CN111691986A - 用于调节和限制涡轮增压器的转速的方法 - Google Patents

用于调节和限制涡轮增压器的转速的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于调节和限制涡轮增压器的转速的方法，具体而言用于调节与压缩机(101)处于有效连接中的涡轮增压器(100)的转速的方法，包括如下步骤：1) 基于基于模型的用于计算涡轮增压器(100)前面的理论增压(Psoll)的预控制(Mp)提供用于涡轮增压器(100)的转速(N)的理论值(Nsoll)，2) 确定用于涡轮增压器(100)的转速(N)的实际值(Nist)，3) 操控涡轮增压器(100)的执行机构(S)，以便于平衡用于涡轮增压器(100)的转速(N)的理论值(Nsoll)与实际值(Nist)之间的差异。

Description

用于调节和限制涡轮增压器的转速的方法
技术领域
接下来的本发明涉及一种根据独立的方法权利要求的用于在涡轮增压器的运行中调节调节量的方法。此外，本发明涉及一种根据独立的产品权利要求所述的计算机程序产品。
背景技术
已知一种涡轮增压器，其布置在内燃机的废气流动方向的下游，以便于将废气的热的热能和动能转换成机械功率。该机械功率又可用于使将燃烧空气提供到内燃机处的压缩机运行。发动机工作地越快，涡轮增压器旋转地越快。涡轮增压器旋转地越快，则压缩器输送更多的空气，这又通过增长的废气量使涡轮增压器加速。在确定的转速的情况中，涡轮增压器然而达到负载极限，也就是说最大可允许的转速，这可导致涡轮增压器的机械损坏，例如高摩擦和/或热损坏，例如过热。
出于该原因，涡轮增压器大多数利用在涡轮增压器的运行中的调节量的调节来运行，其实现的是，涡轮增压器在低的废气流的情况中提供足够的功率，并且在高转速的情况中尽可能不超过其负载极限。在已知的调节方法的情况中，将涡轮增压器前面的增压(更确切地说，压缩机的增压)作为在涡轮增压器的运行中的调节量来调节。在此，发动机控制设备借助于基于模型的预控制来计算压缩机的理论增压。在涡轮增压器前面(或在压缩机的增压侧上)的压力传感器测量涡轮增压器前面的当前的实际增压。增压的调节因此如此操控涡轮增压器的执行机构来平衡在涡轮增压器前面的理论增压与实际增压之间的差异。但是在增压的调节的情况下如下已证实为不利的，即涡轮增压器不可靠地被保护以防超过其负载极限。
发明内容
因此，本发明的目的在于，在用于调节在涡轮增压器的运行中的调节量的方法的情况中至少部分克服前述缺点。尤其地，本发明的目的在于，提供一种用于调节在涡轮增压器的运行中的调节量、尤其涡轮增压器的转速的方法，其可简单地以少的耗费且以少的计算功率来实施，以便于可靠地驱动涡轮增压器且可靠地保护涡轮增压器以防超过其负载极限。此外，本发明的目的是提供一种用于使压缩机运行的相应的涡轮增压器。此外，本发明的目的是提供一种相应的计算机程序产品。
根据本发明的目的通过根据独立方法权利要求的用于调节且尤其限制涡轮增压器的转速的方法来实现。此外，根据本发明的目的通过根据独立的装置权利要求的用于使压缩机运行的涡轮增压器来实现。此外，根据本发明的目的通过根据独立的产品权利要求的计算机程序产品来实现。
本发明设置用于实现如下目的，即用于调节其尤其限制与压缩机处于有效连接的涡轮增压器的转速的方法，包括如下步骤：
1) 基于基于模型的用于计算在涡轮增压器前面的理论增压的预控制来提供用于涡轮增压器的转速的理论值，也就是说借助于用于计算在涡轮增压器前面的理论增压的基于模型的预控制和将涡轮增压器前面的理论增压换算成用于涡轮增压器的转速的理论值，
2)确定用于涡轮增压器的转速的实际值，
3)操控涡轮增压器的执行机构(在汽油发动机的情况中可将废气门或可调节的导叶并且在柴油发动机的情况中可将可调节的导叶用作执行机构)，以便于平衡用于涡轮增压器的转速的理论值与实际值之间的差异。
本发明在此认知到，在增压的调节的情况中不考虑或至少不以足够的程度考虑涡轮增压器的负载极限、也就是说涡轮增压器的最大可允许的转速。基于模型的预控制包括用于计算在涡轮增压器前面的理论增压(更确切地说压缩机的理论增压)的数学模型。该数学模型基于已知的欧拉涡轮主方程。在涡轮增压器之前的理论增压在此可例如计算以用于涡轮增压器的期望功率。
在此，本发明思想在于，涡轮增压器的转速且不是涡轮增压器的增压被用作在调节在涡轮增压器的运行中的调节量的情况中的调节量。在此，可直接考虑或换句话说一同调节涡轮增压器的最大可允许的转速，例如作为用于涡轮增压器的转速的最大可调整的理论值。为了获得用于涡轮增压器的转速的理论值，由已知的基于模型的预控制来计算涡轮增压器之前的理论增压，并且换算成用于涡轮增压器的转速的理论值。此外，确定用于涡轮增压器的转速的实际值。在本发明的意义中，确定意味着计算或检测，其中，检测可表示测量和/或感测。用于涡轮增压器的转速的实际值可例如利用相同的模型或换句话说利用相同的强化系数由检测到的实际增压来换算，如用于涡轮增压器的转速的理论值。此外，可设想的是，用于涡轮增压器的转速的实际值可被简单地测量和/或感测。基于模型的预控制基于理论增压并且计算用于执行机构的理论位置。理论增压由此可理解成输入量。
此外，本发明在用于调节涡轮增压器的转速的方法的情况中可设置成，在步骤1)中在提供用于涡轮增压器的转速的理论值的情况中实现用于涡轮增压器的转速的理论值限制(Sollwertbegrenzung，有时称为理论值限界)。在此以有利的方式可将涡轮增压器的最大可允许的转速考虑为极限值。通过考虑理论涡轮增压器转速有利地存在如下可能性，即通过机械极限值覆盖(deckeln)基于压力的值，使得调节器在达到该极限的情况中可准确地调节到该极限值上。这确保，极限值不仅动态地而且静态地呈现瞬时极限(Momentengrenze)。
此外，本发明在用于调节涡轮增压器的转速的方法的情况中可设置成，在步骤2)中检测用于涡轮增压器的转速的实际值，也就是说，测量和/或感测。为此可设置转速传感器。由此可在转速调节段(Drehzahlregelstrecke，有时称为转速受控系统)的情况中实现对涡轮增压器的实际转速值的直接考虑。此外可由此在理论值限制的情况中以特别的程度一同调节涡轮增压器的实际转速。在涡轮增压器的情况中的长时影响，如涡轮增压器的并非通过基于模型的预控制可形成的污染或磨损可通过涡轮增压器的实际转速值的一同调节被考虑到。此外，本发明在用于调节涡轮增压器的转速的方法的情况中可设置成，在步骤2)中借助于由涡轮增压器的检测到的实际增压的换算来提供涡轮增压器的转速的实际值。有利地，可类似于用于涡轮增压器的转速的理论值优选地借助于相同的换算或利用相同的强化系数来计算涡轮增压器的转速的实际值。为此可如同在现存的调节的情况中那样使用相同的软件和/或硬件。
此外，本发明在用于调节涡轮增压器的转速的方法的情况中可设置成，在步骤1)和在步骤2)中在涡轮增压器的运行中使用相同的数学模型和/或相同的参数。以该方式可调整穿过涡轮增压器的压力路径中的一致性。
根据本发明的另一优点，可在步骤1)和/或步骤2)中使用至少一个热动力量作为涡轮增压器的运行中的参数，如压缩机前面的温度、压缩机前面的压力和/或穿过压缩机的抽吸空气的质量流。由此可考虑在涡轮增压器的运行中的实际状况，其可影响涡轮增压器的增压和/或转速。
此外，通过用于使压缩机运行的涡轮增压器来实现根据本发明的目的，所述涡轮增压器可用于将燃烧空气提供到内燃机处。涡轮增压器根据本发明具有控制单元，其实施成用于根据可如上述所实施的那样的方法来调节涡轮增压器的运行。控制单元可在此在内燃机的发动机控制设备中或作为涡轮增压器的单独的控制单元来实行。借助于根据本发明的涡轮增压器可实现以上结合根据本发明的方法说明的相同的优点。当前全面参考该优点。
此外，本发明为了实现目的设置计算机程序产品，其可储存在上述控制单元的储存单元中，并且其在至少部分实施的情况中在控制单元的计算单元中执行如下方法，其可如上述那样进行。同样，借助于根据本发明的计算机程序产品可实现以上结合根据本发明的方法说明的相同的优点。当前同样全面参考所述优点。
附图说明
另外的改善本发明的措施接下来利用本发明的优选的实施例的说明根据附图来更详细示出。在此，在权利要求书中和在说明书中提到的特征可分别单独本身地或以任意组合的方式对于本发明是重要的。在此须注意的是，附图仅仅具有起说明作用的特征并且不应被认为是以某种形式限制本发明。其中：
图1显示了在涡轮增压器的运行中的调节量的已知的调节的示意性流程图，在其中涡轮增压器的增压被调节成调节量，
图2显示了根据本发明的可能的实施形式的在涡轮增压器的运行中的调节量的根据本发明的调节的示意性流程图，在其中涡轮增压器的转速被调节为调节量，
图3显示了根据本发明的另一可能的实施形式的在涡轮增压器的运行中的调节量的根据本发明的调节的示意性流程图，在其中涡轮增压器的转速被调节为调节量，
图4显示了在本发明的范畴中将涡轮增压器的增压换算成涡轮增压器的转速的示意性解释，
图5显示了用于已知的调节的图表，以及
图6显示了用于根据本发明的调节的图表。
附图标记清单
100涡轮增压器
101压缩机
10控制单元
10*发动机控制设备
11储存单元
12计算单元
K特征曲线
Mp基于模型的预控制
N转速
Nsoll用于转速的理论值
Nist用于转速的实际值
Nmax最大可允许的转速
P增压
Psoll理论增压
Pist实际增压
PvV在压缩机前面的压力
Pref参考压力
R调节器
S执行机构
TvV在压缩机前面的温度
Tref参考温度
dm/dt质量流
Upn增压到转速的换算。
具体实施方式
在不同的图中，本发明的相同的特征始终设有相同的附图标记，因此其通常仅一次说明。
图1示意性地显示了在涡轮增压器100的运行中的调节量的已知的调节的原理，在其中，涡轮增压器100的增压P被调节为调节量。
调节的目的在于，涡轮增压器100在低的废气流的情况中提供足够的功率并且在高的转速的情况中尽可能不超过其负载极限、尤其其最大可允许的转速N。
如在图1中示出的那样，在已知的增压调节的情况中，发动机控制设备10*借助于基于模型的预控制Mp计算在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll。基于模型的预控制Mp基于已知的欧拉涡轮主方程。
在涡轮增压器100之前的压力传感器测量在涡轮增压器100之前的当前理论增压Pist。压力传感器总是布置在压缩机101的下游。压力传感器可在此定位在压缩机101的通道之后的相应的内燃机的新鲜空气侧上或定位在涡轮增压器100的执行机构之前的内燃机的废气侧上。
增压P的调节R因此如此操控涡轮增压器100的执行机构S，以便于平衡在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll与实际增压Pist之间的差异。执行机构S的调整位置在此被用作调整量。
本发明认知到，在增压P的调节R的情况中未可靠地保护涡轮增压器100以防超过其负载极限，因为涡轮增压器100的最大可允许的转速Nmax在此不被考虑或未以足够的程度被考虑。
图2和图3示意性地显示了根据本发明用于调节且尤其限制与压缩机101处于有效连接中的涡轮增压器100的转速N的方法的流程，包括如下步骤：
1)基于基于模型的用于计算在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll的预控制Mp提供用于涡轮增压器100的转速N的理论值Nsoll，也就是说借助于用于计算在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll的基于模型的预控制Mp和在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll到用于涡轮增压器100的转速N的理论值Nsoll的换算Upn，
2)确定用于涡轮增压器100的转速N的实际值Nist，
3)操控涡轮增压器100的执行机构S，以便于平衡用于涡轮增压器100的转速N的理论值Nsoll和实际值Nist之间的差异。
本发明提出，涡轮增压器100的转速N且不是在涡轮增压器100之前的增压P在调节在涡轮增压器100的运行中的调节量的情况中被用作调节量。在此，可直接将涡轮增压器100的最大可允许的转速Nmax考虑或换句话说一同调节为例如用于涡轮增压器100的转速N的最大可调整的理论值Nsoll。为了获得用于涡轮增压器100的转速N的理论值Nsoll，由已知的基于模型的预控制Mp计算在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll，并且换算成用于涡轮增压器100的转速N的理论值Nsoll(换算可在接下来在图4中看到)。
此外，确定用于涡轮增压器100的转速N的实际值Nist(也就是说如图2示出的那样计算，或者如图3示出的那样检测)。用于涡轮增压器100的转速N的实际值Nist可在图2的示例中以与用于涡轮增压器100的转速N的理论值Nsoll相同的模型或以相同的强化系数由检测到的实际增压Pist来换算。在图3的示例中示出了本发明的另一设计方案，根据其检测也就是说测量和/感测用于涡轮增压器100的转速N的实际值Nist。
有利地，可在步骤1)中在提供用于涡轮增压器100的转速N的理论值Nsoll的情况中实现用于涡轮增压器100的转速N的理论值限制，在其中将涡轮增压器100的最大可允许的转速Nmax考虑为极限值。通过转速N的调节有利地存在如下可能性，即通过机械极限值覆盖转速N的基于压力的值，使得调节器R可在到达该极限的情况中准确地调节到该极限值上。
根据图2可设想的是， 在步骤1)和在步骤2)中在涡轮增压器100的运行中使用相同的数学模型和/或相同的(热动力)参数。数学模型和所用的参数借助于图4来解释。
如图4所示，在将增压P换算Upn成涡轮增压器100的增压转速N的情况中使用接下来的热动力量作为涡轮增压器100的运行中的参数：在压缩机101之前的压力PvV，穿过压缩机101的抽吸空气的质量流dm/dt以及在压缩机101之前的TvV之前的温度。如在图4中示出的那样，该参数经由用于涡轮增压器100的转速N的特征曲线K流入。
图5此外显示了用于接下来的量的曲线：1) 涡轮增压器100的极限转速或最大可允许的转速Nmax。2)用于涡轮增压器100的当前转速N或用于涡轮增压器100的转速Nsit的实际值Nist，3)用于执行机构S的位置的预控制值，4)执行机构S的调整位置，5)在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll和 6)在已知的增压调节的范畴中的涡轮增压器100之前的实际增压Pist。在此，在图5的下面画圈的区域中一方面识别出，增压调节的目的是在涡轮增压器100前面的理论增压Psoll和实际增压Pist之间进行快速均衡。如图5的上部画圈区域中所示，这以涡轮增压器100的当前转速Nist（或转速N的实际值Nist）为代价发生，在此其超过了其最大可允许的转速Nmax。 在此，可识别出，执行机构S在增压调节的情况中打开得相当晚。
现在图6显示了用于接下来的量的曲线：1)涡轮增压器100的极限转速或最大可允许的转速Nmax，2)用于涡轮增压器100的当前转速或转速Nist的实际值Nist，3)用于执行机构S的位置的预控制值，4)执行机构S的调整位置，5)在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll以及6)在根据本发明的转速调节的范畴中的在涡轮增压器100之前的实际增压Pist。
如在图6中可识别的那样，现在显示第七个量，即7)用于涡轮增压器100的根据本发明直接被调节的转速N的理论转速Nsoll或理论值Nsoll。在此，在图6的上面画圈的区域中可识别出，用于涡轮增压器Nsoll的理论转速Nsoll或用于转速N的理论值Nsoll不超过最大可允许的转速Nmax。在图6的下面画圈的区域中可识别出，在涡轮增压器100之前的理论增压Psoll和实际增压Pist之间实现比在图5中更缓慢的均衡。此外，在图6中可识别出，执行机构S在增压调节的情况中比在图5中打开地更早。
根据图5和6此外可识别出，两种调节方法的行为在准静态区域中(在图5和6两者的右边远侧)保持不变。
可以根据方法运行的涡轮增压器100是除了该方法之外本发明的另一方面。如在图2和3中所示，涡轮增压器100根据本发明具有控制单元10，其实施成用于相应地调节涡轮增压器100。在此，可设想的是，控制单元10可构造在内燃机的发动机控制设备10*中或构造成涡轮增压器100的单独的控制单元10。在控制单元10中设置有储存单元11，在其中可存储计算机程序产品，其在至少部分实施的情况中在控制单元10的计算单元12中执行可如以上说明的那样进行的方法。
附图的以上说明仅在示例的范畴中说明了本发明。当然，如果在技术上有意义，可以在不脱离本发明的范畴的情况下将实施形式的各个特征彼此自由地组合。

Claims (8)

1.一种用于调节与压缩机(101)处于有效连接中的涡轮增压器(100)的转速的方法，包括如下步骤：
1)基于基于模型的用于计算在所述涡轮增压器(100)之前的理论增压(Psoll)的预控制(Mp)来提供用于所述涡轮增压器(100)的转速(N)的理论值(Nsoll)，
2)确定用于所述涡轮增压器(100)的转速(N)的实际值(Nist)，
3)操控所述涡轮增压器(100)的执行机构(S)，以便于平衡用于所述涡轮增压器(100)的转速(N)的理论值(Nsoll)与实际值(Nist)之间的差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中在提供用于所述涡轮增压器(100)的转速(N)的理论值(Nsoll)的情况中实现用于所述涡轮增压器(100)的转速(N)的理论值限制。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中检测用于所述涡轮增压器(100)的转速(N)的实际值(Nist)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中借助于由检测到的实际增压(Pist)的换算来提供用于所述涡轮增压器(100)的转速(N)的实际值(Nist)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中和所述步骤2)中使用在涡轮增压器(100)的运行中的相同的数学模型和/或相同的参数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)和/或所述步骤2)中使用至少一个热动力量作为在所述涡轮增压器(100)的运行中的参数，如在所述压缩机(101)前面的温度(TvV)，在所述压缩机(101)前面的压力(PvV)和/或穿过所述压缩机(101)的抽吸空气的质量流(dm/dt)。
7.一种用于使压缩机(101)运行的涡轮增压器(100)，具有控制单元(10)，其实施成用于按照根据前述权利要求中任一项所述的方法来调节所述涡轮增压器(100)的运行。
8.一种计算机程序产品，其可存储在根据前述权利要求所述的控制单元(10)的储存单元(11)中，并且其在至少部分实施的情况中在所述控制单元(10)的计算单元(12)中执行根据前述权利要求1至7中任一项所述的方法。
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