CN108571384B - 用于运行废气涡轮增压器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行废气涡轮增压器的方法，该废气涡轮增压器具有布置在废气流中的涡轮机（120）和由该涡轮机驱动的压缩机，其中，该涡轮机（120）具有涡轮机壳体（123）、导向器（124）和涡轮叶片（125），所述涡轮机壳体具有涡轮机入口（121）和涡轮机出口（122），所述导向器布置在涡轮机入口和涡轮机出口之间并且具有用于改变涡轮机面积的可变的几何结构，其中，为了所述运行，使用在涡轮机入口中的废气质量流（dm/dt）、在涡轮机出口（122）和涡轮机入口（121）之间的压力比（p4/p3）以及用于设定涡轮机面积的涡轮机调节器位置之间的函数关系，该函数关系考虑在导向器（124）和涡轮叶片（125）之间的过渡部处的压力（p31）。

Description

用于运行废气涡轮增压器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行废气涡轮增压器的方法以及一种用于实施该方法的计算单元和一种计算机程序。
背景技术
涡轮增压器、还有废气涡轮增压器（ATL）或口语上说的涡轮机，用于内燃机的功率提高或效率提高。涡轮增压器由废气涡轮机和由涡轮机驱动的用于马达的进气的压缩机组成，废气涡轮机从废气的剩余压力中获得（beziehen）其能量，压缩机提高了空气流量（Luftdurchsatz）并且减小了活塞的进气功（Ansaugarbeit）。为了将废弃功率保持在可行的极限内，即限制马达的增压，需要一种装置，其在一般性的语言惯用语中叫做“增压压力调节装置”。
在用于废气涡轮增压器的增压压力调节时对质量流的建模和经过涡轮叶片的压力比特别值得关注，因为这些参量确定了涡轮机的驱动功率。涡轮机的驱动功率被转换成叶轮（Laufzeug）的动态的转速变化以及压缩机功率。后者确定了待调节的增压压力构建。
为了对涡轮机质量流建模，可以将涡轮机考虑成具有有效的穿流面积A的节流器（Drossel），其被可压缩的介质（气体）以温度T3穿流并且经由其压力比p4/p3下降。针对通过节流板（Blende）/节流器的等熵的质量流的相应的等式（Gleichung）从相关文献中公开并且被明确地例如在 B.K.Shivamoggi，“理论流体动力学”，Martinus Nijhoff Publishers，Dordrecht 1985，ISBN 90-247-2999-8，第173页中找到。经过涡轮机的质量流利用下面的方程（Ansatz）得出
Figure DEST_PATH_IMAGE002
指数3在此描述涡轮机之前的状态，指数4描述了涡轮机之后的状态。R = 287.1J/(K kg)是气体常数，Ψ(п)是流出特征曲线。后者通过如下给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，针对
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，针对
Figure DEST_PATH_IMAGE010
并且在
Figure DEST_PATH_IMAGE012
时具有其最大值
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。
在此，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示可压缩的介质的等熵指数。其是材料特性且仅与气体分子的自由度的数目相关。针对废气其为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
针对在1<
Figure DEST_PATH_IMAGE020
<1.5之间的等熵指数，流出特征曲线的非平凡的（nichttrivial）部分（
Figure DEST_PATH_IMAGE022
）可以通过椭圆弧（Ellipsenbogen）近似，其中，在整个值范围中的绝对误差保持在0.5%下。该简化是必要的，以便也能够以有限的计算时间分析地评估实时系统中的流出特征曲线，如在车辆中可以找到的那样。
在增压压力调节的框架中，在给定的质量流dm/dt的情况下不仅计算p4/p3—> A而且所属的逆计算A —> p4/p3都是必不可少的。在借助于椭圆弧的近似中，流出特征曲线具有如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，针对
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，针对
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为了使质量流等式与实际的涡轮机相适配，现在可以借助于在各种各样的运行点的涡轮增压器的测量点来求得自由的参数A和
Figure DEST_PATH_IMAGE032
（比如最小平方拟合）。针对运行点已知的是废气质量流dm/dt、压力p3和p4以及废气温度T3。
但该途径（Herangehensweise）在改变的涡轮机几何结构（VTG）或具有废气气门（Wastegate）（旁路）的涡轮增压器中达到其极限。VTG具有在废气流中在涡轮叶片之前的可调节的导向叶片，利用涡轮叶片可使功率输出和响应行为与不同的运行条件、即高的或低的负载更好地适配。废气气门是旁路，其可以使废气经过涡轮机并且可直接导入到排气管（Auspuff）中。为了调节VTG或废气气门存在涡轮机调节器。
虽然存在如下可能性，除了质量流的变化之外这里也考虑涡轮机调节器的不同的设定。质量流dm/dt和废气温度T3根据马达运行点来设定并且在增压压力调节的背景下作为给定的、即不能被影响地来应用。但被证明的是，在这些情况下非物理的高的等熵指数
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
» 1（常常平均在两位数范围中）是必不可少的。
但是针对
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
» 1上面的近似
Figure DEST_PATH_IMAGE034
不再确定为椭圆弧。尤其是由于
Figure DEST_PATH_IMAGE036
常数针对等熵的状态变化，废气因此比液体、例如水仅微小地更可压缩。因此不再给出物理的方程。确切地说那么传统的描述是纯经验的。
也被证明的是，如此涡轮机模型可以良好地描绘仅大的压力比、即更高的负载。针对经过涡轮机的小的压力比的模型的品质示出改进潜力。
US 2009/094009 A1描述了涡轮机质量流和废气气门-阀质量流的建模，用以建立校正表格。也计算压力比。
US 2016/146134 A1公开了一种通过废气回引系统的质量流的建模。
发明内容
根据本发明建议具有独立专利权利要求的特征的一种用于运行废气涡轮增压器的方法以及一种用于实施该方法的计算单元和一种计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求以及下面的说明书的主题。
本发明基本上基于如下构思，不再仅考虑涡轮机入口和-出口处的压力，而是也考虑涡轮机内部的至少一个压力。涡轮机迄今为止被描述成单个的节流器，其压力降通过压力比p4/p3描述。但是在此，涡轮机的内部结构（Innenleben）以及针对压力降的不同物理原因被忽略。
但现在在本发明的框架中考虑，如在图2和3中可见那样，废气质量流（dm/dt）在第一压力（p3）下进入到涡轮机壳体（20）中并且壳体几何结构和导向器（例如VTG导向叶片30）将压力抑制（abdrosseln）到第二压力值（p31）上，直至质量流到达涡轮叶片（40）。经过涡轮叶片（40），压力继续从第二压力值(p31)降到第三压力值（p4）上，因为废气这里必须完成做功。在涡轮机入口或在涡轮机出口处的压力p3和p4可在测量技术上相对简单地检测，而在导向器和涡轮叶片（40）之间的过渡部处的压力p31是无法直接得到的。属于压力p31的是节流器横截面A，其描述了有效的涡轮机面积。二者通过质量流相互耦接并且与涡轮机调节器的位置相关。它们可以尤其从与新的涡轮机模型的测量数据适配中获得。
本发明提供了在废气质量流、经过涡轮机的压力比和用于废气涡轮增压器的涡轮机调节器位置之间的关联的改善的描述，其即便在马达控制软件的框架中被限制的资源（存储器、计算时间）的情况下也可以应用。通过考虑涡轮机壳体中的压力降的节流等式，能够实现在质量流、压力比和有效的涡轮机面积（根据涡轮机调节器的位置）之间的关联的改善的描述。尤其在此对经过涡轮机的小的压力比的范围以及涡轮机调节器的整个调节范围更准确地建模。此外，采用针对等熵指数
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
=9/7 =1.28的物理的正确值，即通过根据本发明的模型更好地检测物理的背景。
本发明尤其提供了一种可能性，在运行废气涡轮增压器时比迄今为止更加准确地确定在涡轮机入口和涡轮机出口之间的特别重要的参量涡轮机面积（A）和压力比（p4/p3）。
基于本发明的涡轮机模型尽管相对于迄今为止的现有技术更加复杂，但仍然可在具有被限制的计算时间的马达控制中进行评估，因为计算的耗费部分可以离线地实施。由此，计算链的逆转不受触动，即不仅p4 / p3—> A而且A —> p4 / p3都由同一个（离线-）数据集覆盖。
根据本发明的计算单元，例如机动车的控制器，尤其在程序技术上被设立用于实施根据本发明的方法。
所述方法以计算机程序的形式的执行也是有利的，因为这引起了特别小的费用，尤其当实施的控制器还用于其它任务时且因此无论如何都存在时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁性的、光学的和电的存储器，例如硬盘、闪速-存储器、EEPROMs、DVDs等等。经由计算机网络（因特网、以太网等）的程序下载也是可以的。
本发明的其它优点和设计方案从说明书和附图中给出。
本发明借助于实施例在附图中示意性示出并且下面参照附图进行描述。
附图说明
图1 示意性示出了具有缸和废气涡轮增压器的内燃机的截取部分。
图2 在示意性截面图中示出了具有可变的几何结构的废气涡轮增压器，具有在针对小的质量流的第一位置中的导向叶片（Leitschaufel）。
图3 在示意性截面图中示出了根据图2的废气涡轮增压器，具有在针对大的质量流的第二位置中的导向叶片。
具体实施方式
下面参照图1-3相关地描述示例性的内燃机，如内燃机可基于本发明那样，其中，相同的元件设有相同的附图标记。
在图1中示意性示出了内燃机的截取部分1，该内燃机具有缸或缸体（Zylinderblock）200和废气涡轮增压器100。缸体200具有用于输入新鲜空气的空气入口201和用于输出废气的废气弯管202。
废气涡轮增压器100具有涡轮机120和由该涡轮机驱动的压缩机110。向压缩机110输入新鲜空气10，由压缩机进入被压缩到增压压力并且经由可选的空气冷却器11向缸体200输入。在缸体200中以已知的方式燃烧燃料/空气混合物并且由此产生的废气经由废气弯管202向涡轮机120输入。
涡轮机120具有涡轮机壳体121和导向器124和涡轮叶片125，涡轮机壳体具有涡轮机入口121和涡轮机出口122，导向器布置在涡轮机入口和涡轮机出口之间并具有可调节的导向叶片。废气在涡轮机入口处在压力p3下进入到涡轮机壳体121中并且穿流涡轮机壳体121和导向器124，其中，压力在导向器和涡轮叶片之间的过渡部被节制（gedrosselt）到p31上，这有利地在本发明的框架中被考虑。在废气在涡轮机出口122处以压力p4离开（austritt）进入到排气系统（Auspuffsystem）12中之前，废气驱动涡轮叶片125。
在图2中在截面图中示出了涡轮机120，其中，导向器124的导向叶片处在第一位置中，在图3中处在第二位置中。在图2中涡轮机120具有比在图3中更小的有效的涡轮机面积A。导向叶片的位置可以借助于涡轮机调节器126改变，该涡轮机调节器以调节信号TV（这里占空比（Tastverhältnis））来操控。
根据在下面阐述的本发明的优选的实施方式，描述经过涡轮机120通过节流器（Drossel）的废气质量流dm/dt，该节流器仅负责压力比p31/p3。剩余的压力降p4被认为是（zuschreiben）涡轮机功率，其之后不再用于其它的质量流限制。
因为p3和p4是可容易测量的参量，但有利地压力比p31/p3应作为p4/p3的函数示出。作为边界条件p4/p3≤p31/p3≤1适用该函数。理想情况下该值范围通过仅一个具有同样被限制的值范围的函数参数覆盖。
Figure DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，即针对极限
Figure DEST_PATH_IMAGE042
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE044
无量纲的分配系数α如有效的涡轮机面积A是涡轮机调节器位置的函数。因此可以使节流等式以其两个参数α和A与真实的涡轮机的测量值进行适配。针对数据适配，如此重写（umschreiben）该等式，即最后评估“校正过的”质量流，其考虑T3和p3的影响。
Figure DEST_PATH_IMAGE046
针对
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE052
(当
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAA
=1.28时)
已被证明，该模型以相对偏差＜5%描述了针对所有的涡轮机调节器位置的测量值和压力比，这对应于明显改善的模型品质。
也在等熵指数（Isentropenexponent）的模型适配时有利地针对废气确定到
Figure DEST_PATH_IMAGE020_5A
=9/7，即
Figure DEST_PATH_IMAGE020_6A
不再是适配参量。
本发明也可以有利地根据下面描述的实施方式在软件或计算单元、如尤其车辆控制器中执行。为此首先借助于涡轮机的测量数据作为涡轮机调节器位置TV的函数来识别分配系数a和有效的涡轮机面积A。调节器特征曲线A（TV）是严格单调（monoton）的图像。为此其反转/逆转（Umkehrung/Invertierung）TV（A）也是可以的，从而总体上可示出分配系数a作为涡轮机面积的函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为了能够实现特别简单的执行，建议根据下面的等式针对压力比或标准化的有效的涡轮机面积引入无量纲的参量п和∑：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，分别具有值范围[0,..,1]。
Amax在此描述了一个标准化到A的常数，其描述了最大可能的涡轮机面积。
节流等式可以因此被变换（umformulieren）成：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
等式的左边可以在计算单元中容易地评估，因为其仅包含当前的运行点(dm/dt,、T3、p4)的状态参量以及常数(R、Amax)。
右边通过函数γ(∑, п)描述，通常给出一个自变量并且寻找另一个。也就是说常见的应用情况是：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
或
Figure DEST_PATH_IMAGE064
值范围γ是
Figure DEST_PATH_IMAGE066
。该未限制的范围针对仍待实施的逆转被证明是不可行的。上述的节流等式因此适宜地还经受转化：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
Γ具有值范围[0,..,1]并且在∑和п中是单调的。
因为自变量（Argument）п和∑具有被限制的值范围[0,..,1]，因此函数Γ可以事先针对所有的п和∑在希望的筛选（Rasterung）中计算且之后在软件或计算单元中保存在特征场中。
之后，在运行期间从当前的运行点的参量中求得目标值Γdes。
Figure DEST_PATH_IMAGE070
这样，增压压力调节的两种常见的应用情况可以如下来解决：
1.从给定的涡轮机面积Aset中确定压力比p4/p3:
从特征场Γ(∑, п)中提取特征曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
。
这对应于在面积Aset中的特征场截面。随后借助于特征曲线逆转来解决
Figure DEST_PATH_IMAGE076
。
因此求得п = p4/p3。
2.从给定的压力比пset= p4/p3中确定涡轮机面积A：
从特征场Γ(∑, п)中提取特征曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE078
。
这对应于在压力比p4/p3中的特征场截面。随后借助于特征曲线逆转来解决
Figure DEST_PATH_IMAGE080
。
因此求出
Figure DEST_PATH_IMAGE082
。
该解决方案可特别简单地转化，因为所应用的函数“在给定的自变量时将特征场简化成特征曲线”以及“特征曲线逆转”是常见的库函数（Bibliotheksfunktion），它们存在于马达控制-软件中。

Claims (12)

1.用于运行废气涡轮增压器的方法，该废气涡轮增压器具有布置在废气流中的涡轮机（120）和由该涡轮机驱动的压缩机（110），其中，该涡轮机（120）具有涡轮机壳体（123）和导向器（124）和涡轮叶片（125），所述涡轮机壳体具有涡轮机入口（121）和涡轮机出口（122），所述导向器布置在涡轮机入口和涡轮机出口之间并且具有用于改变涡轮机面积的可变的几何结构，
其中，为了所述运行，使用涡轮机入口中的废气质量流（dm/dt）、在涡轮机出口（122）和涡轮机入口（121）之间的压力比（p4/p3）以及用于设定涡轮机面积的涡轮机调节器位置之间的函数关联，该函数关联考虑在导向器（124）和涡轮叶片（125）之间的过渡部处的压力（p31）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
在导向器（124）和涡轮叶片（125）之间的过渡部处的压力（p31）以在导向器（124）和涡轮叶片（125）之间的过渡部处的压力（p31）和在涡轮机入口（121）处的压力（p3）之间的压力比（p31/p3）的形式被考虑。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
在导向器（124）和涡轮叶片（125）之间的过渡部处的压力（p31）和在涡轮机入口（121）处的压力（p3）之间的压力比（p31/p3）作为分配系数的函数被考虑。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，
在导向器（124）和涡轮叶片（125）之间的过渡部处的压力（p31）和在涡轮机入口（121）处的压力（p3）之间的压力比（p31/p3）作为分配系数的幂函数以涡轮机入口和涡轮机出口之间的压力比（p4/p3）为基础被考虑。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，
所述分配系数作为涡轮机面积的函数被考虑。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，
确定在涡轮机出口（122）和涡轮机入口（121）之间的涡轮机面积或压力比（p4/p3）。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，
使用特征场，涡轮机入口中的废气质量流（dm/dt）、在涡轮机入口和涡轮机出口之间的压力比（p4/p3）以及用于设定涡轮机面积的涡轮机调节器位置之间的函数关系关联基于该特征场。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
所述特征场通过一函数关联得出，在涡轮机入口和涡轮机出口之间的被标准化成最大面积的涡轮机面积和压力比（p4/p3）纳入该函数关联中。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，
压缩机（110）的增压压力被调节。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，
所述涡轮机面积被设定。
11.计算装置，其设立用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
12.机器可读的存储器介质，具有存储在其上的计算机程序，所述计算机程序促使该计算装置用于实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
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