DE102013223900A1

DE102013223900A1 - Method and device for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine

Info

Publication number: DE102013223900A1
Application number: DE102013223900.9A
Authority: DE
Inventors: Pierre Scheller; Sebastian Heinken; Henrik Hoffmeyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-05-28

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer Steuerung und wenigstens einem durch die Steuerung ansteuerbaren Abgasturbolader offenbart. Ein zu erreichender Ladedruck wird der Steuerung vorgegeben. Wenigstens ein Betriebsparameter des Abgasturboladers wird in Funktion des zu erreichenden Ladedrucks berechnet, wobei in der Berechnung eine Größe für einen Abgasdruck des Abgasturboladers berücksichtigt wird. Der Druck vor einer Turbine p_3 des Abgasturboladers wird unter Berücksichtigung eines Turbinendruckverhältnisses aus dem Druck nach der Turbine p_4 des Abgasturboladers berechnet, wobei eine Datenmenge für das Turbinendruckverhältnis in Relation zu einem Durchsatzkennwert, parametriert mit einem Maß für eine Turbinendrehzahl, für die Berechnung zur Verfügung gestellt ist. Der Ladedruck mittels des Betriebs des Abgasturboladers mit dem wenigstens einen berechneten Betriebsparameter aufgebaut wird.It discloses a method and a device for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine with a controller and at least one controllable by the controller exhaust gas turbocharger. A boost pressure to be achieved is specified for the controller. At least one operating parameter of the exhaust-gas turbocharger is calculated as a function of the boost pressure to be achieved, wherein a value for an exhaust-gas pressure of the exhaust-gas turbocharger is taken into account in the calculation. The pressure in front of a turbine p_3 of the exhaust gas turbocharger is calculated taking into account a turbine pressure ratio from the pressure after the turbine turbocharger p_4, wherein a data set for the turbine pressure ratio in relation to a flow rate parameter, parameterized with a measure of a turbine speed, provided for the calculation is. The boost pressure is established by means of the operation of the exhaust gas turbocharger with the at least one calculated operating parameter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10. The invention relates to a method for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine with the features according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine with the features according to the preamble of claim 9 and a supercharged internal combustion engine with the features according to the preamble of claim 10.

Um eine Reduzierung der CO2-Emissionen von Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, zu erreichen, hat sich die Kombination von Aufladung und Benzindirekteinspritzung als besonders bedeutende Technologie etabliert. Da zumindest unter Versuchsbedingungen deutliche Wirkungsgradsteigerungen von Ottomotoren zu erzielen sind, wird von Serienfahrzeugen erwartet, diese Potentiale in größtmöglichem Maße beim Alltagsgebrauch abzurufen. Eine zentrale Herausforderung stellt dabei die präzise Modellierung der innermotorischen Vorgänge als Basis für eine Laststeuerung oder Lastregelung der Brennkraftmaschine dar. Insbesondere die interne Abgasrückführung und die Frischluftspülung sind Prozesse, welche den Wirkungsgrad und die Dynamik eines Ottomotors direkt positiv beeinflussen. Beide Prozesse sind allerdings begrenzt in ihrem Nutzen: Eine zu hohe interne Abgasrückführrate resultiert in nicht akzeptablem Fahrverhalten, eine zu hohe Frischluftspülrate kann aufgrund exothermer Reaktionen im Abgassystem zu Schädigungen der Abgasanlage führen. Daher ist eine präzise Ermittlung der Druckverhältnisse zwischen Frischgassystem, Brennräumen und Abgassystem erforderlich, um beide Prozesse möglichst optimal nutzen zu können. Während der Druck in einem Saugrohr des Frischgassystems verbreitet durch einen Sensor ermittelt wird, wird der Abgasdruck in der Praxis zumeist modelliert. Bei Motoren mit einem Abgasturbolader wird auf Basis einer physikalischen Beschreibung der Turbine der Abgasdruck ermittelt. In order to achieve a reduction in the CO2 emissions of internal combustion engines, in particular gasoline engines, the combination of supercharging and gasoline direct injection has established itself as a particularly important technology. Since significant improvements in the efficiency of gasoline engines can be achieved, at least under test conditions, production vehicles are expected to utilize these potentials to the greatest extent possible in everyday use. A key challenge here is the precise modeling of internal engine processes as the basis for load control or load control of the internal combustion engine. In particular, the internal exhaust gas recirculation and the fresh air purge are processes that directly positively affect the efficiency and dynamics of a gasoline engine. However, both processes are limited in their use: too high an internal exhaust gas recirculation rate results in unacceptable driving behavior; an excessively high fresh air purge rate can lead to damage to the exhaust system due to exothermic reactions in the exhaust system. Therefore, a precise determination of the pressure conditions between fresh gas system, combustion chambers and exhaust system is required in order to use both processes as optimally as possible. While the pressure in a suction pipe of the fresh gas system is determined by a sensor, the exhaust pressure is mostly modeled in practice. In engines with an exhaust gas turbocharger, the exhaust gas pressure is determined on the basis of a physical description of the turbine.

Verbreitet wird der Druck vor Turbine p_3 (auch verbreitet als Abgasdruck oder Abgasgegendruck bezeichnet) auf Basis einer Durchflussfunktion unter der Verwendung einer effektiven Querschnittsfläche im Turbineneintritt und eines Turbinendurchflussfaktors modelliert. Die Durchflussfunktion basiert auf der Temperatur vor Turbine, dem Turbinenmassenstrom und dem Druck nach der Turbine. Der Turbinenmassenstrom berechnet sich aus dem Abgasmassenstrom nach den Auslassventilen, gegebenenfalls abzüglich der an der Turbine vorbeigeleitetet Massenströme. Die konkrete Berechnung des Drucks vor Turbine erfolgt näherungsweise und ist fehlerbehaftet. Auch sind strömungsspezifische Abhängigkeiten im Turbineneintrittsquerschnitt, wie Wirbel und Strömungsabrisse, nicht ausreichend berücksichtigt. Für eine akzeptable Genauigkeit der Vorhersage des Drucks vor Turbine p_3 ist in der Praxis ein umfangreicher zusätzlicher Applikationsaufwand bei unterschiedlichen Randbedingungen erforderlich. The pressure is widely modeled prior to turbine p_3 (also commonly referred to as exhaust pressure or exhaust back pressure) based on a flow function using an effective cross-sectional area in the turbine inlet and a turbine flow factor. The flow function is based on the temperature before turbine, the turbine mass flow and the pressure after the turbine. The turbine mass flow is calculated from the exhaust gas mass flow downstream of the exhaust valves, optionally minus the mass flows bypassing the turbine. The concrete calculation of the pressure upstream of the turbine is approximate and erroneous. Also, flow-specific dependencies in the turbine inlet cross section, such as vortices and stalls, are not sufficiently taken into account. For an acceptable accuracy of the prediction of the pressure before turbine p_3 in practice a large additional application effort is required under different boundary conditions.

Für die Ladedrucksteuerung oder -regelung bedeutet dies, dass die Vorsteuerung des Ladedruckstellers, die unter bestimmten Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Luftdruck, Temperatur und/oder Fahrprofil, ermittelt wurde, nicht zwingend auf veränderte Konditionen übertragen werden kann. Das zeigt sich an einem umso größeren Regleranteil, je größer die Abweichungen zu den Ausgangsbedingungen werden. Um Fehler im Modell zu kompensieren, ist ein Reglereingriff auf die Vorsteuerung unumgänglich. Hohe Regleranteile können vor allem im transienten Fahrbetrieb zu unerwünschten Schwingungen im Luftsystem führen. Um systematisch auftretende Fehler, die sich im Regleranteil widerspiegeln, zu kompensieren, wird eine speicher- und rechenaufwendige Adaption im Steuergerät genutzt, um die Regleranteile zu lernen und diese wiederum auf die Vorsteuerung zu übertragen. For the boost pressure control or regulation, this means that the pilot control of the boost pressure plate, which was determined under certain ambient conditions, such as air pressure, temperature and / or driving profile, can not necessarily be transferred to changed conditions. This is shown by the larger the proportion of controllers, the larger the deviations from the initial conditions become. To compensate for errors in the model, a control intervention on the feedforward control is inevitable. High controller shares can lead to unwanted vibrations in the air system, especially in transient driving. In order to compensate for systematically occurring errors that are reflected in the controller component, a memory- and computation-intensive adaptation in the control unit is used to learn the controller components and in turn to transfer these to the precontrol.

Insbesondere Ottomotoren sind in diesem Zusammenhang in ihrer Dynamik und ihrem Wirkungsgrad durch die modellbehafteten Toleranzen in der Beschreibung des Abgasgegendrucks begrenzt. Es ist eine nicht ausreichend genaue Modellierung der Abhängigkeit des Restgasgehaltes vom Abgasgegendruck möglich: Wenn nach dem Schließen der Auslassventile eine abweichende Restgasmenge im Brennraum verbleibt, resultiert eine Abweichung der zuführbaren Frischluftmenge und folglich ein abweichendes Motormoment, eine abweichende Hochdruckprozessführung und ein abweichendes Luftverhältnis. In Konsequenz kann ein unerwünschtes Fahrverhalten und eine reduzierte Emissionsstabilität folgen. Um diese Effekte zu vermeiden, werden die Steuerzeiten des Ottomotors derart gewählt, dass eine ausreichende Robustheit gegenüber Abweichungen in der Modellierung des Drucks vor Turbine p_3 besteht. In Konsequenz bleiben der Wirkungsgrad und die Dynamik eines derartig gesteuerten oder geregelten Ottomotors unterhalb des optimal Möglichen. In particular, gasoline engines are in this context limited in their dynamics and their efficiency by the model-based tolerances in the description of the exhaust back pressure. It is not sufficiently accurate modeling of the dependence of the residual gas content of the exhaust back pressure possible: If after leaving the exhaust valves a different amount of residual gas remains in the combustion chamber, results in a deviation of the supply of fresh air and thus a different engine torque, a deviating high-pressure process management and a different air ratio. As a consequence, unwanted drivability and reduced emission stability can follow. To avoid these effects, the timing of the gasoline engine are chosen such that there is sufficient robustness to deviations in the modeling of the pressure before turbine p_3. As a consequence, the efficiency and dynamics of such a controlled or regulated gasoline engine remain below the optimum possible.

Aus dem Dokument DE 102 13 529 C1 ist ein Verfahren zur Berechnung des Durchflussverhaltens sowie der Leistungsabgabe einer Turbine eines Abgasturboladers bekannt. Der Druck vor Turbine p_3 wird aus dem Produkt des Turbinendruckverhältnisses und dem Sollwert für den Druck nach Turbine p_4 berechnet. Das Turbinendruckverhältnis wird aus einem Kennfeld der Turbinenleistung in Funktion des Turbinendruckverhältnis abgelesen, wobei eine korrigierte Turbinendrehzahl und die Turbinenleistung als Eingangsgröße zugrunde gelegt werden. From the document DE 102 13 529 C1 is a method for calculating the flow behavior and the output of a turbine of an exhaust gas turbocharger known. The pressure before turbine p_3 is calculated from the product of the turbine pressure ratio and the setpoint for the pressure after turbine p_4. The turbine pressure ratio is calculated from a map of the turbine power in function of Turbine pressure ratio read, with a corrected turbine speed and the turbine power are used as input.

Des Weiteren sind im Dokument DE 199 63 358 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader beschrieben. Der Abgasdruck p_3 wird ausgehend vom Turboladerhub, welcher die Position der Leitschaufeln der Turbine charakterisiert, von der Luftmenge, die über die Turbine strömt und dem Druck hinter der Turbine p_4 bestimmt. Furthermore, in the document DE 199 63 358 A1 a method and apparatus for controlling an internal combustion engine with a turbocharger described. The exhaust pressure p_3 is determined from the amount of air flowing through the turbine and the pressure behind the turbine p_4, starting from the turbocharger stroke, which characterizes the position of the vanes of the turbine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, präzise den Abgasdruck für eine Steuerung des Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zu ermitteln. The object of the present invention is to precisely determine the exhaust gas pressure for controlling the boost pressure of a supercharged internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. This object is achieved by a method for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere einer mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einer Steuerung und wenigstens einem durch die Steuerung ansteuerbaren Abgasturbolader umfasst wenigstens die folgenden Schritte: Ein zu erreichender Ladedruck wird der Steuerung vorgegeben. Wenigstens ein Betriebsparameter des Abgasturboladers wird in Funktion des zu erreichenden Ladedrucks berechnet, wobei in der Berechnung eine Größe für einen Abgasdruck des Abgasturboladers berücksichtigt wird. Konkret wird der Druck vor einer Turbine p_3 des Abgasturboladers unter Berücksichtigung eines Turbinendruckverhältnisses aus dem Druck nach der Turbine p_4 des Abgasturboladers berechnet. Eine Datenmenge für das Turbinendruckverhältnis ist in Relation zu einem Durchsatzkennwert, parametriert mit einem Maß für eine Turbinendrehzahl, für die Berechnung, insbesondere in der und/oder für die Steuerung, zur Verfügung gestellt. Dann wird der Ladedruck mittels des Betriebs des Abgasturboladers mit dem wenigstens einen berechneten Betriebsparameter aufgebaut. The inventive method for controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine, in particular a supercharged by an exhaust gas turbocharger internal combustion engine, with a controller and at least one controllable by the controller exhaust gas turbocharger comprises at least the following steps: A to be reached boost pressure is given to the controller. At least one operating parameter of the exhaust-gas turbocharger is calculated as a function of the boost pressure to be achieved, wherein a value for an exhaust-gas pressure of the exhaust-gas turbocharger is taken into account in the calculation. Specifically, the pressure in front of a turbine p_3 of the exhaust gas turbocharger is calculated taking into account a turbine pressure ratio from the pressure after the turbine p_4 of the exhaust gas turbocharger. A dataset for the turbine pressure ratio is provided in relation to a flow rate parameter, parameterized with a measure of a turbine speed, for the calculation, in particular in and / or for the control. Then, the boost pressure is established by means of the operation of the exhaust gas turbocharger with the at least one calculated operating parameter.

Der Abgasturbolader kann insbesondere ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG-Lader, VTG-ATL) sein. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (Ottomotor). Die Brennkraftmaschine kann insbesondere über einen variablen Ventiltrieb verfügen, so dass Steuerzeiten der Ventile einstellbar sind, wodurch Miller- und/oder Atkinson-Brennverfahren realisiert werden können. Anders gesagt, bevorzugt wird die Brennkraftmaschine in einem Miller- und/oder Atkinson-Brennverfahren betrieben. The exhaust gas turbocharger may in particular be an exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry (VTG loader, VTG ATL). The internal combustion engine is preferably a spark-ignited internal combustion engine (gasoline engine). In particular, the internal combustion engine can have a variable valve drive, so that valve timing can be adjusted, as a result of which Miller and / or Atkinson combustion methods can be implemented. In other words, the internal combustion engine is preferably operated in a Miller and / or Atkinson combustion process.

Eine bedeutende Gruppe von Weiterentwicklungen stellt die Realisation der erfindungsgemäßen Vorgehensweise in einem Verfahren zum Regeln eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine dar. In Ergänzung zum erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern umfasst die Weiterentwicklung wenigstens das Messen einer Größe, welche als Maß für den Ist-Wert des Ladedrucks oder eines Betriebsparameters des Abgasturboladers dient, so dass ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt werden kann, welcher als Basis für den Reglereingriff dient. A significant group of further developments is the realization of the procedure according to the invention in a method for regulating boost pressure of a supercharged internal combustion engine. In addition to the method according to the invention, the further development comprises at least measuring a variable which is a measure of the actual value of the supercharging pressure an operating parameter of the exhaust gas turbocharger is used, so that a target-actual comparison can be performed, which serves as a basis for the controller intervention.

Eine wesentliche Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorgehensweise liegt in der genauen Abbildung der Turbinenphysik beziehungsweise der Turbineneigenschaften, die damit für verschiedenste Randbedingungen des Betriebes Gültigkeit hat. Erfindungsgemäß wird innerhalb der Ladedruckregelung die Genauigkeit und/oder Allgemeingültigkeit der durchgeführten Modellrechnungen erhöht. Dadurch sinkt der Applikationsaufwand im Vergleich zum Vorbekannten. Das erfindungsgemäße Verfahren birgt das Potenzial, das gesamte Einsatzspektrum des Motors mit allen turbinenrelevanten (sowohl durch inner- als auch außermotorische Einflüsse) veränderlichen Parametern hinreichend genau darzustellen. In der Folge der verbesserten Abbildung der Turbinenphysik ergibt sich eine Reihe von bedeutsamen Anwendungen und Vorteilen: Es ist eine präzise Modellierung des Drucks vor Turbine p_3 möglich. Besonders wichtig ist dieses für niedrige Druckverhältnisse. Das Extrapolationsverhalten der Daten bezüglich der Korrekturen für die geodätischen Höhe und für die Außentemperatur ist verbessert. Bei einem VTG-Lader kann das Hystereseverhalten des VTG-Stellers einfach adaptiert werden. An essential feature of the procedure according to the invention lies in the exact mapping of the turbine physics or the turbine properties, which thus has validity for a wide variety of boundary conditions of the operation. According to the accuracy and / or universality of the model calculations carried out is increased within the boost pressure control. This reduces the application effort compared to the previously known. The inventive method has the potential to represent the entire range of applications of the engine with all turbine-relevant (both by internal and external motor influences) variable parameters sufficiently accurate. As a result of the improved imaging of turbine physics, there are a number of significant applications and advantages: Precise modeling of the pressure upstream of turbine p_3 is possible. This is especially important for low pressure conditions. The extrapolation behavior of the data with respect to the corrections for the geodetic height and for the outside temperature is improved. With a VTG loader, the hysteresis behavior of the VTG controller can be easily adapted.

Die interne Abgasrückführung kann robust zur Entdrosselung des Motors im Betrieb mit Abgasturbolader genutzt werden, so dass CO2-Emissionen reduziert werden können: Bei der internen Abgasrückführung werden die Einlassventile geöffnet, bevor die Auslassventile schließen, so dass bei einem Druckgradienten von Brennraum zu Abgaskrümmer ausgeschobenes Abgas zurück in den Motor befördert und damit die Zylinderladung verdünnt wird. Im aufgeladenen Betrieb, wenn der Ottomotor noch nicht klopfbegrenzt ist, erhöht dies den Wirkungsgrad des motorischen Prozesses aufgrund von Entdrosselung und Reduzierung der Prozesstemperatur. In vorteilhafter Konsequenz werden Schadstoffemissionen aufgrund einer höheren Gemischbildungsqualität reduziert. The internal exhaust gas recirculation can be used robustly to dethrottle the engine when operating with turbocharger, so that CO2 emissions can be reduced: In the internal exhaust gas recirculation, the intake valves are opened before the exhaust valves close, so that at a pressure gradient from combustion chamber to exhaust manifold expelled exhaust gas transported back into the engine and thus the cylinder charge is diluted. In boosted operation, if the gasoline engine is not knock limited, increased this is the efficiency of the motor process due to de-throttling and reducing the process temperature. In an advantageous consequence pollutant emissions are reduced due to a higher mixture formation quality.

Darüber hinaus oder alternativ dazu kann eine Frischluftspülung robust zur Verbesserung des Ansprechverhaltens und zur Reduzierung der Klopfneigung, insbesondere bei einem hochverdichtetem Miller-Brennverfahren mit VTG-ATL, genutzt werden: Bei der Frischluftspülung (Scavenging) strömt aufgrund eines Druckgefälles vom Saugrohr zum Abgaskrümmer Frischluft durch den oder die Brennräume. Dies kühlt die Brennraumwände, schiebt verbleibendes Restgas aus dem Brennraum und erhöht den effektiven Massendurchsatz durch den Turbolader. Im aufgeladenen Betrieb ist dieser Effekt hilfreich, um sowohl den Hochlauf des Abgasturboladers zu beschleunigen als auch die Klopfneigung des Motors zu reduzieren. In addition, or alternatively, a fresh air purge can be robustly used to improve the response and reduce the tendency to knock, especially in a high-compression Miller combustion process with VTG ATL: In the fresh air scavenging flows fresh air due to a pressure gradient from the intake manifold to the exhaust manifold the one or more combustion chambers. This cools the combustion chamber walls, pushes residual gas out of the combustion chamber and increases the effective mass flow rate through the turbocharger. In turbocharged operation, this effect is helpful to both accelerate the run-up of the exhaust gas turbocharger and reduce the tendency to knock the engine.

Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks, genauer die präzise Berechnung des Drucks vor Turbine p_3, ermöglicht eine möglichst motorwirkungsgradoptimale Steuerung der Nockenwellen, sogar im dynamischen Fall. In other words, the method according to the invention for controlling a boost pressure, more precisely the precise calculation of the pressure upstream of turbine p_3, enables optimal control of the engine efficiency of the camshafts, even in the dynamic case.

In die Berechnung im erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine fließt bevorzugt wenigstens ein Wert der folgenden Größen ein: Turbinenmassenstrom, Abgastemperatur T_3 und Abgasturboladerdrehzahl. Darüber hinaus oder alternativ dazu dient bevorzugt in der Datenmenge eine reduzierte Drehzahl des Abgasturboladers als Maß für die Turbinendrehzahl. In the calculation in the method according to the invention for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine, preferably at least one value of the following variables flows in: turbine mass flow, exhaust gas temperature T_3 and exhaust gas turbocharger speed. In addition or alternatively, a reduced rotational speed of the exhaust gas turbocharger as a measure of the turbine rotational speed preferably serves in the data volume.

In konkreten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Ladedrucks wird der Druck nach Turbine p_4 auf Grundlage eines Druckverlustbeiwertes bereitgestellt oder mittels eines der Turbine nachgeordneten Sensors gemessen. Auf diese Weise kann der Druck nach Turbine p_4 mit ausreichender Präzision bereitgestellt werden. In concrete embodiments of the method according to the invention for controlling a boost pressure, the pressure according to the turbine p_4 is provided on the basis of a pressure loss coefficient or measured by means of a sensor downstream of the turbine. In this way, the pressure to turbine p_4 can be provided with sufficient precision.

Bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Ladedrucks aus der Datenmenge für das Turbinendruckverhältnis in Relation zu einem Durchsatzkennwert eine Durchsatzkennlinie bei einer Turboladerdrehzahl und einer Abgastemperatur T_3 interpoliert. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, einen hinreichend präzisen Wert zwischen abgespeicherten Datenwerten für die weiteren Berechnungen zu bestimmen. Preferably, in the method according to the invention for controlling a charge pressure from the data quantity for the turbine pressure ratio in relation to a flow rate characteristic, a throughput characteristic is interpolated at a turbocharger speed and an exhaust gas temperature T_3. As a result, it is advantageously possible to determine a sufficiently precise value between stored data values for the further calculations.

Konkret kann im erfindungsgemäßen das Turbinendruckverhältnis bei einem Durchsatzkennwert mit Druck nach der Turbine p_4 auf der Durchsatzkennlinie berechnet werden. Bevorzugt wird dabei in der Berechnung des Turbinendruckverhältnisses ein Schnittpunkt einer Durchsatzkennlinie mit einer Kennlinie des konstanten Massenstroms der Turbine mit hinreichender Genauigkeit bestimmt. Specifically, in the present invention, the turbine pressure ratio at a flow rate characteristic with pressure downstream of the turbine p_4 can be calculated on the flow rate characteristic. In the calculation of the turbine pressure ratio, an intersection point of a throughput characteristic curve with a characteristic curve of the constant mass flow of the turbine is preferably determined with sufficient accuracy.

Besonders bedeutsam hinsichtlich aufgeladener Brennkraftmaschinen mit VTG-ATL ist, wenn darüber hinaus in einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Datenmenge für das Turbinendruckverhältnis in Relation zu einem Durchsatzkennwert zusätzlich parametriert mit einem Wert für eine Leitschaufelposition des Abgasturboladers ist. Auf diese Weise kann eine präzise Berechnung im erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung der vorliegenden Anströmungsverhältnisse der Turbine erfolgen. Particularly significant in terms of turbocharged internal combustion engines with VTG ATL, if in a further development of the method according to the invention, the amount of data for the turbine pressure ratio is additionally parameterized in relation to a flow characteristic with a value for a vane position of the exhaust gas turbocharger. In this way, a precise calculation in the method according to the invention taking into account the present flow conditions of the turbine can be carried out.

Ottomotoren mit VTG-Lader weisen im Vergleich zu Ottomotoren mit Abgasturboladern mit Umgehungsleitung (Wastegate-Lader) ein empfindlicheres Ansprechverhalten auf. Während bei einem Wastegate-Lader der Massenstrom über die Turbine geregelt wird, erfolgt die Regelung eines VTG-Laders über den effektiven Querschnitt der Turbine, indem die Anströmung der Turbine verändert wird. Dies resultiert in einer stärkeren dynamischen Erhöhung des Drucks vor Turbine p_3 im positiven Lastsprung, so dass auch eine vergleichsweise präzisere dynamische Modellierung des Drucks vor Turbine p_3 erforderlich ist. Im Gegensatz dazu ist der Momentenaufbau eines Dieselmotors unabhängig vom dynamischen Restgasverhalten. Die genaue Berechnung des Drucks vor Turbine p_3 kann für eine präzise Vorsteuerung der variablen Turbinengeometrie des VTG-ATL beziehungsweise des Massenstroms eines Wastegate-Laders genutzt werden. Der Regleranteil in der Vorsteuerung kann reduziert werden. Es resultieren geringere Abweichungen besonders bei dynamischen Vorgängen. Ein besserer Motorwirkungsgrad ist erreichbar. Gasoline engines with VTG superchargers have a more sensitive response than gasoline engines with turbochargers with a bypass line (wastegate charger). While in a wastegate loader, the mass flow is controlled by the turbine, the control of a VTG supercharger on the effective cross section of the turbine is done by the flow of the turbine is changed. This results in a stronger dynamic increase of the pressure before turbine p_3 in the positive load step, so that a comparatively precise dynamic modeling of the pressure before turbine p_3 is required. In contrast, the torque build-up of a diesel engine is independent of the dynamic residual gas behavior. The exact calculation of the pressure upstream of turbine p_3 can be used for precise precontrol of the variable turbine geometry of the VTG-ATL or the mass flow of a wastegate loader. The controller component in the feedforward control can be reduced. This results in smaller deviations, especially in dynamic processes. A better engine efficiency is achievable.

Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch eine Vorrichtung zum Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Abgasturbolader, der mittels der Vorrichtung zum Steuern ansteuerbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern umfasst wenigstens eine Recheneinheit und eine Speichereinheit. Erfindungsgemäß ist in der Speichereinheit wenigstens ein Computerprogramm abgelegt, bei dessen wenigstens teilweiser Ausführung in der Recheneinheit ein Verfahren zum Steuern des Ladedrucks der aufgeladenen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung durchgeführt wird. In the context of the inventive idea is also a device for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine with at least one exhaust gas turbocharger, which can be controlled by means of the device for controlling. The inventive control device comprises at least one arithmetic unit and a memory unit. According to the invention, at least one computer program is stored in the memory unit, in its at least partial execution in the arithmetic unit A method for controlling the boost pressure of the supercharged internal combustion engine with the features or feature combinations is performed according to this illustration.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Abgasturboladers kann Teil einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader sein. Die erfindungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine kann eine selbstzündende oder bevorzugt eine fremdgezündete Brennkraftmaschine sein. Die erfindungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine kann in einem Fahrzeug, insbesondere einem gleislosen Landfahrzeug, zum Beispiel einem Automobil, Personenkraftwagen oder Nutzkraftwagen, zum Einsatz gelangen. An inventive device for controlling the exhaust gas turbocharger may be part of a supercharged internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger. The supercharged internal combustion engine according to the invention may be a self-igniting or preferably a spark-ignited internal combustion engine. The supercharged internal combustion engine according to the invention can be used in a vehicle, in particular a trackless land vehicle, for example an automobile, passenger car or utility vehicle.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen: Further advantages and advantageous embodiments and developments of the invention will be described with reference to the following description with reference to the figures. It shows in detail:

1 ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 a schematic flow diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention,

2 ein teilweise gemessenes und teilweise rechnerisch erweitertes Kennfeld für den Turbinendurchsatz in einer beispielhaften Ausführungsform, 2 a partially measured and partially computationally expanded turbine throughput map in an exemplary embodiment;

3 beispielhafte Diagramme konkreter Durchsatzkennwerte in Funktion des Turbinendruckverhältnisses zur Veranschaulichung des bevorzugten Verfahrens zur Berechnung des Turbinendruckverhältnisses für den betreffenden beispielhaften Motorbetriebspunkt, und 3 exemplary graphs of concrete flow rate characteristics as a function of the turbine pressure ratio for illustrating the preferred method for calculating the turbine pressure ratio for the relevant exemplary engine operating point, and

4 ein beispielhaftes Diagramm eines Kennfelds parametriert mit der Leitschaufelposition des Abgasturboladers (VTG-Position). 4 an exemplary diagram of a map parameterized with the guide vane position of the exhaust gas turbocharger (VTG position).

Die 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Steuern eines Ladedrucks einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere einer mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Steuerung und wenigstens einen durch die Steuerung ansteuerbaren Abgasturbolader. Erfindungsgemäß wird der Steuerung ein zu erreichender Ladedruck vorgegeben (Schritt 10). Insbesondere ist die Ladedruckvorgabe abhängig von der gewünschten Leistungsabgabe. Es wird wenigstens ein Betriebsparameter des Abgasturboladers in Funktion des zu erreichenden Ladedrucks berechnet (Schritt 12). Dabei wird in der Berechnung eine Größe für einen Abgasdruck des Abgasturboladers berücksichtigt (Teilschritt 14 von Schritt 12). The 1 shows a schematic flow diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention. The method according to the invention serves to control a boost pressure of a supercharged internal combustion engine, in particular an internal combustion engine charged by means of an exhaust gas turbocharger. The internal combustion engine comprises a controller and at least one controllable by the controller exhaust gas turbocharger. According to the invention, a control pressure to be reached is specified (step 10 ). In particular, the boost pressure specification depends on the desired power output. At least one operating parameter of the exhaust-gas turbocharger is calculated as a function of the charging pressure to be achieved (step 12 ). In this case, a variable for an exhaust gas pressure of the exhaust gas turbocharger is taken into account in the calculation (sub-step 14 from step 12 ).

Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass der Druck vor einer Turbine p_3 des Abgasturboladers unter Berücksichtigung eines Turbinendruckverhältnisses aus dem Druck nach der Turbine p_4 des Abgasturboladers berechnet wird. Dabei ist eine Datenmenge für das Turbinendruckverhältnis in Relation zu einem Durchsatzkennwert, parametriert mit einem Maß für eine Turbinendrehzahl, für die Berechnung zur Verfügung gestellt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dann der Ladedruck mittels des Betriebs des Abgasturboladers mit dem wenigstens einen berechneten Betriebsparameter aufgebaut (Schritt 16). According to the invention, this is done by calculating the pressure in front of a turbine p_3 of the exhaust-gas turbocharger taking into account a turbine-pressure ratio from the pressure downstream of the turbine p_4 of the exhaust-gas turbocharger. In this case, a data quantity for the turbine pressure ratio in relation to a flow rate parameter, parameterized with a measure of a turbine speed, is provided for the calculation. In the method according to the invention, the boost pressure is then established by means of the operation of the exhaust gas turbocharger with the at least one calculated operating parameter (step 16 ).

Eine bevorzugte Vorgehensweise für die Berechnung des Drucks vor Turbine p_3 wird nachfolgend exemplarisch beschrieben. A preferred procedure for the calculation of the pressure before turbine p_3 is described below by way of example.

Für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Modellierung des Abgasdrucks, des Drucks vor Turbine p_3, wird nachfolgend eine Vorgehensweise vorgestellt, die größtenteils auf Messdaten beruht. Um einen Eingangsdatensatz zu verschiedenen Werten zu generieren, werden erweiterte Messmethoden angewendet: Im Einzelnen erfolgen Messungen bei unterschiedlichen Turbineneintrittstemperaturen T_3, wie in 2 exemplarisch gezeigt, sowie unter Verwendung eines geschlossenen Verdichterkreises (Closed-Loop). Ein besonders wichtiger Vorteil hierbei ist die Erweiterung der Kennlinie für eine konstante reduzierte Turbinendrehzahl n_T,red (siehe auch Gl. 1), durch unterschiedliche Turbineneintrittstemperaturen T_3. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Berechnung des Drucks vor Turbine p_3 werden aufbereitete und bis zum Nulldurchsatz erweiterte Kennfelddaten verwendet. Dieses Vorgehen ermöglicht eine deutlich genauere Abbildung der Turbinenphysik und damit der p_3 Berechnung im Vergleich zum Vorbekannten. For a preferred embodiment of the modeling of the exhaust gas pressure according to the invention, the pressure upstream of turbine p_3, an approach is presented below, which is largely based on measured data. In order to generate an input data set to different values, advanced measurement methods are used: More specifically, measurements are made at different turbine inlet temperatures T_3, as in 2 shown by way of example, and using a closed compressor circuit (closed loop). A particularly important advantage here is the extension of the characteristic curve for a constant reduced turbine speed n _{T, red} (see also equation 1), by different turbine inlet temperatures T_3. In the context of the calculation according to the invention of the pressure upstream of turbine p_3, conditioned map data expanded to zero flow rate are used. This procedure allows a much more accurate mapping of the turbine physics and thus the p_3 calculation in comparison to the previously known.

Die Eingangswerte für die Berechnung des aktuell im Motorbetrieb anliegenden Drucks vor Turbine p_3 sind die Werte für den Turbinenmassenstrom, die Abgastemperatur T_3, der Turboladerdrehzahl n_T und des Drucks nach Turbine p_4. Diese Werte werden entweder als Modellgrößen oder über entsprechende Sensoren zur Verfügung gestellt. The input values for the calculation of the pressure currently present in engine operation before turbine p_3 are the values for the turbine mass flow, the exhaust gas temperature T_3, the turbocharger speed n _T and the pressure after turbine p_4. These values are provided either as model sizes or via corresponding sensors.

Das zugrunde gelegte Turbinendurchsatzkennfeld liefert den gesuchten Zusammenhang zwischen Turbinenmassenstrom und Turbinendruckverhältnis. Hierbei handelt es sich um die eingangs beschriebenen größtenteils auf Messung basierenden Daten. In der 3 ist die konkrete Vorgehensweise anhand von zwei Diagrammen veranschaulicht. Die linke Darstellung zeigt das erweiterte Durchsatzkennfeld. In einem ersten Schritt wird die aktuelle Turboladerdrehzahl im Motorbetrieb n_{T_Mot} in die reduzierte Drehzahl n_{T,red_Mot} unter Verwendung der Abgastemperatur T_3 überführt.

The underlying turbine throughput map provides the sought relationship between turbine mass flow and turbine pressure ratio. These are the largely measurement-based data described above. In the 3 the concrete procedure is illustrated by two diagrams. The left illustration shows the extended flow rate map. In a first step, the current turbocharger rotational speed in engine operation n _{T_Mot is converted} into the reduced rotational speed n _{T, red_Mot} using the exhaust gas temperature T_3.

Auf Basis dieser Drehzahl erfolgt anschießend die Interpolation der Durchsatzkennlinie aus dem hinterlegten Datensatz für die konkret anliegenden Randbedingungen. Im zweiten Schritt wird der Schnittpunkt aus dieser Durchsatzlinie mit der Kennlinie des konstanten Massenstroms ermittelt (3, rechts). Dieser Punkt liefert den gesuchten Zusammenhang zwischen Turboladerdrehzahl n_{T_Mot}, Massenstrom und Turbinendruckverhältnis unter Berücksichtigung der jeweiligen Abgastemperatur T_3 für den aktuellen Motorbetriebspunkt. On the basis of this speed, the interpolation of the throughput characteristic from the stored data record for the concrete boundary conditions takes place. In the second step, the point of intersection of this throughput line with the characteristic curve of the constant mass flow is determined ( 3 , right). This point provides the desired relationship between the turbocharger _speed n _{T_Mot} , mass flow and turbine _{pressure ratio} , taking into account the respective exhaust gas temperature T_3 for the current engine operating point.

Der gesuchte Schnittpunkt wird mit Hilfe eines iterativen Näherungsverfahrens aufgefunden: In diesem wird ein Turbinendruckverhältnis vorgegeben. Dann wird anschließend der zugehörige Durchsatzkennwert nach Gl. 2 berechnet.

The desired intersection is found using an iterative approximation method: In this a turbine pressure ratio is specified. Then the associated throughput characteristic value is calculated according to Eq. 2 calculated.

Liegt der berechnete Durchsatzkennwert über der Kennlinie, bildet sich der Wert des neuen Druckverhältnisses aus dem Mittel des aktuellen Punktes und der linken Suchbereichsgrenze oder umgekehrt. Somit wird das Suchfenster sukzessive verkleinert und in jedem Fall sichergestellt, dass der benötigte Schnittpunkt darin enthalten ist. Diese Berechnungsschleife wird solange wiederholt, bis der gesuchte Punkt mit der gewünschten Genauigkeit detektiert wurde. If the calculated flow rate characteristic lies above the characteristic curve, the value of the new pressure ratio is formed from the mean of the current point and the left search range limit or vice versa. Thus, the search window is successively reduced in size and ensured in each case that the required intersection is included therein. This calculation loop is repeated until the desired point has been detected with the desired accuracy.

Der benötigte Druck nach Turbine p_4 wird auf Grundlage eines Druckverlustbeiwertes ζ_AGA bereitgestellt, der den Einfluss der Abgasanlage AGA erfasst. Alternativ hierzu können, sofern vorhanden, auch die Informationen eines p_4-Sensors genutzt werden. The required pressure after turbine p_4 is provided on the basis of a pressure loss coefficient ζ _AGA , which detects the influence of the exhaust system AGA. Alternatively, if available, also the information of a p_4 sensor can be used.

Die oben dargelegte Vorgehensweise kann sowohl für Wastegate-Lader als auch VTG-Lader genutzt werden. The above procedure can be used for both wastegate loader and VTG loader.

Im Falle einer VTG-Turbine wird erfindungsgemäß zusätzlich noch ein VTG-Positionskennfeld (4) in die Berechnungen eingebunden. Die als Resultat der Messungen hinterlegten Informationen dienen dann für eine Plausibilisierung der Lagerückmeldung oder für die Verringerung von Hystereseeffekten. Konkret wird dabei so vorgegangen, dass die VTG-Position mit den aus dem vorherigen Zeitschritt bekannten Durchsatzkennwert und Wert für das Druckverhältnis aus dem in 2 gezeigten Kennfeld ausgelesen wird. Anschließend dient diese VTG-Position für die Ermittlung des jeweiligen Durchsatzkennfeldes, welches für feste Leitschaufelstellungen zwischen 0–100%, in der Motorumgebung abgelegt ist. Mit der Auswahl beziehungsweise der Interpolation des zur aktuellen VTG-Stellung passenden Durchsatzkennfeldes kann dann der oben bereits beschriebene Ablauf starten. In the case of a VTG turbine, according to the invention additionally a VTG position map ( 4 ) are included in the calculations. The information stored as a result of the measurements then serves for a plausibility check of the position feedback or for the reduction of hysteresis effects. Specifically, the procedure is such that the VTG position with the known from the previous time step throughput and value for the pressure ratio from the in 2 map shown is read out. Subsequently, this VTG position is used for determining the respective throughput map, which is stored for fixed vane positions between 0-100%, in the engine environment. The sequence already described above can then start with the selection or interpolation of the throughput map matching the current VTG position.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Vorgeben eines zu erreichenden Ladedrucks Specifying a boost pressure to be achieved
12 12: Berechnen eines Betriebsparameters Calculating an operating parameter
14 14: Berücksichtigen eines Größe für den Abgasdruck Consider a size for the exhaust pressure
16 16: Aufbauen des Ladedrucks Build up the boost pressure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10213529 C1 [0006]
DE 19963358 A1 [0007]

Claims

A method for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine with a controller and at least one controllable by the controller exhaust gas turbocharger, in which a to be reached boost pressure of the controller is determined, at least one operating parameter of the exhaust gas turbocharger is calculated as a function of the charge pressure to be reached, wherein in the calculation Size is considered for an exhaust gas pressure of the exhaust gas turbocharger, and the boost pressure by means of the operation of the exhaust gas turbocharger is constructed with the at least one calculated operating parameter, characterized in that the pressure in front of a turbine p_3 of the exhaust gas turbocharger taking into account a turbine pressure ratio from the pressure to the turbine p_4 of the exhaust gas turbocharger is calculated, wherein an amount of data for the turbine pressure ratio in relation to a flow rate parameter, parameterized with a measure of a turbine speed, for the calculation is provided.

Method for controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the calculation includes at least one value of the following variables: turbine mass flow, exhaust gas temperature T_3 and exhaust gas turbocharger speed.

Method for controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that a reduced speed is used as a measure of the turbine speed in the data amount.

Method for controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure is provided to the turbine p_4 on the basis of a pressure loss coefficient or by means of a turbine downstream sensor is measured.

A method of controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine according to any one of the preceding claims, characterized in that from the data set for the turbine pressure ratio in relation to a flow rate characteristic, a flow rate characteristic at a turbocharger speed and an exhaust gas temperature T_3 is interpolated.

A method for controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine pressure ratio is calculated at a flow rate with pressure after the turbine p_4 on the flow rate characteristic.

A method for controlling a supercharging pressure of a supercharged internal combustion engine according to claim 5, characterized in that in the calculation of the turbine pressure ratio, an intersection of a flow rate characteristic with a characteristic of the constant mass flow of the turbine is determined with sufficient accuracy.

A method for controlling boost pressure of a supercharged internal combustion engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the data quantity for the turbine pressure ratio in relation to a flow rate characteristic is additionally parameterized with a value for a vane position of the exhaust gas turbocharger.

Device for controlling a boost pressure of a supercharged internal combustion engine with at least one exhaust gas turbocharger, which is controllable by the device for controlling, comprising at least one arithmetic unit and a memory unit, characterized in that in the memory unit at least one computer program is stored, in its at least partial execution in the arithmetic unit A method for controlling the supercharging pressure of the supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims is performed.

Supercharged internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, characterized by a device for controlling the exhaust gas turbocharger according to claim 9.