DE102005062681B4 - Method for determining an upper limit of the pressure of a gas upstream of a flow element, and a computer program and a control device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung eines oberen Grenzwertes (p) eines Druckes (p) eines Gases stromauf eines Strömungselementes (7, 8, 10, 11, 12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des Druckes stromauf des Strömungselementes (p) aus Zustandsgrößen des Gases (p, T) stromab des Strömungselementes (7, 8, 10, 11, 12, 13) sowie einer durch das Strömungselement (7, 8, 10, 11, 12, 13) bewirkten Zustandsänderung (Δp, ΔT) des Gases ermittelt wird.Method for determining an upper limit value (p) of a pressure (p) of a gas upstream of a flow element (7, 8, 10, 11, 12, 13), characterized in that the limit value of the pressure upstream of the flow element (p) from state variables of the Gas (p, T) downstream of the flow element (7, 8, 10, 11, 12, 13) and a change in state (Δp, ΔT) of the gas caused by the flow element (7, 8, 10, 11, 12, 13) becomes.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines oberen Grenzwertes eines Druckes eines Gases stromauf eines Strömungselementes sowie ein Computerprogramm und ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for determining an upper limit value of a pressure of a gas upstream of a flow element, and to a computer program and a control device for carrying out the method.
Im Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen mit einer zweistufigen Aufladung bekannt, dabei sind zwei Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine in Reihe geschaltet. Handelt es sich um Turbolader, so sind entsprechend im Abgastrakt zwei Turbinen in Reihe geschaltet. Diese arbeiten das zur Verfügung stehende Enthalphiegefälle nacheinander ab. Die beiden Turbinenstufen werden in Hochdruck- und Niederdruckturbine unterschieden, die Hochdruckturbine ist in Stromrichtung des Abgases vor der Niederdruckturbine angeordnet, ist also unmittelbar am Motoraustritt der Brennkraftmaschine angeordnet. Statt zwei Turbinen können hier prinzipiell auch mehr als zwei Turbinen verwendet werden. In der Regel werden steuerbare Abgasturbinen verwendet, die beispielsweise aus einer Parallelschaltung einer ungesteuerten Abgasturbine mit einem steuerbaren Bypassventil oder einer Turbine mit einer verstellbaren Turbinengeometrie, z. B. mit verstellbaren Leitgittern, oder einer Kombination aus beidem bestehen. Auf diese Weise kann die von jeder Turbine in mechanische Energie umgesetzte Enthalpie des Abgases gesteuert werden, es kann also gesteuert werden, wie viel Arbeit bzw. Leistung die Turbine dem Abgas entnimmt. Da der Umgebungsdruck am Ausgang der Abgasanlage dem atmosphärischen Umgebungsdruck entspricht hat eine Veränderung der Leistungsentnahme durch die Abgasturbinen eine Änderung des Abgasdruckes und der Abgastemperatur am Eingang der Hochdruckturbine zur Folge. Dieser Abgasdruck entspricht dem Abgasdruck am Motoraustritt, also dem unmittelbar an oder nach den Auslassventilen in der Abgasanlage, meist ist dies ein Abgaskrümmer, der die Abgase mehrerer Zylinder zusammenführt, vorliegenden Druck. Eine Änderung der Leistungsentnahme der Turbinen, insbesondere der Hochdruckturbine, aus dem Abgas hat somit eine Veränderung von Temperatur und Druck am Motoraustritt zur Folge. Der Druck am Motoraustritt wird zunächst über die Öffnungszeiten der Gaswechselventile, also der Einlass- und Auslassventile sowie die Druckverhältnisse vor, während und nach der Verbrennung in der Brennkraftmaschine und damit z. B. durch Zündzeitpunkt, Einspritzmenge, Einspritzverlauf und Einspritzzeitpunkt gesteuert. Für einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine kann jeweils ein maximaler Abgasdruck am Motoraustritt angegeben werden, bei dem eine für den Betriebspunkt gewünschte oder notwendige Gaswechselrate erreicht wird. Der zulässige Abgasdruck am Motoraustritt hängt dabei unter anderem davon ab, ob ein vollständiger Gaswechsel im Zylinder erreicht werden soll oder ob beispielsweise eine innere Abgasrückführung bewirkt werden soll, indem kein vollständiger Gasaustausch in der Ausstoßphase der Brennkraftmaschine erlaubt wird. Der zulässige Abgasdruck am Motoraustritt ist somit für einen beliebigen Betriebspunkt durch die Brennkraftmaschine selbst vorgegeben. Das abarbeitbare Enthalpiegefälle und damit die Leistungsentnahme der Abgasturbinen, insbesondere der Hochdruckturbine, ist demzufolge so zu wählen, dass der maximale Abgasdruck am Motoraustritt nicht überschritten wird. Des Weiteren muss die Leistungsentnahme so eingestellt werden, dass eine maximale Turbinenleistung dynamisch nicht überschritten wird um die mechanische Belastung (z.B. durch Überdrehzahl) des Turboladers hinsichtlich Dauerhaltbarkeit zu begrenzen.In the prior art, internal combustion engines with a two-stage supercharging are known, two compressors being connected in series in the intake tract of an internal combustion engine. If turbochargers are involved, two turbines are connected in series in the exhaust system. These work through the available enthalpy gradient one after the other. The two turbine stages are differentiated into high-pressure and low-pressure turbines; the high-pressure turbine is arranged in the flow direction of the exhaust gas upstream of the low-pressure turbine, and is therefore arranged directly at the engine outlet of the internal combustion engine. In principle, instead of two turbines, more than two turbines can be used. In general, controllable exhaust gas turbines are used, for example, from a parallel connection of an uncontrolled exhaust gas turbine with a controllable bypass valve or a turbine with an adjustable turbine geometry, for. B. with adjustable baffles, or a combination of both. In this way, the enthalpy of the exhaust gas converted into mechanical energy by each turbine can be controlled, ie it can be controlled how much work or power the turbine takes from the exhaust gas. Since the ambient pressure at the outlet of the exhaust system corresponds to the atmospheric ambient pressure, a change in the power consumption by the exhaust gas turbines results in a change in the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature at the inlet of the high-pressure turbine. This exhaust gas pressure corresponds to the exhaust gas pressure at the engine outlet, that is to say the pressure present immediately on or after the exhaust valves in the exhaust system, usually an exhaust manifold that brings together the exhaust gases of several cylinders. A change in the power consumption of the turbines, in particular the high-pressure turbine, from the exhaust gas thus results in a change in temperature and pressure at the engine outlet. The pressure at the engine outlet is first of all determined by the opening times of the gas exchange valves, i.e. the intake and exhaust valves, and the pressure conditions before, during and after combustion in the internal combustion engine and thus, for. B. controlled by ignition timing, injection quantity, injection process and injection timing. A maximum exhaust gas pressure at the engine outlet can be specified for an operating point of the internal combustion engine, at which a gas exchange rate desired or necessary for the operating point is achieved. The permissible exhaust gas pressure at the engine outlet depends, among other things, on whether a complete gas change in the cylinder is to be achieved or whether, for example, an internal exhaust gas recirculation is to be effected by not allowing complete gas exchange in the exhaust phase of the internal combustion engine. The permissible exhaust gas pressure at the engine outlet is thus predetermined by the internal combustion engine itself for any operating point. The workable enthalpy gradient and thus the power consumption of the exhaust gas turbines, in particular the high-pressure turbine, must therefore be selected so that the maximum exhaust gas pressure at the engine outlet is not exceeded. Furthermore, the power consumption must be set so that a maximum turbine output is not dynamically exceeded in order to limit the mechanical load (e.g. due to overspeed) of the turbocharger with regard to durability.
Die
Probleme des Standes der TechnikPrior Art Problems
Im Stand der Technik ist kein Verfahren und keine Vorrichtung bekannt, die eine Begrenzung des Abgasdruckes am Motoraustritt für eine mehrstufige Abgasturbine bereitstellen. Insbesondere gilt dies für dynamische Betriebszustände wie transienten Vorgängen, also Lastwechseln, Betriebspunktwechseln, Betriebsbereichswechseln usw., bei denen sich die Zustände der Turbolader stark von stationären Betriebszuständen unterscheiden können.No method and no device is known in the prior art which provide a limitation of the exhaust gas pressure at the engine outlet for a multi-stage exhaust gas turbine. This applies in particular to dynamic operating states such as transient processes, i.e. load changes, operating point changes, operating range changes, etc., in which the states of the turbochargers can differ greatly from stationary operating states.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine Bestimmung eines oberen Grenzwertes des Abgasdruckes einer Brennkraftmaschine stromauf einer steuerbaren Abgasturbine ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device which enable an upper limit value of the exhaust gas pressure of an internal combustion engine to be determined upstream of a controllable exhaust gas turbine.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines oberen Grenzwertes eines Druckes eines Gases stromauf eines Strömungselementes, wobei der Grenzwert des Druckes stromauf des Strömungselementes aus Zustandsgrößen des Gases stromab des Strömungselementes sowie einer durch das Strömungselement bewirkten Zustandsänderung des Gases ermittelt wird. Die durch das Strömungselement bewirkte Zustandsänderung ist insbesondere die zwischen unmittelbar stromauf des Strömungselementes und unmittelbar stromab des Strömungselementes beobachtbare thermodynamische Zustandsänderung. Stromauf bezeichnet die Richtung entgegen der Strömungsrichtung des Gases, stromab bezeichnet die Richtung in Strömungsrichtung des Gases.This problem is solved by a method for determining an upper limit value of a pressure of a gas upstream of a flow element, the limit value of the pressure upstream of the flow element being determined from state variables of the gas downstream of the flow element and a change in state of the gas caused by the flow element. The change in state brought about by the flow element is in particular the thermodynamic change in state that can be observed between immediately upstream of the flow element and immediately downstream of the flow element. Upstream denotes the direction opposite to the flow direction of the gas, downstream denotes the direction in the flow direction of the gas.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zustandsgrößen des Abgases stromab des Strömungselementes der Druck und die Temperatur des Gases sind, entsprechend ist die Zustandsänderung die über das Strömungselement bewirkte Änderung von Druck und Temperatur des Gases. Diese werden vorzugsweise nicht gemessen, sondern aus einem Zustandsmodell des Strömungselementes, bei einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine beispielsweise kann das Zustandsmodell auch die gesamte Abgasanlage von Motoraustritt bis Auslass der Abgase in die Umgebung ermittelt. Das Zustandsmodell ist eine Modellierung als Regelstrecke, bei der Eingangsgrößen wie insbesondere Druck und Temperatur des Gases mit Ausgangsgrößen, die wiederum insbesondere Temperatur und Druck des Gases sind, mit der dazwischen vorgenommenen Zustandsänderung verknüpft werden.It is preferably provided that the state variables of the exhaust gas downstream of the flow element are the pressure and the temperature of the gas; accordingly, the change in state is the change in pressure and temperature of the gas brought about by the flow element. These are preferably not measured, but from a state model of the flow element, in an exhaust system of an internal combustion engine, for example, the state model can also determine the entire exhaust system from the engine outlet to the outlet of the exhaust gases into the environment. The state model is a model as a controlled system, in which input variables such as, in particular, the pressure and temperature of the gas are linked to output variables, which in turn are, in particular, the temperature and pressure of the gas, with the state change that is carried out in between.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aufgrund der dynamischen Zustandsänderungen der Druck und die Temperatur des Gases stromab des Strömungselementes iterativ ermittelt werden. Es wird also eine Schleife durchlaufen, bei der von einem beliebig gewählten Ausgangswert für Druck und Temperatur ausgehend in einer Schleife immer wieder neue Werte für Druck und Temperatur ermittelt werden. Die Schleife wird vorzugsweise in vorgegebenen Zeitabständen, beispielsweise 20 Millisekunden, durchlaufen, so dass mit jedem Schleifendurchlauf ein neuer Grenzwert des Druckes des Gases stromauf des Strömungselementes zur Verfügung steht. Unter Iteration wird hier nicht ein Rechenverfahren verstanden, bei dem ein Schleifendurchlauf nach Erreichen eines Abbruchkriteriums abgebrochen wird, sondern ein Rechenverfahren, das ohne Abbruchkriterium dauerhaft durchlaufen wird.It is preferably provided that the pressure and the temperature of the gas downstream of the flow element are determined iteratively based on the dynamic changes in state. A loop is thus run through, in which, starting from an arbitrarily selected initial value for pressure and temperature, new values for pressure and temperature are repeatedly determined in a loop. The loop is preferably run through at predetermined time intervals, for example 20 milliseconds, so that a new limit value of the pressure of the gas upstream of the flow element is available with each loop run. Iteration here is not to be understood as a computing method in which a loop pass is terminated after an abort criterion has been reached, but rather a computing method that is carried out continuously without an abort criterion.
Vorzugsweise umfasst die Iteration die Schritte
- -Bestimmen eines Startwertes für den Druck und eines Startwertes für die Temperatur des Gases stromab des Strömungselementes;
- -Ermitteln der Dichten des Gases stromauf und stromab des Strömungselementes aus dem Wert für Druck den und dem Wert für die Temperatur des Gases stromab des Strömungselementes;
- -Ermitteln des effektiven Strömungsquerschnittes des Strömungselementes aus dem Wert für Druck den und dem Wert für die Temperatur des Gases stromab des Strömungselementes;
- -Ermitteln eines neuen Wertes für den Druck stromab des Strömungselementes aus den Dichten des Gases stromauf und stromab des Strömungselementes sowie des effektiven Strömungsquerschnittes des Strömungselementes;
- -Ermitteln eines neuen Wertes für die Temperatur stromab des Strömungselementes aus dem Druck stromab sowie stromauf des Strömungselementes.
- Determining a starting value for the pressure and a starting value for the temperature of the gas downstream of the flow element;
- Determining the densities of the gas upstream and downstream of the flow element from the value for the pressure and the value for the temperature of the gas downstream of the flow element;
- Determining the effective flow cross section of the flow element from the value for the pressure and the value for the temperature of the gas downstream of the flow element;
- Determining a new value for the pressure downstream of the flow element from the densities of the gas upstream and downstream of the flow element and the effective flow cross section of the flow element;
- -Determining a new value for the temperature downstream of the flow element from the pressure downstream and upstream of the flow element.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Strömungselement eine steuerbare Abgasturbine umfasst. Weiter vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Strömungselement eine steuerbare Hochdruckturbine in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine umfasst. Weiter vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das Strömungselement eine Niederdruckturbine in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine umfasst. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Temperatur des Gases stromauf des Strömungselementes mit einem Modell der Brennkraftmaschine ermittelt wird. In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass das Strömungselement eine steuerbare Hochdruckturbine, insbesondere Hochdruckturbine mit Hochdruckturbinen-Bypassventil ist, der stromab eine steuerbare Niederdruckturbine, insbesondere Niederdruckturbine mit einem Niederdruckturbinen-Bypassventil, nachgeordnet ist, wobei der Grenzwert des Druckes stromauf des Strömungselementes der grenzwert des Drucks stromauf der steuerbaren Hochdruckturbine und der Druck stromab des Strömungselementes der Druck stromab der steuerbaren Hochdruckturbine und die Temperatur stromab des Strömungselementes die Temperatur stromab der steuerbaren Hochdruckturbine ist.It is preferably provided that the flow element comprises a controllable exhaust gas turbine. It is further preferably provided that the flow element comprises a controllable high-pressure turbine in an exhaust system of an internal combustion engine. It can further advantageously be provided that the flow element comprises a low-pressure turbine in an exhaust system of an internal combustion engine. It is preferably provided that the temperature of the gas upstream of the flow element is determined using a model of the internal combustion engine. In a preferred embodiment it is provided that the flow element is a controllable high-pressure turbine, in particular high-pressure turbine with high-pressure turbine bypass valve, which is arranged downstream of a controllable low-pressure turbine, in particular low-pressure turbine with a low-pressure turbine bypass valve, the limit value of the pressure upstream of the flow element being the limit value of the Pressure upstream of the controllable high-pressure turbine and the pressure downstream of the flow element is the pressure downstream of the controllable high-pressure turbine and the temperature downstream of the flow element is the temperature downstream of the controllable high-pressure turbine.
Das Gas ist in diesem Fall insbesondere ein Abgas der Brennkraftmaschine. Zustandsänderungen werden insbesondere hervorgerufen durch die steuerbare Abgasturbine (bzw. durch mehrere steuerbare Abgasturbinen in einem mehrstufigen Prozess). Die Zustandsänderung des Abgases durch die steuerbare Abgasturbine kann aus der aktuellen Turbinenleistung, die z.B. aus der abgegebenen mechanischen Leistung, wie z. B. der Wellenleistung der Turbine ermittelt wird, ermittelt werden. In das Zustandsmodell der Abgasanlage gehen insbesondere ein Abgasdruck am Motoraustritt und/oder eine Abgastemperatur am Motoraustritt und/oder ein Öffnungsquerschnitt eines Bypassventils ein. Die Temperatur des Abgases am Motoraustritt der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise aus einem Modell der Brennkraftmaschine ermittelt. Dieses Modell ist im Stand der Technik bekannt und vorzugsweise in einem Steuergerät für die Brennkraftmaschine implementiert. Unter Motoraustritt wird die Abgasanlage unmittelbar nach den Auslassventilen einer Viertakt-Brennkraftmaschine bzw. dem Auslasskanal aus dem Zylinder einer Zweitakt-Brennkraftmaschine verstanden. Die steuerbare Abgasturbine kann beispielsweise eine Abgasturbine mit einem parallel geschalteten Bypassventil oder eine Abgasturbine mit verstellbarer Turbinengeometrie, wie z.B. einem verstellbaren Leitgitter, oder einer Kombination aus beidem sein. Die Abgasturbine kann eine einzelne Turbinenstufe in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine sein, ist vorzugsweise aber eine Hochdruckturbine einer zweistufigen Abgasturbinenanlage, der ein steuerbares Hochdruckturbinen-Bypassventil parallel geschaltet ist. Der Hochdruckstufe ist in diesem Fall eine Niederdruckstufe, die ebenfalls eine steuerbare Abgasturbine als Niederdruck-Abgasturbine mit parallelem Niederdruckturbinen-Bypassventil umfassen kann, nachgeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann auch bei der Niederdruckstufe verwendet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen oberen Grenzwert des Abgasdruckes am Motoraustritt der Brennkraftmaschine zur weiteren Nutzung in einem Regelkreis für die Regelung der steuerbaren Abgasturbine bereitzustellen.In this case, the gas is, in particular, an exhaust gas from the internal combustion engine. State changes are caused in particular by the controllable exhaust gas turbine (or by several controllable exhaust gas turbines in a multi-stage process). The change in state of the exhaust gas by the controllable exhaust gas turbine can be determined from the current turbine output, for example from the mechanical power output, such as, for. B. the shaft power of the turbine is determined. In the The state model of the exhaust system includes in particular an exhaust gas pressure at the engine outlet and / or an exhaust gas temperature at the engine outlet and / or an opening cross section of a bypass valve. The temperature of the exhaust gas at the engine outlet of the internal combustion engine is preferably determined from a model of the internal combustion engine. This model is known in the prior art and is preferably implemented in a control unit for the internal combustion engine. The engine outlet is understood to mean the exhaust system immediately after the exhaust valves of a four-stroke internal combustion engine or the exhaust port from the cylinder of a two-stroke internal combustion engine. The controllable exhaust gas turbine can be, for example, an exhaust gas turbine with a bypass valve connected in parallel, or an exhaust gas turbine with an adjustable turbine geometry, such as an adjustable guide vane, or a combination of both. The exhaust gas turbine can be a single turbine stage in the exhaust system of an internal combustion engine, but is preferably a high-pressure turbine of a two-stage exhaust-gas turbine system, to which a controllable high-pressure turbine bypass valve is connected in parallel. In this case, the high-pressure stage is followed by a low-pressure stage, which can likewise comprise a controllable exhaust gas turbine as a low-pressure exhaust gas turbine with a parallel low-pressure turbine bypass valve. The method according to the invention can then also be used in the low pressure stage. With the method according to the invention, it is possible to provide an upper limit value of the exhaust gas pressure at the engine outlet of the internal combustion engine for further use in a control circuit for controlling the controllable exhaust gas turbine.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm zur Bestimmung eines oberen Grenzwertes des Druckes eines Gases stromauf eines Strömungselementes, wobwi der Grenzwert des Druckes stromauf des Strömungselementes aus Zustandsgrößen des Gases stromab des Strömungselementes sowie einer durch das Strömungselement bewirkten Zustandsänderung des Gases ermittelt wird, insbesondere durch ein Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahren zur Bestimmung eines oberen Grenzwertes des Abgasdruckes am Motoraustritt einer Brennkraftmaschine mit einer steuerbaren Abgasturbine, wobei der Abgasdruck am Motoraustritt aus Zustandsgrößen des Abgases hinter der Abgasturbine sowie der Zustandsänderung des Abgases durch die steuerbare Abgasturbine ermittelt wird.The problem mentioned at the outset is also solved by a computer program for determining an upper limit of the pressure of a gas upstream of a flow element, the limit value of the pressure upstream of the flow element being determined from state variables of the gas downstream of the flow element and a change in the state of the gas caused by the flow element, in particular by means of a computer program for carrying out a method for determining an upper limit value of the exhaust gas pressure at the engine outlet of an internal combustion engine with a controllable exhaust gas turbine, the exhaust gas pressure at the engine outlet being determined from state variables of the exhaust gas behind the exhaust gas turbine and the change in state of the exhaust gas by the controllable exhaust gas turbine.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät zur Bestimmung eines oberen Grenzwertes des Druckes eines Gases stromauf eines Strömungselementes, wobei der Grenzwert des Druckes stromauf des Strömungselementes aus Zustandsgrößen des Gases stromab des Strömungselementes sowie einer durch das Strömungselement bewirkten Zustandsänderung des Gases ermittelt wird, insbesondere durch ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit einer steuerbaren Abgasturbine, insbesondere einer Abgasturbine mit steuerbarem Bypassventil, wobei das Steuergerät Mittel zur Bestimmung eines oberen Grenzwertes des Abgasdruckes umfasst am Motoraustritt, wobei der Abgasdruck am Motoraustritt aus Zustandsgrößen des Abgases hinter der Abgasturbine sowie der Zustandsänderung des Abgases durch die steuerbare Abgasturbine ermittelt wird.The problem mentioned at the outset is also solved by a control device for determining an upper limit value of the pressure of a gas upstream of a flow element, the limit value of the pressure upstream of the flow element being determined from state variables of the gas downstream of the flow element and a change in state of the gas caused by the flow element, in particular by a control unit for an internal combustion engine with a controllable exhaust gas turbine, in particular an exhaust gas turbine with a controllable bypass valve, the control unit comprising means for determining an upper limit value of the exhaust gas pressure at the engine outlet, the exhaust gas pressure at the engine outlet from state variables of the exhaust gas behind the exhaust gas turbine and the change in state of the engine Exhaust gas is determined by the controllable exhaust gas turbine.
FigurenlisteFigure list
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine Skizze einer Brennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung; -
2 eine Skizze der Hochdruckturbinenstufe in1 ; -
3 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens; -
4 eine Skizze eines Ausführungsbeispiels eines Regelkreises.
-
1 a sketch of an internal combustion engine with two-stage supercharging; -
2nd a sketch of the high pressure turbine stage in1 ; -
3rd a flow chart of the method; -
4th a sketch of an embodiment of a control loop.
Die zwei Turbolader, umfassend die Hochdruckturbine
Um eine vereinfachte Darstellung des Abgasdruckes zu erhalten wird lediglich die Abgasanlage betrachtet. Dabei soll für ein Zustandsmodell als Strömungselement von der Annahme ausgegangen werden, dass sich die Turbinen und die Bypassventile wie Drosselstellen verhalten, wobei die Turbinen konstante Druckverlustbeiwerte erhalten und die Bypassventile einen variablen Druckverlustbeiwert (Stellgröße) haben. Der Druckverlust über eine solche Drosselstelle lässt sich mit dem Beiwert
schreiben:
Daraus folgt bei gegebenem Querschnitt (Fläche A) der Massenstrom zu:
Der effektive Strömungsquerschnitt wird wie folgt definiert
Damit liegen für alle Bauteile mit festen Werten (Turbinen) die entsprechenden konstanten effektiven Strömungsquerschnitte und für alle Bauteile mit variablen Werten die zugehörigen Kennlinien fest. Diese werden durch Messungen bestimmt. Bei bekannten Turbinenkennfeldern ist eine Ermittlung ohne Messung möglich. Die Turbinenleistung der Hochdruckturbine
Damit lässt sich sowohl für eine Regelung als auch für die Steuerung des Drucks p3 ein oberer Grenzwert des Abgasdruckes e p3,max festlegen, der von der maximal zulässigen Turbinenleistung abhängt. Die maximal zulässige Turbinenleistung PHD,max (der Index HD steht für die Hochdruckturbine, max für die maximale Leistung) kann z.B. in einem Kennfeld in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes (gegeben z.B. durch Einspritzmenge und Motordrehzahl) oder durch eine beliebige Funktion vorgegeben werden. Die Turbine erzeugt eine Änderung der Enthalpie des Abgases und bewirkt eine Zustandsänderung des Abgases, wobei sich insbesondere der Druck des Abgases über die Abgasturbine um einem Wert Δp und die Temperatur des Abgases um einen Wert ΔT ändert. Diese Zustandsänderung des Abgases wird im Wesentlichen in mechanische Arbeit der Abgasturbine umgesetzt. Die Zustandsänderung von Druck und Temperatur Δp, ΔT des Abgases ist somit direkt mit der Turbinenleistung verknüpft. Dies ermöglicht die maximale Ausnutzung des dynamischen Potenzials bei instationären Vorgängen. Der Maximaldruck am Eingang der Turbine hängt vom Druck an deren Ausgang sowie der maximalen Leistung der Turbine ab. Für die Hochdruckturbine
Die maximale Leistung PT,HD,max der Hochdruckturbine ist von der Temperatur des Abgases abhängig und z.B. in einem Kennfeld abgelegt. Die Temperatur T3 am Motoraustritt kann anhand eines im Stand der Technik bekannten Modells der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Der Massenstrom ṁHD durch die Hochdruckturbine und der Zustand
Der Polytropenexponent nHD muss für den jeweiligen Arbeitsbereich bekannt sein. Er kann in ausreichender Näherung für den gesamten Betriebsbereich der Turbine als konstant angenommen werden und wird im Versuch oder aus dem Turbinenkennfeld ermittelt. Über die isenthalpe Drosselstelle ändert sich die Temperatur eines idealen Gases nicht. Durch die Parallelschaltung der Hochdruckturbine
Aus den effektiven Strömungsquerschnitten folgt das Verhältnis der Massenströme:
A bezeichnet die Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen, der Index ARK bezieht sich auf die Querschnittsfläche der Öffnung des Hochdruckturbinen-Bypassventils
In Schritt
Daraufhin werden in Schritt
Daraus wird in Schritt
Der Index v bezeichnet den jeweiligen Durchlauf der Iteration, der Index v + 1 entsprechend den folgenden Durchlauf. Mit dem in Schritt
Die Begrenzung des maximal zulässigen Abgasdrucks p3max kann z.B. bei einem unterlagerten Regelkreis für die Ladedruckregelung, wie in
In
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