal combustion engine based on the determined cylinder charge such that the limit temperature of the compressor component is not exceeded.
Figure DE102023113312B3_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichterschutzfunktion zur Einhaltung der Verdichteraustrittstemperatur, eine Steuervorrichtung, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Fahrzeug.The invention relates to a compressor protection function for maintaining the compressor outlet temperature, a control device, an internal combustion engine and a vehicle.

Es ist bekannt, dass Fahrsituationen wie beispielsweise schnelle Schaltmanöver bei Bergauffahrt unter Volllast eine Überschreitung der vom Bauteilhersteller vorgegebenen Temperaturobergrenze am Verdichterrad erzeugen können. Die Temperaturmesstechnik, die serienmäßig verbaut wird, kann diese Temperaturüberschreitungen aufgrund der geringen Dynamik der Messwerte (bzw. Trägheit der Messung) und einem Temperaturoffset nicht erkennen. Der betreffende Sensor wird primär zur Regelung (Überwachung) der Ladeluftkühlung eingesetzt und ist am Eingang des Ladeluftkühlers positioniert. Zum Vermeiden der Temperaturüberschreitungen am Verdichter kann dieser Sensor somit nicht eingesetzt werden.It is known that driving situations such as fast gear shifting when driving uphill under full load can cause the upper temperature limit specified by the component manufacturer to be exceeded on the compressor wheel. The temperature measurement technology that is installed as standard cannot detect these temperature exceedances due to the low dynamics of the measured values (or inertia of the measurement) and a temperature offset. The sensor in question is primarily used to control (monitor) the charge air cooling and is positioned at the inlet of the charge air cooler. This sensor cannot therefore be used to prevent the temperature from being exceeded on the compressor.

Es existieren bereits konstruktive Lösungen zur Reduktion der Bauteiltemperatur über eine externe Kühlung. Bei einem Biturbomotor bietet sich außerdem die Möglichkeit einer Zwischenkühlung der Ladeluft nach der ersten Verdichtungsstufe an. So kann bereits die Temperatur am Eingang des Hochdruckverdichters reduziert werden und infolgedessen auch die Temperatur am Ausgang des Hochdruckverdichters.There are already design solutions for reducing the component temperature using external cooling. In a biturbo engine, there is also the option of intermediate cooling of the charge air after the first compression stage. This means that the temperature at the inlet of the high-pressure compressor can be reduced and, as a result, the temperature at the outlet of the high-pressure compressor can also be reduced.

Ferner gibt es bisher softwarebasierte Konzepte zur Zylinderfüllungsbegrenzung. Diese beziehen sich jedoch nicht auf den Schutz des Verdichters.There are also software-based concepts for limiting cylinder filling. However, these do not relate to protecting the compressor.

DE 10 2017 212 280 A1 offenbart ein Verfahren zum Schutz eines Verdichters, bei dem ein maximaler Sollladedruck bestimmt wird. DE 10 2017 212 280 A1 discloses a method for protecting a compressor in which a maximum target boost pressure is determined.

DE 101 11 774 A1 offenbart ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung, um die Luftaustrittstemperatur des Verdichters eines Abgasturboladers eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen. Dabei wird die Luftaustrittstemperatur aus der Drehzahl des Verdichters und der Lufteintrittstemperatur des Verdichters abgeleitet, wobei insbesondere ein drehzahlabhängiges Verdichterwirkungsgradkennfeld zum Einsatz kommt. DE 101 11 774 A1 discloses a method and a corresponding device for determining the air outlet temperature of the compressor of an exhaust gas turbocharger of a motor vehicle. The air outlet temperature is derived from the speed of the compressor and the air inlet temperature of the compressor, with a speed-dependent compressor efficiency map being used in particular.

DE 10 2009 000 896 B4 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der Auslasstemperatur des Kompressors eines Turboladers eines Verbrennungsmotors, wobei die Auslasstemperatur aus der Einlasstemperatur des Kompressors, dem Wirkungsgrad des Kompressors und dem Kompressordruckverhältnis ermittelt wird, wobei der Wirkungsgrad des Kompressors mittels einer vorgegebenen zweidimensionalen Funktion des Wirkungsgrades von der Drehzahl und einem weiteren Betriebsparameter des Turboladers ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Betriebsparameter, auf dessen Basis der Wirkungsgrad des Kompressors ermittelt wird, das Kompressordruckverhältnis ist. DE 10 2009 000 896 B4 discloses a method for determining the outlet temperature of the compressor of a turbocharger of an internal combustion engine, wherein the outlet temperature is determined from the inlet temperature of the compressor, the efficiency of the compressor and the compressor pressure ratio, wherein the efficiency of the compressor is determined by means of a predetermined two-dimensional function of the efficiency of the rotational speed and a further operating parameter of the turbocharger, characterized in that the further operating parameter on the basis of which the efficiency of the compressor is determined is the compressor pressure ratio.

DE 10 2017 222 593 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Soll-Saugrohrdrucks einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines iterativen Verfahrens, wobei für einen während des iterativen Verfahrens iterierten Saugrohrdruck eine Zylinderfüllung bestimmt wird und der Soll-Saugrohrdruck in Abhängigkeit der bestimmten Zylinderfüllung bestimmt wird. Weiterhin wird eine Steuervorrichtung zum Ausführen des Verfahrens offenbart. DE 10 2017 222 593 A1 discloses a method for determining a target intake manifold pressure of an internal combustion engine by means of an iterative method, wherein a cylinder charge is determined for an intake manifold pressure iterated during the iterative method and the target intake manifold pressure is determined as a function of the determined cylinder charge. Furthermore, a control device for carrying out the method is disclosed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verdichterschutzfunktion zur Einhaltung der Verdichteraustrittstemperatur bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.The object of the present invention is to provide a compressor protection function for maintaining the compressor outlet temperature, which at least partially overcomes the above-mentioned disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße modellbasierte Schutzverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Diese Aufgabe wird ebenfalls durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung nach Anspruch 8 gelöst, die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9 und das erfindungsgemäße Fahrzeug nach Anspruch 10.This object is achieved by the model-based protection method according to the invention according to claim 1. This object is also achieved by the control device according to the invention according to claim 8, the internal combustion engine according to the invention according to claim 9 and the vehicle according to the invention according to claim 10.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims and the following description of preferred embodiments of the present invention.

Die konstruktiven Lösungen sind nachteilig in Bezug auf die Integration weiterer Komponenten für das Packaging und verursachen damit zusätzlichen Aufwand in der Produktion. Eine softwarebasierte Schutzfunktion (Schutzverfahren) durch Modellierung der Temperatur bzw. des Ladedrucks am Verdichteraustritt kann flexibel in verschiedenen Motorvarianten nach Euro 7 Abgasnorm - wie Mono- bzw. Biturbomotoren - genutzt werden, wobei mit einem zylinderfüllungsbasierten Gassystem gesteuert (geregelt) wird.The design solutions are disadvantageous in terms of the integration of additional components for packaging and thus cause additional effort in production. A software-based protection function (protection procedure) by modeling the temperature or boost pressure at the compressor outlet can be used flexibly in various engine variants according to the Euro 7 emissions standard - such as mono- or biturbo engines - with control (regulation) using a cylinder-filling-based gas system.

Es wird auf Basis einer modellierten Temperatur oder einem modellierten Druck am Verdichteraustritt die Sollzylinderfüllung modellbasiert begrenzt. Dabei wird nicht erst auf eine Messung einer Temperaturüberschreitung reagiert, sondern aus Sollwerten bestimmt, ob ein noch einzustellender Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ein Betriebszustand ist, in dem die Grenztemperatur des Verdichters überschritten würde, woraufhin die Zylinderfüllung begrenzt wird. Sensorbasierte Lösungen haben den Nachteil, dass oft erst ein Schutzeingriff vorgenommen wird, wenn eine Überschreitung der Grenztemperatur bereits gemessen wird. Dies ist der Trägheit der Sensorik bzw. der Einbaulage (Temperaturtransporteffekt) geschuldet.The target cylinder charge is limited based on a modeled temperature or a modeled pressure at the compressor outlet. The system does not react to a measurement of a temperature being exceeded, but rather uses target values to determine whether an operating state of the internal combustion engine that has yet to be set is an operating state in which the limit temperature of the compressor would be exceeded, whereupon the cylinder charge is limited. Sensor-based solutions have the disadvantage that protective intervention is often only carried out when a Exceeding the limit temperature is already measured. This is due to the inertia of the sensor or the installation position (temperature transport effect).

Ein erfindungsgemäßes modellbasiertes Schutzverfahren zur Einhaltung einer Grenztemperatur eines Verdichterbauteils in einem Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend Bestimmen einer Zylinderfüllung basierend auf einem Verdichtermodell, das die isentrope Kompression eines Gases anwendet, einem Druck vor dem Verdichter, einer Temperatur vor dem Verdichter und einem Sollwirkungsgrad des Verdichters und Einstellen eines Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine basierend auf der Zylinderfüllung, sodass die Grenztemperatur des Verdichterbauteils nicht überschritten wird.A model-based protection method according to the invention for maintaining a limit temperature of a compressor component in a compressor for an internal combustion engine, comprising determining a cylinder charge based on a compressor model that applies the isentropic compression of a gas, a pressure upstream of the compressor, a temperature upstream of the compressor and a target efficiency of the compressor and setting an operating state of the internal combustion engine based on the cylinder charge so that the limit temperature of the compressor component is not exceeded.

Der Verdichter ist beispielsweise der Verdichter eines Abgasturboladers. Das Verdichterbauteil kann beispielsweise ein Verdichterrad sein. Die Grenztemperatur des Verdichterbauteils (des Verdichters) kann eine maximale Temperatur sein, die für das Verdichterbauteil vorgegeben ist.The compressor is, for example, the compressor of an exhaust gas turbocharger. The compressor component can be, for example, a compressor wheel. The limit temperature of the compressor component (the compressor) can be a maximum temperature that is specified for the compressor component.

Wird die Temperatur nach dem Verdichter nicht durch einen Temperatursensor unmittelbar am Verdichter erfasst, sondern beispielsweise mit einem Temperatursensor vor dem Ladeluftkühler, so unterliegen die Messwerte einem Temperaturoffset und einer verzögerten Dynamik. Für eine Grenztemperatur am Verdichter, die auch dynamisch wirksam ist, ist dieser Temperatursensor somit nicht geeignet.If the temperature after the compressor is not measured by a temperature sensor directly on the compressor, but rather, for example, with a temperature sensor in front of the charge air cooler, the measured values are subject to a temperature offset and delayed dynamics. This temperature sensor is therefore not suitable for a limit temperature on the compressor that is also dynamically effective.

Anstelle von konstruktiven Lösungen wie einem zweiten Temperatursensor oder einer Kühlung des Verdichters bietet ein softwarebasierter Ansatz eine Verminderung der Anzahl bzw. Komplexität an Bauteilen. Allgemein greift das Schutzverfahren ein, wenn eine extreme Fahrsituation vorliegt, beispielsweise unter Volllast, in einer heißen Umgebung, mit heißem Motor, im Anhängerbetrieb, in der Bergauffahrt oder einer Kombination der vorgenannten Fahrsituationen. Konstruktive Lösungen kommen in solchen Situationen ebenfalls an eine Grenze. Beispielsweise kann eine Kühlung des Verdichtergehäuses oder eine Kühlung der Ladeluft zwischen zwei Verdichtern vermindert sein, da die Kühlflüssigkeit oder Kühlluft bereits erwärmt ist. Dadurch kann ein Schutz vor Überhitzung des Verdichters unter solchen Umständen nicht gewährleistet sein.Instead of constructive solutions such as a second temperature sensor or cooling of the compressor, a software-based approach offers a reduction in the number and complexity of components. In general, the protection procedure intervenes when an extreme driving situation occurs, for example under full load, in a hot environment, with a hot engine, when towing a trailer, driving uphill or a combination of the aforementioned driving situations. Constructive solutions also reach their limits in such situations. For example, cooling of the compressor housing or cooling of the charge air between two compressors may be reduced because the coolant or cooling air is already warm. This means that protection against overheating of the compressor cannot be guaranteed under such circumstances.

Die Grenztemperatur geht auf eine thermische Belastungsobergrenze des Verdichterbauteils (des Verdichters) zurück. Eine solche Grenztemperatur kann auch eingehalten werden, wenn kein Sensor direkt an dem Verdichter verbaut ist.The limit temperature is based on an upper thermal load limit of the compressor component (the compressor). Such a limit temperature can also be maintained if no sensor is installed directly on the compressor.

Die Zylinderfüllung ist die Menge aller Gase pro Hub, die in den Zylinder (das Zylindervolumen) der Verbrennungskraftmaschine gefüllt werden (fließen). Dies geschieht im Ansaugtakt (Einlassevent) mit dem vorherrschenden Saugrohrdruck.. Der Saugrohrdruck ist der Druck vor Zylinder und nach Ladeluftkühler und hängt vom Ladedruck ab. Der Ladedruck wird von dem Verdichter erzeugt. Dieser wird infolge der Ladeluftkühlung durch einen Druckabfall wegen Strömungsverlusten und einem Druckabfall wegen Kühlung und Dichteerhöhung des Gases sowie des möglichen Druckvorhalts über Drosselklappe - die sich ebenfalls zwischen Verdichter und Zylindereinlass befindet - reduziert. Deshalb ist der Saugrohrdruck immer geringer als der Ladedruck. Die Zylinderfüllung muss deshalb mit dem Saugrohrdruck bestimmt werden. Eine Begrenzung der Soll-Zylinderfüllung begrenzt auch alle anderen Sollwerte im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise den Soll für die angesaugte Frischluft, die Abgasrückführungsrate und die Verdichtung bzw. den Sollladedruck. Die bestimmte Zylinderfüllung ist eine Zylinderfüllung die geringer ist als eine Zylinderfüllung die ohne das erfindungsgemäße Schutzverfahren mit dem Einstellen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine eingestellt würde. Alternativ wird die bestimmte Zylinderfüllung nur eingestellt, wenn sie kleiner ist als die Zylinderfüllung die ohne das erfindungsgemäße Schutzverfahren mit dem Einstellen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine eingestellt würde.The cylinder charge is the amount of all gases per stroke that are filled (flow) into the cylinder (the cylinder volume) of the internal combustion engine. This happens in the intake stroke (intake event) with the prevailing intake manifold pressure. The intake manifold pressure is the pressure before the cylinder and after the intercooler and depends on the boost pressure. The boost pressure is generated by the compressor. This is reduced as a result of the charge air cooling by a pressure drop due to flow losses and a pressure drop due to cooling and increased density of the gas as well as the possible pressure reserve via the throttle valve - which is also located between the compressor and the cylinder inlet. The intake manifold pressure is therefore always lower than the boost pressure. The cylinder charge must therefore be determined using the intake manifold pressure. Limiting the target cylinder charge also limits all other target values in the intake tract of the internal combustion engine, for example the target for the fresh air taken in, the exhaust gas recirculation rate and the compression or target boost pressure. The specific cylinder charge is a cylinder charge that is less than a cylinder charge that would be set without the protection method according to the invention when setting the operating state of the internal combustion engine. Alternatively, the specific cylinder charge is only set if it is less than the cylinder charge that would be set without the protection method according to the invention when setting the operating state of the internal combustion engine.

Somit hat diese Art der Begrenzung keinen ungewollten Einfluss auf die Zusammensetzung der Zylinderfüllung und damit auf die Zusammensetzung des Abgases und kann parallel zu anderen Regelungen des Ansaugtrakts und Abgases der Verbrennungskraftmaschine verwendet werden bzw. kann in diese integriert werden.Thus, this type of limitation has no unwanted influence on the composition of the cylinder charge and thus on the composition of the exhaust gas and can be used in parallel with other controls of the intake tract and exhaust gas of the internal combustion engine or can be integrated into them.

Es gibt Ausführungen, bei denen das Bestimmen zudem auf einem Druck nach dem Verdichter basiert und mittels des Verdichtermodells eine Temperatur nach dem Verdichter bestimmt wird, auf Basis derer die Zylinderfüllung bestimmt wird.There are designs in which the determination is also based on a pressure after the compressor and, using the compressor model, a temperature after the compressor is determined, on the basis of which the cylinder filling is determined.

Mit dem Sollladedruck, der aufgrund der begrenzten Zylinderfüllung ebenfalls begrenzt ist, wird auch die Kompression im Verdichter begrenzt und somit die Temperatur nach dem Verdichter. Somit wird mit einem modellbasierten Temperaturwert nach dem Verdichter die Temperatur des Verdichters unterhalb einer Grenztemperatur gehalten.The target boost pressure, which is also limited due to the limited cylinder filling, also limits the compression in the compressor and thus the temperature after the compressor. Thus, with a model-based temperature value after the compressor, the temperature of the compressor is kept below a limit temperature.

Die modellbasierte Temperatur wird auf Grundlage der isentropen Kompression des Gases in dem Verdichter bestimmt. Somit wird durch eine modellierte Temperatur nach dem Verdichter die Zylinderfüllung begrenzt.The model-based temperature is determined based on the isentropic compression of the gas in the compressor. Thus, the cylinder filling is limited by a modeled temperature after the compressor.

Folglich wird die Wärme reduziert, die bei der Verdichtung entsteht. Im Zuge dessen kann auch die Bauteiltemperatur beispielsweise des Verdichters oder des Verdichterrades reduziert werden.As a result, the heat generated during compression is reduced. As a result, the component temperature, for example of the compressor or the compressor wheel, can also be reduced.

Die Basis des Verdichtermodells stellt die Formel der isentropen Kompression dar, die nach der Temperatur nach dem Verdichter umgestellt ist und den Wirkungsgrad des Verdichters berücksichtigt. T n V = T v V ( 1 + 1 η i s e n [ ( p n V p v V ) κ 1 κ 1 ] ) .

Figure DE102023113312B3_0001
The basis of the compressor model is the formula of isentropic compression, which is adjusted according to the temperature after the compressor and takes into account the efficiency of the compressor. T n V = T v V ( 1 + 1 η i s e n [ ( p n V p v V ) κ 1 κ 1 ] ) .
Figure DE102023113312B3_0001

Dabei ist pvV der Druck vor dem Verdichter, pnV der Druck nach dem Verdichter, TyV die Temperatur vor dem Verdichter, ηisen der isentrope Sollwirkungsgrad des Verdichters und ĸ der Isentropenexponent der Ansaugluft. Die modellierte Temperatur TnV nach dem Verdichter wird herangezogen, um die thermische Belastungsobergrenze des Bauteils einzuhalten. Die Belastungsobergrenze kann variabel je nach Bauteil angepasst werden. Die übrigen Eingangswerte sind Mess- bzw. Modellwerte. Insbesondere können die Eingangswerte aus Sollwerten des Ansaugtraktes der Verbrennungskraftmaschine bestimmt sein. Dadurch kann eine Überschreitung der Belastungsobergrenze bzw. Grenztemperatur in einem noch einzustellenden Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschinen detektiert werden und durch eine Begrenzung der Zylinderfüllung verhindert werden.Here, p vV is the pressure before the compressor, p nV is the pressure after the compressor, T yV is the temperature before the compressor, η isen is the isentropic target efficiency of the compressor and ĸ is the isentropic exponent of the intake air. The modeled temperature T nV after the compressor is used to comply with the thermal load limit of the component. The load limit can be variably adjusted depending on the component. The other input values are measured or model values. In particular, the input values can be determined from target values of the intake tract of the internal combustion engine. This makes it possible to detect an exceedance of the load limit or limit temperature in an operating state of the internal combustion engine that has yet to be set and to prevent this by limiting the cylinder filling.

Das Begrenzungskonzept ist für verschiedene Motorkonzepte anwendbar, die mit einer ein- oder zweistufigen Aufladung ausgestattet sind und deren Gassystem zylinderfüllungsbasiert ausgelegt ist. Für einen Motor mit einstufiger Aufladung werden die Zustände vor dem Verdichter als Eingangsgrößen angenommen. Für eine zweistufige Aufladung hingegen gehen die Zustände zwischen den beiden Verdichtern als Eingangsgrößen in die Formel für die isentrope Kompression ein. Diese Eingangsgrößen können wiederum mittels der Formel für die isentrope Kompression bestimmt sein.The limitation concept can be used for various engine concepts that are equipped with single- or two-stage charging and whose gas system is designed based on cylinder filling. For an engine with single-stage charging, the conditions before the compressor are assumed as input variables. For two-stage charging, however, the conditions between the two compressors are included as input variables in the formula for isentropic compression. These input variables can in turn be determined using the formula for isentropic compression.

Der Druck vor dem Verdichter kann beispielsweise berechnet sein. Der Druck vor einem HD-Verdichter, also der zweiten Stufe, kann über die isentrope Kompression berechnet sein. Die Temperatur vor dem ersten Verdichter ist abhängig von dem Frischluftmassenstrom und dessen Temperatur sowie dem AGR-Massenstrom und dessen Temperatur.The pressure upstream of the compressor can be calculated, for example. The pressure upstream of a high-pressure compressor, i.e. the second stage, can be calculated using isentropic compression. The temperature upstream of the first compressor depends on the fresh air mass flow and its temperature as well as the EGR mass flow and its temperature.

Die Temperatur nach dem ersten Verdichter ist abhängig von einer optionalen Verdichtergehäusekühlung, einer AGR-Rate, der Temperatur vor dem Verdichter, dem Verdichterwirkungsgrad (Isentrop) und dem Druckverhältnis über den Verdichter. Dies entspricht den Abhängigkeiten des isentropen Kompressionsmodells des Verdichters, wobei die AGR-Rate den Isentropenexponenten des Gases beeinflusst.The temperature after the first compressor depends on an optional compressor housing cooling, an EGR rate, the temperature before the compressor, the compressor efficiency (isentropic) and the pressure ratio across the compressor. This corresponds to the dependencies of the isentropic compression model of the compressor, where the EGR rate influences the isentropic exponent of the gas.

Es gibt Ausführungen, bei denen die bestimmte Temperatur nach dem Verdichter mit einer gemessenen Temperatur nach dem Verdichter gemischt wird, um eine Synthesetemperatur nach dem Verdichter zu bestimmen, auf Basis derer die Zylinderfüllung bestimmt wird, wobei ein Mischungsfaktor zwischen bestimmter und gemessener Temperatur nach dem Verdichter aus einem Motormoment bestimmt ist und auf Basis der Synthesetemperatur nach dem Verdichter ein Korrekturfaktor für die Zylinderfüllung bestimmt wird, der die bestimmte Zylinderfüllung begrenzt.There are designs in which the determined temperature after the compressor is mixed with a measured temperature after the compressor to determine a synthesis temperature after the compressor, on the basis of which the cylinder charge is determined, wherein a mixing factor between the determined and measured temperature after the compressor is determined from an engine torque and, on the basis of the synthesis temperature after the compressor, a correction factor for the cylinder charge is determined which limits the determined cylinder charge.

Die gemessene Temperatur nach dem Verdichter kann beispielsweise nur in einem stationären Betrieb der Verbrennungskraftmaschine valide sein, da die Temperaturmessung einer gewissen Trägheit unterliegt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Temperatursensor nach dem Verdichter primär zur Steuerung der Ladeluftkühlung verbaut ist.For example, the temperature measured after the compressor can only be valid when the internal combustion engine is in stationary operation, as the temperature measurement is subject to a certain inertia. This is the case, for example, if a temperature sensor after the compressor is installed primarily to control the charge air cooling.

Dieser stationär valide Temperatursensor kann dann mit der aus dem Verdichtermodell bestimmten modellierten Temperatur gemischt werden, die in einem dynamischen Betriebszustand der Verbrennungskraft Maschine genauer ist als der Temperatursensor. Aus der Mischung wird eine Synthesetemperatur erhalten.This stationary valid temperature sensor can then be mixed with the modeled temperature determined from the compressor model, which is more accurate than the temperature sensor in a dynamic operating state of the combustion engine. A synthesis temperature is obtained from the mixture.

Als Entscheidungskriterium, welche der beiden Temperaturen - modelliert oder gemessen - mit welchem Gewicht zu der Synthesetemperatur gemittelt wird, eignet sich jeglicher Parameter, der beschreibt wie dynamisch oder statisch der Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ist. Beispielsweise kann das Motormoment oder der Sollladedruck herangezogen werden, um ein Entscheidungskriterium zu bilden. Das Entscheidungskriterium kann beispielsweise auch auf der zeitlichen Ableitung des Motormomentes oder der zeitlichen Ableitung des Sollladedrucks basieren.Any parameter that describes how dynamic or static the operating state of the internal combustion engine is can be used as a decision criterion as to which of the two temperatures - modeled or measured - is averaged to the synthesis temperature and with what weight. For example, the engine torque or the target boost pressure can be used to form a decision criterion. The decision criterion can also be based on the time derivative of the engine torque or the time derivative of the target boost pressure.

Auf Basis der so bestimmten Synthesetemperatur kann dann mittels eines Kennfeldes ein Korrekturfaktor bestimmt werden, der die Zylinderfüllung korrigiert und somit begrenzt. Wenn beispielsweise der Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine dynamisch ist, wird die modellierte Temperatur in der Synthesetemperatur stärker gewichtet oder die Synthesetemperatur entspricht der modellierten Temperatur. Überschreitet die modellierte Temperatur eine Grenztemperatur, so findet eine Begrenzung der Zylinderfüllung statt.Based on the synthesis temperature determined in this way, a correction factor can then be determined using a characteristic map, which corrects and thus limits the cylinder filling. If, for example, the operating state of the internal combustion engine is dynamic, the modeled temperature is given greater weight in the synthesis temperature or the synthesis temperature corresponds to the modeled temperature. If the modeled temperature exceeds a limit temperature, the cylinder filling is limited.

Es gibt Ausführungen, bei denen das Bestimmen zudem auf einer Grenztemperatur des Verdichters basiert und mittels des Verdichtermodells ein maximaler Ladedruck nach dem Verdichter bestimmt wird, auf Basis dessen die Zylinderfüllung bestimmt wird.There are versions in which the determination is also based on a limit temperature of the compressor and a maximum boost pressure after the compressor is determined using the compressor model, on the basis of which the cylinder filling is determined.

Auf Grundlage der isentropen Kompression des Gases in dem Verdichter wird bestimmt, welcher Druck nach dem Verdichter vorliegen kann, ohne dass die Grenztemperatur überschritten wird.Based on the isentropic compression of the gas in the compressor, it is determined which pressure can exist after the compressor without exceeding the limit temperature.

Somit wird durch eine Begrenzung des Ladedrucks auch die Wärme reduziert, die bei der Verdichtung entsteht. Im Zuge dessen kann auch die Bauteiltemperatur beispielsweise des Verdichters oder des Verdichterrades reduziert werden.By limiting the boost pressure, the heat generated during compression is also reduced. In the process, the component temperature, for example of the compressor or the compressor wheel, can also be reduced.

Die Basis des Begrenzungskonzeptes für den Ladedruck stellt die Formel der isentropen Kompression dar, die nach dem begrenzten Druck nach dem Verdichter umgestellt ist und den Wirkungsgrad des Verdichters berücksichtigt. p g r e n z = p V V [ ( ( T g r e n z T u s 1 ) η i s e n ) + 1 ] κ κ 1 .

Figure DE102023113312B3_0002
The basis of the limitation concept for the boost pressure is the formula of isentropic compression, which is adapted to the limited pressure after the compressor and takes into account the efficiency of the compressor. p G r e n z = p V V [ ( ( T G r e n z T u s 1 ) η i s e n ) + 1 ] κ κ 1 .
Figure DE102023113312B3_0002

Dabei ist pvV der Druck vor dem Verdichter, Tgrenz die Grenztemperatur des Verdichters, TvV die gemessene Temperatur vor dem Verdichter, ηisen der isentrope Sollwirkungsgrad des Verdichters und ĸ der Isentropenexponent der Ansaugluft. Die Grenztemperatur Tgrenz nach dem Verdichter beschreibt die thermische Belastungsobergrenze des Bauteils und kann variabel je nach Bauteil angepasst werden. Die übrigen Eingangswerte sind Mess- bzw. Modellwerte. Insbesondere können die Eingangswerte aus Sollwerten des Ansaugtraktes der Verbrennungskraftmaschine bestimmt sein. Dadurch kann eine Überschreitung der Belastungsobergrenze bzw. Grenztemperatur in einem noch einzustellenden Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschinen detektiert und durch eine Begrenzung der Zylinderfüllung verhindert werden.Here, p vV is the pressure before the compressor, T limit is the limit temperature of the compressor, T vV is the measured temperature before the compressor, η isen is the isentropic target efficiency of the compressor and ĸ is the isentropic exponent of the intake air. The limit temperature T limit after the compressor describes the thermal load limit of the component and can be variably adjusted depending on the component. The other input values are measured or model values. In particular, the input values can be determined from target values of the intake tract of the internal combustion engine. This means that an exceedance of the load limit or limit temperature can be detected in an operating state of the internal combustion engine that has yet to be set and can be prevented by limiting the cylinder filling.

Es gibt Ausführungen weiter, umfassend Wählen eines Minimums aus dem berechneten maximalen Ladedruck und einem vorgegebenen Sollladedruck, Bestimmen der Zylinderfüllung für die Verbrennungskraftmaschine anhand des ausgewählten Minimums.There are further embodiments comprising selecting a minimum of the calculated maximum boost pressure and a predetermined target boost pressure, determining the cylinder charge for the internal combustion engine based on the selected minimum.

Der berechnete Grenzdruck nach dem Verdichter (bzw. begrenzte Sollladedruck) wird mit dem steuervorrichtungsseitigen Sollladedruck in einer Minimumsauswahl verglichen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nur in Bereichen, in denen der begrenzte Sollladedruck unterhalb des steuervorrichtungsseitigen Sollladedrucks liegt, die Begrenzung durchgeführt wird. Liegt der berechnete Sollladedruck oberhalb des steuervorrichtungsseitigen Sollladedrucks, wird keine Begrenzung durchgeführt. Der sich in der Minimumsauswahl ergebende Wert stellt somit den einzuregelnden temperaturbegrenzten Sollladedruck dar.The calculated limit pressure after the compressor (or limited target boost pressure) is compared with the target boost pressure on the control device side in a minimum selection. This ensures that the limitation is only carried out in areas in which the limited target boost pressure is below the target boost pressure on the control device side. If the calculated target boost pressure is above the target boost pressure on the control device side, no limitation is carried out. The value resulting from the minimum selection therefore represents the temperature-limited target boost pressure to be regulated.

Das Begrenzungskonzept ist für verschiedene Motorkonzepte anwendbar, die mit einer ein- oder zweistufigen Aufladung ausgestattet sind und deren Gassystem zylinderfüllungsbasiert ausgelegt ist. Für einen Motor mit einstufiger Aufladung werden die Zustände vor dem Verdichter als Eingangsgrößen angenommen. Für eine zweistufige Aufladung hingegen gehen die Zustände zwischen den beiden Verdichtern als Eingangsgrößen in die Formel für die isentrope Kompression zur Berechnung des begrenzten Sollladedrucks ein.The limitation concept is applicable to various engine concepts that are equipped with single- or two-stage charging and whose gas system is designed based on cylinder filling. For an engine with single-stage charging, the conditions before the compressor are assumed as input variables. For two-stage charging, however, the conditions between the two compressors are used as input variables in the formula for isentropic compression to calculate the limited target boost pressure.

Der Druck vor dem Verdichter kann beispielsweise berechnet sein. Der Druck vor einem HD-Verdichter, also der zweiten Stufe, kann über die isentrope Kompression berechnet sein. Die Temperatur vor dem ersten Verdichter ist abhängig von dem Frischluftmassenstrom und dessen Temperatur sowie dem AGR-Massenstrom und dessen Temperatur.The pressure upstream of the compressor can be calculated, for example. The pressure upstream of a high-pressure compressor, i.e. the second stage, can be calculated using isentropic compression. The temperature upstream of the first compressor depends on the fresh air mass flow and its temperature as well as the EGR mass flow and its temperature.

Die Temperatur nach dem ersten Verdichter ist abhängig von einer optionalen Verdichtergehäusekühlung, einer AGR-Rate, der Temperatur vor dem Verdichter, dem Verdichterwirkungsgrad (Isentrop) und dem Druckverhältnis über den Verdichter. Dies entspricht den Abhängigkeiten des isentropen Kompressionsmodells des Verdichters, wobei die AGR-Rate den Isentropenexponenten des Gases beeinflusst.The temperature after the first compressor depends on an optional compressor housing cooling, an EGR rate, the temperature before the compressor, the compressor efficiency (isentropic) and the pressure ratio across the compressor. This corresponds to the dependencies of the isentropic compression model of the compressor, where the EGR rate influences the isentropic exponent of the gas.

Es gibt Ausführungen, bei denen das Bestimmen des maximalen Ladedrucks ein Filtern des bestimmten maximalen Ladedrucks umfasst, das Wählen des Minimums auf dem gefilterten maximalen Ladedruck basiert, das Bestimmen der maximalen Zylinderfüllung ein Wählen eines weiteren Minimums aus der berechneten maximalen Zylinderfüllung und einer vorgegebenen Sollzylinderfüllung umfasst und das Einstellen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine auf dem weiteren Minimum basiert.There are embodiments in which determining the maximum boost pressure includes filtering the determined maximum boost pressure, selecting the minimum is based on the filtered maximum boost pressure, determining the maximum cylinder charge includes selecting a further minimum from the calculated maximum cylinder charge and a predetermined target cylinder charge, and setting the operating state of the internal combustion engine is based on the further minimum.

Da der Ladedruck nicht die höchstpriore Größe (Führungsgröße) im Gassystem sein muss, kann es vorkommen, dass bei Gassystemen, deren Führungsgröße die Zylinderfüllung ist, alle anderen Sollwerte im Gassystem unverändert bleiben und nur der Soll- bzw. der Istladedruck begrenzt werden. Aufgrund des verringerten Istladedrucks im Begrenzungsfall können infolge der Begrenzung situationsbedingt die anderen Sollgrößen nicht eingeregelt werden. Die bleibenden Regelabweichungen in einzelnen Strecken resultieren in einer Begrenzung der Zylinderfüllung unter der Berücksichtigung der maximal zulässigen Verdichtertemperatur.Since the boost pressure does not have to be the highest priority variable (reference variable) in the gas system, it can happen that in gas systems whose reference variable is the cylinder filling, all other target values in the gas system remain unchanged and only the target or actual boost pressure are limited. Due to the reduced actual boost pressure in the limitation case, the other target values cannot be regulated due to the limitation. The remaining control deviations in a individual sections result in a limitation of the cylinder filling taking into account the maximum permissible compressor temperature.

Mit der Sollzylinderfüllung als Führungsgröße werden somit alle anderen Sollgrößen entlang der Ladeluftstrecke berechnet und angepasst. Dies schließt auch den Sollladedruck mit ein. Im Gegensatz zu einer reinen Ladedruckbegrenzung bietet eine zylinderfüllungsbasierte Begrenzung den Vorteil, dass alle Sollwerte entlang der Ladeluftstrecke konsistent zueinander sind und damit keine Abweichungen zwischen Soll- und Istgrößen, die nicht der Soll- bzw. der Istladedruck sind, infolge des Begrenzungseingriffs entstehen.With the target cylinder charge as the reference variable, all other target values along the charge air path are calculated and adjusted. This also includes the target boost pressure. In contrast to a pure boost pressure limitation, a cylinder charge-based limitation offers the advantage that all target values along the charge air path are consistent with one another and thus no deviations between target and actual values that are not the target or actual boost pressure arise as a result of the limitation intervention.

Die begrenzte Sollzylinderfüllung ergibt sich auf Basis des einzuregelnden temperaturbegrenzten Sollladedrucks. Die Sollwerte können entlang der Ladeluftstrecke bis zur Zylinderfüllung zurückgerechnet werden. Dies führt dazu, dass alle Istgrößen entlang der Ladeluftstrecke aufgrund der begrenzten Sollzylinderfüllung auf die entsprechenden mit der begrenzten Zylinderfüllung konsistenten Sollgrößen geregelt werden.The limited target cylinder charge is based on the temperature-limited target boost pressure to be regulated. The target values can be calculated back along the charge air path to the cylinder charge. This means that all actual values along the charge air path are regulated to the corresponding target values consistent with the limited cylinder charge due to the limited target cylinder charge.

Mit dem begrenzten Sollladedruck wird über die Ansaugstrecke zurück auf die Zylinderfüllung (Führungsgröße) gerechnet. Dadurch ergibt sich die begrenzte Zylinderfüllung. Das Füllungsbegrenzungskonzept basiert somit auf dem Ladedruckbegrenzungskonzept, sodass dieses eine Erweiterung darstellt. Für verschiedene Aufladungsaggregate - wie zum Beispiel den Verdichter eines Turboladers - ist es möglich, die thermische Belastungsobergrenze entsprechend anzupassen, ohne Änderungen an der Funktion vornehmen zu müssen.The limited target boost pressure is used to calculate the cylinder charge (reference variable) via the intake line. This results in the limited cylinder charge. The charge limitation concept is therefore based on the boost pressure limitation concept, so that this represents an extension. For various charging units - such as the compressor of a turbocharger - it is possible to adjust the thermal load limit accordingly without having to make changes to the function.

Diese thermische Belastungsobergrenze ist auch dynamisch wirksam. Weiterhin kann die stationäre bestimmte thermische Belastungsobergrenze für den Verdichter - basierend auf dem Temperatursensor am Ladeluftkühler - ebenfalls die Zylinderfüllung limitieren.This thermal load limit is also dynamically effective. Furthermore, the stationary thermal load limit for the compressor - based on the temperature sensor on the charge air cooler - can also limit the cylinder filling.

Das Bestimmen der maximalen Zylinderfüllung umfasst ein Wählen eines weiteren Minimums aus der berechneten maximalen Zylinderfüllung und einer vorgegebenen Sollzylinderfüllung und das Einstellen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine auf dem weiteren Minimum basiert.Determining the maximum cylinder charge includes selecting a further minimum from the calculated maximum cylinder charge and a predetermined target cylinder charge and adjusting the operating state of the internal combustion engine based on the further minimum.

Die sich ergebende begrenzte Zylinderfüllung kann wiederum mittels einer Minimumsauswahl mit einer Sollzylinderfüllung aus einer Steuervorrichtung verglichen und gegebenenfalls eingeregelt werden. Somit wird eine Begrenzung nur in den notwendigen Bereichen durchgeführt.The resulting limited cylinder filling can in turn be compared with a target cylinder filling from a control device using a minimum selection and adjusted if necessary. In this way, a limitation is only carried out in the necessary areas.

Es gibt Ausführungen, bei denen das Bestimmen des maximalen Ladedrucks ein Filtern des bestimmten maximalen Ladedrucks umfasst und das Wählen des Minimums auf dem gefilterten maximalen Ladedruck basiert.There are embodiments in which determining the maximum boost pressure includes filtering the determined maximum boost pressure and selecting the minimum is based on the filtered maximum boost pressure.

Durch das Filtern des bestimmten maximalen Ladedrucks funktioniert die Minimumsauswahl als Entscheidungskriterium - ob eine Begrenzung durchgeführt werden muss oder nicht - stabiler.By filtering the determined maximum boost pressure, the minimum selection functions more stably as a decision criterion - whether a limitation needs to be implemented or not.

Es gibt Ausführungen, bei denen das Bestimmen der maximalen Zylinderfüllung ein Filtern der berechneten maximalen Zylinderfüllung umfasst und das Wählen des weiteren Minimums auf der gefilterten maximalen Zylinderfüllung basiert.There are embodiments in which determining the maximum cylinder filling includes filtering the calculated maximum cylinder filling and selecting the further minimum is based on the filtered maximum cylinder filling.

Durch das Filtern der bestimmten maximalen Zylinderfüllung funktioniert die Minimumsauswahl als Entscheidungskriterium - ob eine Begrenzung durchgeführt werden muss oder nicht - stabiler.By filtering the determined maximum cylinder filling, the minimum selection functions more reliably as a decision criterion - whether a limitation must be implemented or not.

Es gibt Ausführungen, bei denen die Grenztemperatur eine maximal zulässige Verdichteraustrittstemperatur ist.There are designs where the limit temperature is a maximum permissible compressor outlet temperature.

Die Austrittstemperatur des Verdichters wird dabei mit der Temperatur gleichgesetzt, die der Verdichter, bzw. das Verdichterrad von dem komprimierten Gas annimmt.The outlet temperature of the compressor is equated with the temperature that the compressor or the compressor wheel assumes from the compressed gas.

Es gibt Ausführungen, bei denen das Einstellen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine ein Regeln des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine ist und die Zylinderfüllung die Führungsgröße der Regelung des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine ist.There are designs in which setting the operating state of the internal combustion engine is regulating the operating state of the internal combustion engine and the cylinder charge is the reference variable for regulating the operating state of the internal combustion engine.

Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, ein Verfahren nach einer der obigen Ausführungen auszuführen.A control device according to the invention is designed to carry out a method according to one of the above embodiments.

Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Verdichter, einem Temperatursensor vor dem Verdichter und einer oben beschriebenen Steuervorrichtung.An internal combustion engine according to the invention with at least one compressor, a temperature sensor in front of the compressor and a control device as described above.

Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer oben beschriebenen Verbrennungskraftmaschine.A vehicle according to the invention with an internal combustion engine as described above.

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

  • 1 schematisch eine Signalsynthese für einen Temperaturwert nach dem Verdichter zur Begrenzung einer Zylinderfüllung nach einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 schematisch eine Zylinderfüllungskorrektur zur Begrenzung einer Zylinderfüllung nach einem Ausführungsbeispiel;
  • 3 ein Flussdiagramm nach einem Ausführungsbeispiel einer Bestimmung einer begrenzten Zylinderfüllung;
  • 4 schematisch den Gasfluss durch eine Verbrennungskraftmaschine nach einem Ausführungsbeispiel; und
  • 5 ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Steuervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawing.
  • 1 schematically shows a signal synthesis for a temperature value after the compressor for limiting a cylinder filling according to an embodiment;
  • 2 schematically shows a cylinder filling correction for limiting a cylinder filling according to an embodiment;
  • 3 a flow chart according to an embodiment of determining a limited cylinder filling;
  • 4 schematically the gas flow through an internal combustion engine according to an embodiment; and
  • 5 a vehicle with an internal combustion engine and a control device according to an embodiment.

1 zeigt schematisch eine Signalsynthese für einen Temperaturwert nach dem Verdichter zur Begrenzung einer Zylinderfüllung nach einem Ausführungsbeispiel. 1 shows schematically a signal synthesis for a temperature value after the compressor for limiting a cylinder filling according to an embodiment.

Die Signalsynthese 100 umfasst einen Sensorwert 101 für die Temperatur vor dem Ladeluftkühler, ein Motormoment 102, ein Verdichtermodell 103 für die Temperatur nach dem Verdichter, einen Tiefpassfilter 104, eine Subtraktionsstelle 105, eine modellierte Temperatur 106, eine Interpolationsfaktorbestimmung 107, einen Mixer 108 und einen Synthesetemperaturwert 109 auf Basis von Sensorwert 101 und der modellierten Temperatur 106.The signal synthesis 100 comprises a sensor value 101 for the temperature before the charge air cooler, an engine torque 102, a compressor model 103 for the temperature after the compressor, a low-pass filter 104, a subtraction point 105, a modeled temperature 106, an interpolation factor determination 107, a mixer 108 and a synthesis temperature value 109 based on sensor value 101 and the modeled temperature 106.

Der Sensorwert 101 wird zu einem ersten Signaleingang des Mixers 108 übermittelt und die modellierte Temperatur 106 wird zu einem zweiten Signaleingang des Mixers 108 übermittelt. Der Mixer 108 mixt (interpoliert linear) einen Synthesetemperaturwert 109 auf Basis eines Interpolationsfaktors, der aus dem Motormoment 102 bestimmt ist.The sensor value 101 is transmitted to a first signal input of the mixer 108 and the modeled temperature 106 is transmitted to a second signal input of the mixer 108. The mixer 108 mixes (linearly interpolates) a synthesis temperature value 109 based on an interpolation factor determined from the engine torque 102.

Die modellierte Temperatur 106 wird in dem Verdichtermodell 103 bestimmt. Die Basis des Verdichtermodells 103 stellt die Formel der isentropen Kompression dar, die nach der Temperatur nach dem Verdichter umgestellt ist und den Wirkungsgrad des Verdichters berücksichtigt. T n V = T v V ( 1 + 1 η i s e n [ ( p n V p v V ) κ 1 κ 1 ] ) .

Figure DE102023113312B3_0003
The modeled temperature 106 is determined in the compressor model 103. The basis of the compressor model 103 is the formula of isentropic compression, which is rearranged according to the temperature after the compressor and takes into account the efficiency of the compressor. T n V = T v V ( 1 + 1 η i s e n [ ( p n V p v V ) κ 1 κ 1 ] ) .
Figure DE102023113312B3_0003

Dabei ist pvV der Druck vor dem Verdichter, pnV der Druck nach dem Verdichter, TvV die Temperatur vor dem Verdichter, ηisen der isentrope Sollwirkungsgrad des Verdichters und ĸ der Isentropenexponent der Ansaugluft.Where p vV is the pressure before the compressor, p nV is the pressure after the compressor, T vV is the temperature before the compressor, η isen is the isentropic target efficiency of the compressor and ĸ is the isentropic exponent of the intake air.

Das Motormoment 102 wird an den Tiefpassfilter 104, die Subtraktionsstelle 105 und die Interpolationsfaktorbestimmung 107 übermittelt. Der Tiefpassfilter 104 filtert das Motormoment auf Basis einer vorgegebenen Zeitkonstante und übermittelt das tiefpassgefilterte Motormoment an die Subtraktionsstelle 105.The motor torque 102 is transmitted to the low-pass filter 104, the subtraction point 105 and the interpolation factor determination 107. The low-pass filter 104 filters the motor torque based on a predetermined time constant and transmits the low-pass filtered motor torque to the subtraction point 105.

Die Subtraktionsstelle 105 bildet die Differenz des tiefpassgefilterten Motormomentes aus dem Tiefpassfilter 104 und dem Motormoment 102. Die Differenz wird an die Interpolationsfaktorbestimmung 107 übermittelt.The subtraction point 105 forms the difference between the low-pass filtered engine torque from the low-pass filter 104 and the engine torque 102. The difference is transmitted to the interpolation factor determination 107.

Die Interpolationsfaktorbestimmung 107 bestimmt auf Basis des Motormomentes 102 und der Differenz aus der Subtraktionsstelle 105 einen Interpolationsfaktor. Der Interpolationsfaktor wird an den Mixer 108 übermittelt.The interpolation factor determination 107 determines an interpolation factor based on the engine torque 102 and the difference from the subtraction point 105. The interpolation factor is transmitted to the mixer 108.

Wie oben beschrieben, mixt der Mixer 108 dann den Sensorwert 101 und die modellierte Temperatur 106 auf Basis des Interpolationsfaktors und gibt den Synthesetemperaturwert 109 aus. Diese Mischung im Mixer 108 kann beispielsweise eine lineare Mischung sein, bei der ein Interpolationsfaktor, der null ist, bedeutet, dass der Mischtemperaturwert 109 dem Sensorwert 101 entspricht, ein Interpolationsfaktor, der eins ist, bedeutet, dass der Mischtemperaturwert 109 der modellierten Temperatur 106 entspricht und ein Interpolationsfaktor, der 0,5 ist, bedeutet, dass der Mischtemperaturwert 109 der Mittelung aus Sensorwert 101 und modellierter Temperatur 106 entspricht.As described above, the mixer 108 then mixes the sensor value 101 and the modeled temperature 106 based on the interpolation factor and outputs the synthesis temperature value 109. This mixing in the mixer 108 can, for example, be a linear mixing where an interpolation factor that is zero means that the mixed temperature value 109 corresponds to the sensor value 101, an interpolation factor that is one means that the mixed temperature value 109 corresponds to the modeled temperature 106, and an interpolation factor that is 0.5 means that the mixed temperature value 109 corresponds to the average of the sensor value 101 and the modeled temperature 106.

Der Sensorwert 101 des Temperatursensors am Ladeluftkühler ist in stationären Situationen valide, aber aufgrund der Trägheit der Temperaturmessung in dynamischen Situationen nicht aussagekräftig. Die modellierte Temperatur 106 zeigt gegenüber der tatsächlichen Temperatur am Verdichteraustritt Abweichungen und ist insbesondere in stationären Situationen „ungenauer“ als der Sensorwert 101. In dynamischen Situationen ist die modellierte Temperatur 106 jedoch deutlich näher an der Temperatur am Verdichteraustritt, als der Sensorwert 101.The sensor value 101 of the temperature sensor on the charge air cooler is valid in stationary situations, but is not meaningful in dynamic situations due to the inertia of the temperature measurement. The modeled temperature 106 shows deviations from the actual temperature at the compressor outlet and is "less accurate" than the sensor value 101, particularly in stationary situations. In dynamic situations, however, the modeled temperature 106 is significantly closer to the temperature at the compressor outlet than the sensor value 101.

Daraus ergibt sich die Kombination beider Informationen, sodass in stationären Situationen der Sensorwert 101 übernommen wird und in dynamischen Situationen die modellierte Temperatur 106. Das Fusionieren beider Werte geschieht über lineare Interpolation zwischen beiden Werten in Abhängigkeit eines Interpolationsfaktors.This results in the combination of both pieces of information, so that in stationary situations the sensor value 101 is adopted and in dynamic situations the modeled temperature 106. The fusion of both values is done via linear interpolation between the two values depending on an interpolation factor.

Wie oben gezeigt, wird der Interpolationsfaktor aus der zeitlichen Ableitung des Moments (Änderung des Moments) generiert, welche durch die Differenzbildung nach der Tiefpassfilterung erzeugt ist. Alternativ kann der Solladedruck zur Bildung des Interpolationsfaktors herangezogen werden, dabei kann auch die zeitliche Ableitung des Sollladedrucks (Änderung des Sollladedruckwerts) gebildet werden. Der Interpolationsfaktor ist auch von den Absolutwerten abhängig, also von dem Moment und dem Soll-Druckverhältnis über den Verdichter.As shown above, the interpolation factor is generated from the time derivative of the torque (change in torque), which is generated by the difference after the low-pass filtering. Alternatively, the target boost pressure can be used to form the interpolation factor, and the time derivative of the target boost pressure (change in the target boost pressure value) can also be formed. The interpolation factor is also dependent on the absolute values. ten, i.e. on the torque and the target pressure ratio across the compressor.

Dies dient dazu, eine Lastabhängigkeit in der Interpolation berücksichtigen zu können. Somit kann die modellierte Temperatur 106 in allen unkritischen Lastbereichen (stationären Situationen) ausgeblendet werden, wobei sie in kritischen Lastbereichen (dynamischen Situationen) dominanter in die Synthesetemperatur 109 eingeht. Ferner kann die Synthesetemperatur 109 auch der modellierten Temperatur 106 entsprechen, wenn eine dynamische Situation vorliegt. Die modellierte Temperatur 106 basiert auf der Modellierung der isentropen Kompression. Die fusionierte Temperatur (Synthesetemperatur 109) wird entweder zur Zylinderfüllungskorrektur benutzt, wodurch die Zylinderfüllung im Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine begrenzt wird.This is to allow for load dependency to be taken into account in the interpolation. The modeled temperature 106 can thus be hidden in all non-critical load ranges (stationary situations), while it has a more dominant influence on the synthesis temperature 109 in critical load ranges (dynamic situations). Furthermore, the synthesis temperature 109 can also correspond to the modeled temperature 106 if a dynamic situation exists. The modeled temperature 106 is based on the modeling of isentropic compression. The fused temperature (synthesis temperature 109) is used either to correct the cylinder filling, which limits the cylinder filling in the operating state of the internal combustion engine.

2 zeigt schematisch eine Zylinderfüllungskorrektur zur Begrenzung einer Zylinderfüllung nach einem Ausführungsbeispiel. 2 shows schematically a cylinder filling correction for limiting a cylinder filling according to an embodiment.

Die Zylinderfüllungskorrektur 200 umfasst einen Index 201, eine Motordrehzahl 202, einen Drehmomenteingangswert 203, eine Synthesetemperatur 204, eine Ansaugkrümmertemperatur 205, ein Kennfeld 206, ein Kennfeld 207, einen Pufferspeicher 208, einen Pufferspeicher 209, eine Multiplikationsstelle 210 und einen korrigierten Zylinderfüllungswert 211.The cylinder charge correction 200 includes an index 201, an engine speed 202, a torque input value 203, a synthesis temperature 204, an intake manifold temperature 205, a map 206, a map 207, a buffer memory 208, a buffer memory 209, a multiplication point 210 and a corrected cylinder charge value 211.

Der Index 201 gibt den Parameterraum des aktuellen Verbrennungsmodus der Zylinderfüllung an. Der Verbrennungsmodus kann beispielsweise ein Normalbetrieb, eine Dieselpartikelfilter-Regeneration oder ein Heizbetrieb eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion sein. Der Drehmomenteingangswert 203 ist der Drehmomentwert, der für Berechnungen in dem Zylinderfüllungspfad der statischen Sollwertberechnung verwendet wird.The index 201 indicates the parameter space of the current combustion mode of the cylinder charge. The combustion mode can be, for example, normal operation, diesel particulate filter regeneration or heating operation of a catalyst for selective catalytic reduction. The torque input value 203 is the torque value that is used for calculations in the cylinder charge path of the static setpoint calculation.

Das Kennfeld 206 erhält den Index 201, den Drehmomenteingangswert 203 und die Motordrehzahl 202 als Eingangswerte. In dem Kennfeld 206 wird dann der charakteristische Wert der Zylinderfüllung in Abhängigkeit vom Drehmoment in dem aktuellen Verbrennungsmodus bestimmt. Dieser charakteristische Wert wird an den Pufferspeicher 208 übermittelt.The characteristic map 206 receives the index 201, the torque input value 203 and the engine speed 202 as input values. The characteristic value of the cylinder charge is then determined in the characteristic map 206 as a function of the torque in the current combustion mode. This characteristic value is transmitted to the buffer memory 208.

Die Synthesetemperatur 204 nach dem Verdichter wird zur Korrektur des Sollwertes der Zylinderfüllung verwendet. Mit der Synthesetemperatur wird dann der Druck nach dem Ladeluftkühler und weiter nach der Drosselklappe bestimmt (sollte diese hinter dem Ladeluftkühler verbaut sein). Mit dem Druck nach Drosselklappe kann dann die Zylinderfüllung bestimmt werden. Die Synthesetemperatur 204 ist wie in 1 bestimmt. Hier wird auf Basis dieser Synthesetemperatur 204 eine Korrektur für die Zylinderfüllung bestimmt und diese Zylinderfüllung somit begrenzt. Die Ansaugkrümmertemperatur 205 wird ebenfalls zur Korrektur des Sollwertes der Zylinderfüllung verwendet.The synthesis temperature 204 after the compressor is used to correct the setpoint value of the cylinder charge. The synthesis temperature is then used to determine the pressure after the intercooler and further after the throttle valve (if this is installed behind the intercooler). The pressure after the throttle valve can then be used to determine the cylinder charge. The synthesis temperature 204 is as in 1 determined. Here, a correction for the cylinder charge is determined on the basis of this synthesis temperature 204 and this cylinder charge is thus limited. The intake manifold temperature 205 is also used to correct the target value of the cylinder charge.

Das Kennfeld 207 erhält den Index 201, die Synthesetemperatur 204 und die Ansaugkrümmertemperatur 205 und bestimmt einen Korrekturfaktor der Zylinderfüllung in Abhängigkeit von der Gastemperatur im Ansaugkrümmer in dem aktuellen Verbrennungsmodus. Der Korrekturfaktor wird dann an den Pufferspeicher 209 übermittelt.The map 207 receives the index 201, the synthesis temperature 204 and the intake manifold temperature 205 and determines a correction factor for the cylinder charge depending on the gas temperature in the intake manifold in the current combustion mode. The correction factor is then transmitted to the buffer memory 209.

Der Pufferspeicher 208 speichert den charakteristischen Wert und übermittelt diesen an die Multiplikationsstelle 210. Der Pufferspeicher 209 speichert den Korrekturfaktor und übermittelt diesen an die Multiplikationsstelle 210.The buffer memory 208 stores the characteristic value and transmits it to the multiplication point 210. The buffer memory 209 stores the correction factor and transmits it to the multiplication point 210.

In der Multiplikationsstelle 210 wird der charakteristische Wert aus dem Pufferspeicher 208 mit dem Korrekturfaktor aus dem Pufferspeicher 209 korrigiert, um den korrigierten Zylinderfüllungswert 211 zu erhalten.In the multiplication point 210, the characteristic value from the buffer memory 208 is corrected with the correction factor from the buffer memory 209 in order to obtain the corrected cylinder filling value 211.

Dieser korrigierte Zylinderfüllungswert 211 ist nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine für den aktuellen Verbrennungsmodus definiert.This corrected cylinder filling value 211 is defined for the current combustion mode after the internal combustion engine has started.

Die Korrektur erfolgt in 2 mittels des Kennfeldes 207, wodurch die Ansaugkrümmertemperatur 205 mitberücksichtigt wird. Allerdings kann auch nur die Temperatur 204 berücksichtigt werden, wobei das Kennfeld 207 durch eine Kennlinie ersetzt wird, die von der in 1 bestimmten Synthesetemperatur (108 in 1) abhängt.The correction is made in 2 by means of the characteristic map 207, whereby the intake manifold temperature 205 is also taken into account. However, only the temperature 204 can be taken into account, whereby the characteristic map 207 is replaced by a characteristic curve which is derived from the 1 certain synthesis temperature (108 in 1 ) depends.

Die Kennfelder 206 und 207 sind vom Betriebspunkt (Last/Drehzahl) und von der Betriebsart abhängig.The maps 206 and 207 depend on the operating point (load/speed) and the operating mode.

3 zeigt ein Flussdiagramm nach einem Ausführungsbeispiel einer Bestimmung einer begrenzten Zylinderfüllung. 3 shows a flow chart according to an embodiment of a determination of a limited cylinder filling.

In Schritt S1 werden Eingangsgrößen für die Bestimmung einer begrenzten Zylinderfüllung ausgelesen. Die Eingangsgrößen umfassen einen Sollwirkungsgrad des Verdichters, eine gegebene Grenztemperatur des Verdichters (Temperatur nach Verdichter), einen Druck vor dem Verdichter und eine gemessene Temperatur vor dem Verdichter. Zusätzlich umfassen die Eingangsgrößen den Isentropenexponenten der Ansaugluft, die in dem Verdichter verdichtet wird. Ist der Verdichter zweistufig, so können die Werte für die Eingangsgrößen zwischen den Verdichtern mittels isentroper Kompression bestimmt werden oder aus Messungen abgespeichert sein. Der Sollwirkungsgrad des Verdichters kann zum Beispiel gemessen oder simuliert sein und der Druck vor dem (zweiten) Verdichter wird aus der isentropen Kompression bestimmt. Ist der Verdichter einstufig, so kann der Druck aus dem Umgebungsdruck sowie den zufließenden und abfließenden Massenströmen bestimmt sein.In step S1, input variables are read out for determining a limited cylinder charge. The input variables include a target efficiency of the compressor, a given limit temperature of the compressor (temperature after the compressor), a pressure before the compressor and a measured temperature before the compressor. In addition, the input variables include the isentropic exponent of the intake air that is compressed in the compressor. If the compressor is two-stage, the values for the input variables between the compressors can be determined using isentropic compression or stored from measurements. The target efficiency of the compressor can, for example, be measured or simulated and the pressure before the (second) compressor is determined from the isentropic compression. If the compressor is single-stage, the pressure can be determined from the ambient pressure and the inflowing and outflowing mass flows.

Die Eingangsgrößen gehen in Schritt S2 in ein Modell ein, das die isentrope Kompression eines Gases (der Ansaugluft) anwendet. Dabei wird ein maximaler Ladedruck pgrenz nach dem Verdichter wie folgt berechnet: p g r e n z = p V V [ ( ( T g r e n z T u s 1 ) η i s e n ) + 1 ] κ κ 1 .

Figure DE102023113312B3_0004
In step S2, the input variables are fed into a model that applies the isentropic compression of a gas (the intake air). A maximum boost pressure p limit after the compressor is calculated as follows: p G r e n z = p V V [ ( ( T G r e n z T u s 1 ) η i s e n ) + 1 ] κ κ 1 .
Figure DE102023113312B3_0004

Dabei ist pvV der Druck vor dem Verdichter, Tgrenz die Grenztemperatur des Verdichters, TvV die gemessene Temperatur vor dem Verdichter, ηisen der isentrope Sollwirkungsgrad des Verdichters und ĸ der Isentropenexponenten der Ansaugluft.Where p vV is the pressure upstream of the compressor, T limit is the limit temperature of the compressor, T vV is the measured temperature upstream of the compressor, η isen is the isentropic target efficiency of the compressor and ĸ is the isentropic exponent of the intake air.

Der maximale Ladedruck wird in Schritt S3 gefiltert, um Schwankungen des maximalen Ladedrucks zu verringern, um die nachfolgende Minimumsauswahl zu stabilisieren.The maximum boost pressure is filtered in step S3 to reduce fluctuations in the maximum boost pressure in order to stabilize the subsequent minimum selection.

In Schritt S4 erfolgt eine Minimumsauswahl aus dem bestimmten (gefilterten) maximalen Ladedruck und einem Sollladedruck, der aus einer Steuervorrichtung vorgegeben ist. Das ausgewählte Minimum wird als der begrenzte Sollladedruck bestimmt. Auf Basis des begrenzten Sollladedrucks kann in Schritt S5 ein Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine eingestellt bzw. geregelt werden. Somit wird der Verdichter aufgrund einer Begrenzung des Ladedrucks nach dem Verdichter vor dem Überschreiten der Grenztemperatur geschützt.In step S4, a minimum selection is made from the determined (filtered) maximum boost pressure and a target boost pressure that is specified by a control device. The selected minimum is determined as the limited target boost pressure. Based on the limited target boost pressure, an operating state of the internal combustion engine can be set or regulated in step S5. The compressor is thus protected from exceeding the limit temperature due to a limitation of the boost pressure after the compressor.

Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung bzw. Regelung des Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine ist die Bestimmung einer begrenzten Sollzylinderfüllung in Schritt S6, die sich an die Bestimmung des begrenzten Sollladedrucks anschließen kann. Die begrenzte Zylinderfüllung wird auf Basis des begrenzten Sollladedrucks bestimmt. Dabei wird beispielsweise ausgehend von dem Massenstrom, der Verdichteraustrittstemperatur, und einem Druckabfallfaktor der Druckabfall über den Ladeluftkühler bestimmt. Aus dem begrenzten Sollladedruck und dem Druckabfall über den Ladeluftkühler wird dann der Solldruck nach dem Ladeluftkühler bestimmt. Aus dem Solldruck nach dem Ladeluftkühler wird der Druck nach der Drosselklappe bestimmt woraufhin mithilfe des Druckverlustes im Einlasskanal und dem Faktor für den Druck am unteren Totpunkt eine Sollfüllung bestimmt wird. Die begrenzte Zylinderfüllung kann gefiltert werden, um Schwankungen der begrenzten Zylinderfüllung zu verringern.Another option for setting or regulating the operating state of the internal combustion engine is to determine a limited target cylinder charge in step S6, which can follow the determination of the limited target boost pressure. The limited cylinder charge is determined on the basis of the limited target boost pressure. For example, the pressure drop across the charge air cooler is determined based on the mass flow, the compressor outlet temperature, and a pressure drop factor. The target pressure after the charge air cooler is then determined from the limited target boost pressure and the pressure drop across the charge air cooler. The pressure after the throttle valve is determined from the target pressure after the charge air cooler, whereupon a target charge is determined using the pressure loss in the intake port and the factor for the pressure at bottom dead center. The limited cylinder charge can be filtered to reduce fluctuations in the limited cylinder charge.

In Schritt S7 erfolgt eine Minimumsauswahl aus der bestimmten begrenzten Zylinderfüllung und einer Sollzylinderfüllung, die aus einer Steuervorrichtung vorgegeben ist. Das ausgewählte weitere Minimum wird dann als begrenzte Sollzylinderfüllung bestimmt.In step S7, a minimum selection is made from the determined limited cylinder filling and a target cylinder filling that is specified by a control device. The selected further minimum is then determined as the limited target cylinder filling.

Auf Basis der begrenzten Sollzylinderfüllung kann dann in Schritt S8 ein Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine eingestellt bzw. geregelt werden. Somit wird der Verdichter aufgrund einer Begrenzung der Zylinderfüllung, die aus der Begrenzung des Ladedrucks nach dem Verdichter bestimmt ist, vor dem Überschreiten der Grenztemperatur geschützt.Based on the limited target cylinder charge, an operating state of the internal combustion engine can then be set or regulated in step S8. The compressor is thus protected from exceeding the limit temperature due to a limitation of the cylinder charge, which is determined from the limitation of the boost pressure after the compressor.

4 zeigt schematisch den Gasfluss durch eine Verbrennungskraftmaschine nach einem Ausführungsbeispiel. 4 shows schematically the gas flow through an internal combustion engine according to an embodiment.

Die Verbrennungskraftmaschine 400 umfasst einen Luftfilter 401, einen Heißfilmluftmassenmesser 402, einen Blowby 403, eine Niederdruckabgasrückführung (ND-AGR) 404, einen Niederdruckverdichter 405, einen Hochdruckverdichter 406, ein Verdichterbypassventil 407 (ein Kugelventil), einen Ladeluftkühler 408, eine Regelklappe 409, einen Temperatursensor 410, einen Verbrennungsmotor 411, eine Hochdruckabgasrückführung (HD-AGR) 412, eine Hochdruckturbine 413, ein Bypassventil 414, eine Niederdruckturbine 415, ein weiteres Bypassventil 416 und eine Abgasanlage 417.The internal combustion engine 400 comprises an air filter 401, a hot film air mass meter 402, a blowby 403, a low-pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR) 404, a low-pressure compressor 405, a high-pressure compressor 406, a compressor bypass valve 407 (a ball valve), a charge air cooler 408, a control flap 409, a temperature sensor 410, an internal combustion engine 411, a high-pressure exhaust gas recirculation (HD-EGR) 412, a high-pressure turbine 413, a bypass valve 414, a low-pressure turbine 415, another bypass valve 416 and an exhaust system 417.

Die Verbrennungskraftmaschine 400 saugt durch den Luftfilter 401 Frischluft an und misst den Massenstrom der Frischluft mit dem Heißfilmluftmassenmesser 402. Nach dem Heißfilmluftmassenmesser 401 wird die angesaugte Frischluft mit Abgasen aus dem ND-AGR 404 und dem Blowby 403 des Verbrennungsmotors 411 gemischt. Somit wird ein gemischtes Gas erzeugt.The internal combustion engine 400 sucks in fresh air through the air filter 401 and measures the mass flow of the fresh air with the hot film air mass meter 402. After the hot film air mass meter 401, the sucked in fresh air is mixed with exhaust gases from the LP-EGR 404 and the blowby 403 of the internal combustion engine 411. A mixed gas is thus generated.

Das gemischte Gas wird von dem Niederdruckverdichter 405 verdichtet und strömt danach weiter zu dem Hochdruckverdichter 406 und dem Verdichterbypassventil 407, die in dem Gasstrom parallel angeordnet sind. Das Bypassventil 407 ist als Kugelventil ausgelegt und öffnet sich, wenn der Druck des Gasgemisches rechts des Bypassventils 407 größer ist als links des Bypassventils 407. Aufgrund einer Steuervorrichtung (nicht dargestellt) wird entweder der Hochdruckverdichter 406 betrieben und verdichtet das Gasgemisch weiter oder das Gasgemisch strömt durch das Bypassventil 407.The mixed gas is compressed by the low-pressure compressor 405 and then flows on to the high-pressure compressor 406 and the compressor bypass valve 407, which are arranged in parallel in the gas flow. The bypass valve 407 is designed as a ball valve and opens when the pressure of the gas mixture to the right of the bypass valve 407 is greater than to the left of the bypass valve 407. Due to a control device (not shown), either the high-pressure compressor 406 is operated and further compresses the gas mixture or the gas mixture flows through the bypass valve 407.

Das verdichtete Gasgemisch wird in einem Ladeluftkühler 408 gekühlt. Der Ladeluftkühler 408 ist beispielsweise wassergekühlt. Danach wird der Massenstrom des Gasgemisches mit einer Regelklappe 409 geregelt und die Temperatur in dem geregelten Massenstrom des Gasgemisches mit dem Temperatursensor 410 gemessen.The compressed gas mixture is cooled in a charge air cooler 408. The charge air cooler 408 is water-cooled, for example. The mass flow of the gas mixture is then regulated with a control flap 409 and the temperature in the regulated mass flow of the gas mixture is measured with the temperature sensor 410.

Das Gasgemisch wird danach zur Verbrennung des Kraftstoffes in dem Verbrennungsmotor 411 verwendet, wodurch ein Abgasstrom entsteht.The gas mixture is then used to burn the fuel in the internal combustion engine 411, thereby producing an exhaust gas stream.

Ein Teil des Abgasstroms wird durch die HD-AGR 412 wieder dem Verbrennungsmotor 411 zugeführt und mit dem Gasgemisch zur Verbrennung des Kraftstoffes gemischt.A portion of the exhaust gas flow is fed back to the combustion engine 411 through the HD-EGR 412 and mixed with the gas mixture for fuel combustion.

Das restliche Abgases strömt weiter zu der Hochdruckturbine 413 und dem Bypassventil 414, die parallel in dem Abgasstrom angeordnet sind. Das Bypassventil 414 wird gesteuert (geregelt), um einzustellen, wie viel des Abgasstroms durch die Hochdruckturbine 413 strömt. Die Hochdruckturbine 413 entzieht dem Abgas, das durch die Hochdruckturbine 413 strömt, Energie, welche mittels einer Welle dem Hochdruckverdichter 406 bereitgestellt wird, wodurch dieser das angesaugte Gasgemisch verdichtet. Folglich kann über das Bypassventil 414 die Verdichtung in dem Hochdruckverdichter 406 gesteuert (geregelt) werden.The remaining exhaust gas flows on to the high-pressure turbine 413 and the bypass valve 414, which are arranged in parallel in the exhaust gas flow. The bypass valve 414 is controlled to adjust how much of the exhaust gas flow flows through the high-pressure turbine 413. The high-pressure turbine 413 extracts energy from the exhaust gas flowing through the high-pressure turbine 413, which is provided by means of a shaft to the high-pressure compressor 406, whereby the latter compresses the gas mixture taken in. Consequently, the compression in the high-pressure compressor 406 can be controlled via the bypass valve 414.

Nach der Hochdruckturbine 413 und dem Bypassventil 414 strömt das Abgas auf die Niederdruckturbine 415 und das Bypassventil 416, die parallel im Abgasstrom angeordnet sind. After the high-pressure turbine 413 and the bypass valve 414, the exhaust gas flows to the low-pressure turbine 415 and the bypass valve 416, which are arranged parallel in the exhaust gas flow.

Das Bypassventil 416 wird gesteuert (geregelt), um einzustellen, wie viel des Abgasstroms durch die Niederdruckturbine 415 strömt. Die Niederdruckturbine 416 entzieht dem Abgas, das durch die Niederdruckturbine 416 strömt, Energie, welche mittels einer Welle dem Niederdruckverdichter 405 bereitgestellt wird, wodurch dieser das angesaugte Gasgemisch verdichtet. Folglich kann über das Bypassventil 416 die Verdichtung in dem Niederdruckverdichter 405 gesteuert (geregelt) werden.The bypass valve 416 is controlled to adjust how much of the exhaust gas flow flows through the low-pressure turbine 415. The low-pressure turbine 416 extracts energy from the exhaust gas flowing through the low-pressure turbine 416, which is provided by means of a shaft to the low-pressure compressor 405, whereby the latter compresses the gas mixture taken in. Consequently, the compression in the low-pressure compressor 405 can be controlled via the bypass valve 416.

Nach der Niederdruckturbine 415 und dem Bypassventil 416 strömt das Abgas in die Abgasanlage 417. In der Abgasanlage 417 wird ein Teil des Abgases durch den ND-AGR 404 abgezweigt und vor dem Niederdruckverdichter 405 zu der Frischluft gemischt.After the low-pressure turbine 415 and the bypass valve 416, the exhaust gas flows into the exhaust system 417. In the exhaust system 417, part of the exhaust gas is branched off through the LP-EGR 404 and mixed with the fresh air upstream of the low-pressure compressor 405.

5 zeigt ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Steuervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. 5 shows a vehicle with an internal combustion engine and a control device according to an embodiment.

Das Fahrzeug 500 umfasst die Verbrennungskraftmaschine 400 und die Steuervorrichtung 501.The vehicle 500 includes the internal combustion engine 400 and the control device 501.

Die Steuervorrichtung steuert (regelt) die Verbrennungskraftmaschine 400. Genauer gesagt, erfasst die Steuervorrichtung Messwerte von Sensoren in der Verbrennungskraftmaschine 400 und regelt die Verbrennungskraftmaschine 400 auf Basis dieser Sensorwerte, vorgegebener Führungsgrößen, vorgegebener Gasmodelle und daraus erhaltener Sollwerte.The control device controls (regulates) the internal combustion engine 400. More specifically, the control device detects measured values from sensors in the internal combustion engine 400 and regulates the internal combustion engine 400 on the basis of these sensor values, predetermined control variables, predetermined gas models and setpoints obtained therefrom.

Das Fahrzeug 500 kann ein jegliches radgebundenes Fahrzeug zum Transport beispielsweise von Gütern oder Personen sein. Zum Beispiel ein Pkw oder ein Nutzfahrzeug wie ein Lkw.The vehicle 500 can be any wheeled vehicle for transporting goods or people, for example. For example, a car or a commercial vehicle such as a truck.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

100100
Signalsynthesesignal synthesis
101101
Sensorwertsensor value
102102
Motormomentengine torque
103103
Verdichtermodellcompressor model
104104
Tiefpassfilterlow-pass filter
105105
Subtraktionsstellesubtraction point
106106
modellierte Temperaturmodeled temperature
107107
Interpolationsfaktorbestimmunginterpolation factor determination
108108
Mixermixer
109109
Synthesetemperatursynthesis temperature
200200
Zylinderfüllungskorrekturcylinder filling correction
201201
Indexindex
202202
Motordrehzahlengine speed
203203
Drehmomenteingabewerttorque input value
204204
Temperaturtemperature
205205
Ansaugkrümmertemperaturintake manifold temperature
206, 207206, 207
Kennfeldmap
208, 209208, 209
Pufferspeicherbuffer storage
210210
Multiplikationsstellemultiplication point
211211
korrigierter Zylinderfüllungswertcorrected cylinder filling value
300300
Flussdiagrammflow chart
400400
Verbrennungskraftmaschineinternal combustion engine
401401
Luftfilterair filter
402402
Heißfilmluftmassenmesserhot-film air mass meter
403403
Blow-Byblow-by
404404
Niederdruckabgasrückführunglow-pressure exhaust gas recirculation
405405
Niederdruckverdichterlow-pressure compressor
406406
Hochdruckverdichterhigh-pressure compressor
407407
Verdichterbypassventilcompressor bypass valve
408408
Ladeluftkühlerintercooler
409409
Regelklappecontrol flap
410410
Temperatursensortemperature sensor
411411
Verbrennungsmotorcombustion engine
412412
Hochdruckabgasrückführunghigh-pressure exhaust gas recirculation
413413
Hochdruckturbinehigh-pressure turbine
414, 416414, 416
Bypassventilbypass valve
415415
Niederdruckturbinelow-pressure turbine
417417
Abgasanlageexhaust system
500500
Fahrzeugvehicle
501501
Steuervorrichtungcontrol device

Claims (10)

Modellbasiertes Schutzverfahren zur Einhaltung einer Grenztemperatur (Tgrenz) eines Verdichterbauteils in einem Verdichter (405, 406) für eine Verbrennungskraftmaschine (400), umfassend Bestimmen einer Zylinderfüllung (211; S8) basierend auf einem Verdichtermodell (103; S2), das die isentrope Kompression eines Gases anwendet, einem Druck (pvV) vor dem Verdichter (405, 406), einer Temperatur (TvV) vor dem Verdichter (405, 406) und einem Sollwirkungsgrad (ηisen) des Verdichters (405, 406) und Einstellen eines Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine basierend auf der bestimmten Zylinderfüllung (211; S8), sodass die Grenztemperatur (Tgrenz) des Verdichterbauteils nicht überschritten wird.Model-based protection method for maintaining a limit temperature (T limit ) of a compressor component in a compressor (405, 406) for an internal combustion engine (400), comprising determining a cylinder charge (211; S8) based on a compressor model (103; S2) that applies the isentropic compression of a gas, a pressure (p vV ) upstream of the compressor (405, 406), a temperature (T vV ) upstream of the compressor (405, 406) and a target efficiency (η isen ) of the compressor (405, 406) and setting an operating state of the internal combustion engine based on the determined cylinder charge (211; S8) so that the limit temperature (T limit ) of the compressor component is not exceeded. Modellbasiertes Schutzverfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen zudem auf einem Druck (pnV) nach dem Verdichter (405, 406) basiert und mittels des Verdichtermodells eine Temperatur (106) nach dem Verdichter (405, 406) bestimmt wird, auf Basis derer die Zylinderfüllung (211) bestimmt wird.Model-based protection procedure according to claim 1 , wherein the determination is also based on a pressure (p nV ) after the compressor (405, 406) and by means of the compressor model a temperature (106) after the compressor (405, 406) is determined, on the basis of which the cylinder filling (211) is determined. Modellbasiertes Schutzverfahren nach Anspruch 2, wobei die bestimmte Temperatur (106) nach dem Verdichter (405, 406) mit einer gemessenen Temperatur (101) nach dem Verdichter (405, 406) gemischt wird, um eine Synthesetemperatur (109) nach dem Verdichter (405, 406) zu bestimmen, auf Basis derer die Zylinderfüllung (211) bestimmt wird, wobei ein Mischungsfaktor zwischen bestimmter und gemessener Temperatur nach dem Verdichter aus einem Motormoment (102) bestimmt ist und auf Basis der Synthesetemperatur (109) nach dem Verdichter (405, 406) ein Korrekturfaktor für die Zylinderfüllung (211) bestimmt wird, der die bestimmte Zylinderfüllung (211) begrenzt.Model-based protection procedure according to claim 2 , wherein the determined temperature (106) after the compressor (405, 406) is mixed with a measured temperature (101) after the compressor (405, 406) to determine a synthesis temperature (109) after the compressor (405, 406), on the basis of which the cylinder charge (211) is determined, wherein a mixing factor between the determined and measured temperature after the compressor is determined from an engine torque (102) and on the basis of the synthesis temperature (109) after the compressor (405, 406) a correction factor for the cylinder charge (211) is determined, which limits the determined cylinder charge (211). Modellbasiertes Schutzverfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen zudem auf einer Grenztemperatur (Tgrenz) des Verdichters basiert und mittels des Verdichtermodells ein maximaler Ladedruck nach dem Verdichter bestimmt (S2) wird, auf Basis dessen die Zylinderfüllung bestimmt (S8) wird.Model-based protection procedure according to claim 1 , wherein the determination is also based on a limit temperature (T limit ) of the compressor and by means of the compressor model a maximum boost pressure after the compressor is determined (S2), on the basis of which the cylinder filling is determined (S8). Modellbasiertes Schutzverfahren nach Anspruch 4, weiter umfassend Wählen (S4) eines Minimums aus dem berechneten maximalen Ladedruck und einem vorgegebenen Sollladedruck, Bestimmen (S8) der Zylinderfüllung für die Verbrennungskraftmaschine (400) anhand des ausgewählten Minimums.Model-based protection procedure according to claim 4 , further comprising selecting (S4) a minimum from the calculated maximum boost pressure and a predetermined target boost pressure, determining (S8) the cylinder charge for the internal combustion engine (400) based on the selected minimum. Modellbasiertes Schutzverfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen (S2) des maximalen Ladedrucks ein Filtern (S3) des bestimmten maximalen Ladedrucks umfasst, das Wählen (S4) des Minimums auf dem gefilterten maximalen Ladedruck basiert, das Bestimmen (S8) der maximalen Zylinderfüllung ein Wählen (S7) eines weiteren Minimums aus der berechneten maximalen Zylinderfüllung und einer vorgegebenen Sollzylinderfüllung umfasst und das Einstellen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine (400) auf dem weiteren Minimum basiert.Model-based protection procedure according to claim 5 , wherein determining (S2) the maximum boost pressure comprises filtering (S3) the determined maximum boost pressure, selecting (S4) the minimum is based on the filtered maximum boost pressure, determining (S8) the maximum cylinder charge comprises selecting (S7) a further minimum from the calculated maximum cylinder charge and a predetermined target cylinder charge, and setting the operating state of the internal combustion engine (400) is based on the further minimum. Modellbasiertes Schutzverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Einstellen des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine (400) ein Regeln des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine (400) ist und die Zylinderfüllung die Führungsgröße der Regelung des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine (400) ist.Model-based protection procedure according to one of the Claims 1 until 6 , wherein the setting of the operating state of the internal combustion engine (400) is a regulation of the operating state of the internal combustion engine (400) and the cylinder charge is the reference variable for the regulation of the operating state of the internal combustion engine (400). Steuervorrichtung (501) dazu ausgelegt ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.Control device (501) designed to carry out a method according to one of the Claims 1 until 7 to execute. Verbrennungskraftmaschine (400) mit zumindest einem Verdichter (405, 406) und einer Steuervorrichtung (501) nach Anspruch 8.Internal combustion engine (400) with at least one compressor (405, 406) and a control device (501) according to claim 8 . Fahrzeug (500) mit einer Verbrennungskraftmaschine (400) nach Anspruch 9.Vehicle (500) with an internal combustion engine (400) according to claim 9 .
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