DE102014101396B4 - Turboladerstrom-Steuerungsverfahren - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Turboladers (14) mit einer mit einem Auspuff (22) eines Verbrennungsmotors (12) funktional verbundenen Turbine (20) und mit einem mit einem Einlass (32) des Motors (12) funktional verbundenen Kompressor (30), wobei das Verfahren umfasst:Berechnen eines Ladedruckbefehls für den Kompressor (30) aus der Gleichung:Pi=2⋅R⋅Ti⋅m˙cn⋅D⋅η(EGRf,n)worin R die ideale Gaskonstante ist, Tidie Temperatur am Einlass (32) ist, ṁcein Ladestrombefehl ist, n eine Drehzahl des Motors (12) ist, D der Motorhubraum ist und η die volumetrische Effizienz des Motors (12) ist, welche als Funktion eines EGR-Bruchteils EGRf und der Drehzahl des Motors (12) berechnet wird;Berechnen eines Kompressorstroms aus der Gleichung:Qc=m˙a⋅(Ta/Pa)worin ṁaein Massenstrom zum Kompressor (30) ist, Tadie Atmosphärentemperatur ist und Pader Atmosphärendruck ist;Berechnen eines Kompressordruckverhältnisses aus der Gleichung:Prc=Pi/Paworin Pider berechnete Ladedruckbefehl und Pader Atmosphärendruck ist;Berechnen einer Kompressorleistung aus der Gleichung:Ec=(Tex/Pto)⋅m˙a⋅cp⋅Ta⋅(a1+a2Qc+a3Qc2+a4Prc+a5Prc2+a6QcPrc)worin Tex die Abgastemperatur ist, Ptoder Druck an einem Ausgang der Turbine (20) ist, ṁaein Massenstromstrom zum Kompressor (30) ist, cpeine spezifische Wärme ist, Tadie Atmosphärentemperatur ist, a1bis a6Konstanten sind, Prc das berechnete Druckverhältnis über den Kompressor (30) ist und Qcder berechnete Kompressorstrom ist;Berechnen eines Turbinenstroms aus der Gleichung:Qt=b1+b2Ec+b3Ec2+b4Ejworin Ejeine Trägheitsleistung ist und Eceine berechnete Kompressorleistung ist; undBefehlsgabe an den Turbolader (14), bei dem berechneten Turbinenstrom zu arbeiten.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Diese Offenbarung bezieht sich auf eine Steuerung von Turboladern für Antriebsstränge.
• HINTERGRUND
• Verbrennungsmotoren nutzen manchmal Turbolader, um eine Aufladung zur Verfügung zu stellen. Ein oder mehrere Turbolader werden durch Abgas vom Motor angetrieben. Die aus dem Abgas gewonnene Energie wird genutzt, um bei einer Verbrennung innerhalb des Motors genutzte Ansauggase unter Druck zu setzen.
• Die US 2009/0090106 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Turboladers mit einer Turbine, die mit einem Auspuff eines Verbrennungsmotors verbunden ist, und mit einem Kompressor, der mit einem Einlass des Motors verbunden ist. Gemäß dem Verfahren wird ein Ladedruckbefehl für den Kompressor ermittelt, um ausreichend Verbrennungsreaktant für den Motor zur Verfügung zu stellen. Anhand des ermittelten Ladedruckbefehls wird eine Kompressorleistung berechnet, anhand derer wiederum ein Turbinenstrom berechnet wird. Ferner erfolgt eine Befehlsgabe an den Turbolader, bei dem berechneten Turbinenstrom zu arbeiten.
• In der US 2009/0090107 A1 ist ein ähnliches Verfahren zum Steuern eines Turboladers beschrieben, welches ein physikalisches Modell des Turboladers verwendet.
• Die US 2012/0222417 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren zum Steuern eines Turboladers.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verfahren zum Steuern eines Turboladers zu schaffen, mit dem ein gewünschter Ladedruck des Turboladers zuverlässig und ohne zeitliche Verzögerung erreicht werden kann.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Das Verfahren ist zum Steuern eines Turboladers vorgesehen. Der Turbolader hat eine mit einem Auspuff eines Verbrennungsmotors funktional verbundene Turbine und einen Kompressor bzw. Verdichter, der mit einem Einlass des Motors funktional verbunden ist. Das Verfahren beinhaltet ein Berechnen eines Ladedruckbefehls für den Kompressor.
• Das Verfahren beinhaltet ein Berechnen eines Kompressorstroms und einer Kompressorleistung anhand des berechneten Ladedruckbefehls und des berechneten Kompressorstroms sowie ein Berechnen eines Turbinenstroms anhand der berechneten Kompressorleistung. Das Verfahren beinhaltet ebenfalls, dem Turbolader zu befehlen, bei dem berechneten Turbinenstrom zu arbeiten, wodurch der gewünschte Ladedruck dem Motor zur Verfügung gestellt wird.
• Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Verfahren und anderer Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung, welche nur durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, ohne weiteres ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.
• Figurenliste
• 1 ist ein schematisches Diagramm eines Teils eines Antriebsstrangs mit einem variablen Turbolader;
• 2 ist ein schematisches Diagramm einer Controller-Architektur, welche mit dem in 1 dargestellten Antriebsstrang verwendet werden kann; und
• 3 ist ein schematisches Flussdiagramm, das einen Algorithmus oder ein Verfahren zum Steuern eines Turboladers wie z.B. innerhalb des Antriebsstrangs von 1 veranschaulicht.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Bezug nehmend auf die Zeichnungen entsprechen gleiche Bezugszeichen, wo immer möglich, in all den verschiedenen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten. In 1 ist ein Teil eines Antriebsstrangs 10 dargestellt, der ein herkömmlicher oder Hybrid-Antriebsstrang sein kann. Der schematische Antriebsstrang 10 beinhaltet einen Verbrennungsmotor 12 und einen Turbolader 14. Der Motor 12 kann ein Ottomotor oder Dieselmotor sein.
• Wie in 1 dargestellt ist, steht ein Steuerungssystem 16 in Verbindung mit dem Antriebsstrang 10 und kann diesen betreiben. Das Steuerungssystem 16 ist in äußerst schematischer Form veranschaulicht. Das Steuerungssystem 16 ist an Bord des Fahrzeugs montiert und steht in Verbindung mit mehreren Komponenten des Antriebsstrangs 10. Das Steuerungssystem 16 führt eine bordeigene Echtzeitdetektion, diagnostische und Berechnungsfunktionen für den Antriebsstrang 10 durch.
• Das Steuerungssystem 16 kann ein oder mehrere Komponenten mit einem Speichermedium und einem geeigneten Umfang eines programmierbaren Speichers enthalten, welche ein oder mehrere Algorithmen oder Verfahren, um eine Steuerung des Antriebsstrangs 10 zu bewerkstelligen, speichern und ausführen können. Jede Komponente des Steuerungssystems 16 kann eine verteilte Controller-Architektur einschließen und kann Teil einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) sein. Zusätzliche Module oder Prozessoren können innerhalb des Steuerungssystems 16 vorhanden sein. Falls der Antriebsstrang 10 ein Hybrid-Antriebsstrang ist, kann auf das Steuerungssystem 16 alternativ als ein Hybrid-Steuerungsprozessor (HCP) verwiesen werden.
• Der Turbolader 14 enthält eine Turbine 20, die mit einer Abgasseite des Motors 12 funktional verbunden ist, worauf einfach als Auspuff 22 verwiesen werden kann. Die Turbine 20 ist zwischen dem Auspuff 22 und einem Turbinenausgang 24 angeordnet, der dann durch zusätzliche Komponenten (zum Beispiel Schalldämpfer, katalytische Wandler und dergleichen) verlaufen kann, bevor Abgasprodukte in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
• Der Turbolader 14 ist sowohl mit einem Bypassventil bzw. Wastegate 26 als auch einer Turbine mit variabler Geometrie, worauf einfach als VGT 28 verwiesen werden kann, ausgestattet dargestellt. Jedoch weisen viele Ausführungsformen nur das eine oder andere auf. Das Wastegate 26 ist so eingerichtet, dass selektiv ermöglicht wird, dass aus dem Auspuff 22 austretendes Gas die Turbine 20 umgeht, was dadurch eine Strömung durch die Turbine 20 ändert. Die VGT 28 ändert selektiv ein effektives Aspektverhältnis der Turbine 20, indem eine VGT-Stellung variiert wird, was dadurch die Antwort der Turbine 20 auf einen Strom vom Auspuff 22 ändert.
• Der Turbolader 14 enthält auch einen Verdichter bzw. Kompressor 30, der mit einer Einlass- bzw. Ansaugseite des Motors 12 funktional verbunden ist, auf die einfach als Einlass 32 verwiesen werden kann. Der Kompressor 30 ist zwischen dem Einlass 32 und einer Atmosphäre 34 angeordnet. Wie hierin verwendet verweist die Atmosphäre 34 allgemein auf die auf der Seite des Kompressors 30 in den Turbolader 14 eintretende Luft. Man beachte, dass vor der Atmosphäre 34 Luft schon durch andere Komponenten wie zum Beispiel Luftfilter gelangt sein kann.
• Zusätzliche Komponenten können zwischen dem Kompressor 30 und dem Motor 12 angeordnet sein. Beispielsweise, und ohne Beschränkung, kann ein Zwischenkühler die Temperatur der den Kompressor 30 verlassenden Luft vor einem Eintreten in den Motor 12 verringern. In einigen Ausführungen wird eine Abgasrückführung, hierin als EGR 36 bezeichnet und in gestrichelten Linien dargestellt, selektiv einige Abgase vom Auspuff 32 zum Einlass 32 befördern, um mit vom Kompressor 30 abgegebener Luft kombiniert zu werden. Für einige der Verfahren, die hierin beschrieben werden, können Berechnungen bezüglich des Turboladers 14 modelliert werden, als ob die EGR 36 ein Teil des Motors 12 ist und mit einer Aktivität des Turboladers 14 nicht in Beziehung steht.
• Die Turbine 20 ist so eingerichtet, dass Leistung zum Kompressor 30 übertragen wird. In vielen Ausführungen ist der Kompressor 30 mit der Turbine 20 für eine im Wesentlichen gemeinsame Rotation damit mechanisch verbunden. Andere Ausführungen können jedoch existieren, in welchen die Turbine 20 und der Kompressor 30 durch Zahnrad- bzw. Getriebeanordnungen gekoppelt oder über Generator-Motor-Kombinationen elektrisch gekoppelt sind.
• Die Turbine 20 wandelt einen gewissen Teil der Energie der Abgase, die den Auspuff 22 verlassen, in mechanische Energie um, die zum Kompressor 30 übertragen wird. Der Kompressor 30 wiederum nutzt die mechanische Energie, um Luft aus der Atmosphäre 34 unter Druck zu setzen und diese unter Druck gesetzte Luft an den Einlass 32 zu liefern.
• In der gesamten Beschreibung können Symbole verwendet werden, um beim Beschreiben verschiedener Charakteristiken oder Zustände des Antriebsstrangs, seien sie bekannt, unbekannt oder bestimmt und fixiert oder variabel, zu helfen. Wann immer möglich werden Standard- oder leicht erkennbare Symbole und Nomenklaturkombinationen verwendet. Diese Beschreibung versucht, eine konsistente Nomenklatur für alle Symbole beizubehalten. Der Fachmann erkennt jedoch, dass äquivalente Symbole oder Nomenklatur austauschbar verwendet werden können.
• Der Buchstabe „a“ kann Charakteristiken der Atmosphäre 34 bezeichnen, so dass Druck und Temperatur in der Atmosphäre 34 durch P_a bzw. Ta bezeichnet werden können. Ähnlich können die Buchstaben „to“ Charakteristiken des Turbinenausgangs 24 bezeichnen, so dass Druck und Temperatur am Turbinenausgang 24 durch Pto bzw. Tto bezeichnet werden können.
• Der Buchstabe „i“ kann Charakteristiken des Einlasses 32 bezeichnen, und die Buchstaben „ex“ können Charakteristiken des Auspuffs 22 bezeichnen, so dass ein Druck an dem Einlass 32 und dem Auspuff 22 durch P_i bzw. Pex bezeichnet werden können. Der Buchstabe „t“ kann Charakteristiken der Turbine 20 bezeichnen, und der Buchstabe „c“ kann Charakteristiken des Kompressors 30 bezeichnen, so dass Leistung an der Turbine 20 und dem Kompressor 30 als „Et“ bzw. „E_c“ bezeichnet werden können. Wenn im Turbolader 14 enthalten, kann das Wastegate 26 mit dem Buchstaben „wg“ bezeichnet sein.
• Der Antriebsstrang 10 enthält Sensoren oder Sensorpunkte, welche in 1 als Dreiecke schematisch dargestellt sind. Diese Sensoren oder Sensorpunkte können allgemein eine Komponente oder einen Bestimmungspunkt für eine oder mehrere Charakteristiken des Antriebsstrangs 10 repräsentieren. Durch jeden einzelnen Sensor oder Sensorpunkt, der in 1 veranschaulicht ist, kann mehr als ein Zustands-, Charakteristiken- oder Variablenwert bestimmt werden.
• Ein Atmosphären-Sensorpunkt 40 und ein Massenstromsensor 42 messen oder bestimmen auf andere Weise die Charakteristiken der in den Kompressor 30 des Turboladers 14 eintretenden Luft. Ein Ansaug- bzw. Einlass-Sensorpunkt 44 repräsentiert Charakteristiken zwischen dem Kompressor 30 und dem Einlass 32.
• Auf den Druck am Einlass P_i kann auch als der Ladedruck verwiesen werden, und er ist die Abgabe von Energie, die von der Turbine 20 zum Kompressor 30 übertragen wird. In vielen Ausführungen enthält der Einlass-Sensorpunkt 44 einen realen Sensor, der den tatsächlichen Ladedruck bestimmt. Der Einlass-Sensorpunkt 44 repräsentiert jedoch auch die Stelle eines gewünschten Ladedrucks oder Ladedruckbefehls, welcher der Druck ist, der so eingerichtet ist, dass ausreichend Verbrennungsreaktant für den Motor 12 zur Verfügung gestellt wird.
• Basierend auf den Betriebsanforderungen des Antriebsstrangs 10 oder des Motors 12 werden eine bestimmte Menge an Kraftstoff und eine bestimmte Luftmenge für eine Verbrennung innerhalb des Motors 12 angefordert. Diese sind die primären Reaktanten, die zu einer Verbrennung beitragen, welche Leistung für den Antriebsstrang 10 erzeugt. In einigen Systemen kann der gewünschte Ladedruck als eine Eingabe oder vorgegeben betrachtet werden; aber in anderen wird der gewünschte Ladedruck berechnet oder bestimmt.
• Der gewünschte Ladedruck kann aus der Gaspedalstellung oder anderen Leistungs- und Drehmomentanforderungen für den Motor 12 bestimmt werden, wie sie durch das Steuerungssystem 16 bestimmt werden. Für den besten Betrieb ist der gewünschte Ladedruck gleich dem tatsächlichen Ladedruck. Eine beispielhafte Formel zum Bestimmen des gewünschten Ladedrucks wird im Folgenden beschrieben.
• Ein Auspuff-Sensorpunkt 46 misst oder bestimmt auf andere Weise die Charakteristiken von Verbrennungsreaktanten, die den Motor 12 durch den Auspuff 22 verlassen. Der Auspuff-Sensorpunkt 46 kann die Temperatur Tex der Gase messen, die in den Turbolader 14 eintreten. In einigen Ausführungen werden der Druck und Massenstrom Pex und ̇ṁ_ex des Auspuffs 22 nicht bekannt sein, so dass der Auspuff-Sensorpunkt 46 die gewünschte Stelle bezeichnet, an der jene Charakteristiken bestimmt werden. Ein Turbinenausgangs-Sensorpunkt 48 misst oder bestimmt auf andere Weise die Charakteristiken von Verbrennungsreaktanten, die den Turbolader 14 verlassen.
• Um den gewünschten Ladedruck zu liefern, variiert das Steuerungssystem 16 die Leistung der Turbine 20. Ein Variieren des Stroms vom Abgasen durch die Turbine 20 variiert eine Leistungsabgabe der Turbine 20, welche Energie aus den Abgasen gewinnt und diese Energie zum Kompressor 30 überträgt. Die den Auspuff 22 verlassenden Gase können jedoch in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors 12 stark variieren, was wiederum die von der Turbine 20 aufgenommene und zum Kompressor 30 übertragene Leistung variiert und erschwert, den gewünschten Ladedruck genau bereitzustellen.
• Eine Lösung, um den gewünschten Ladedruck für den Antriebsstrang 10 zu liefern, besteht darin, große, mehrdimensionale Nachschlagetabellen zu erzeugen. Diese Nachschlagetabellen umfassen zumindest Atmosphärendruckbedingungen, einen Luftstrom in den Turbolader 14, Betriebszustände des Motors 12 und Bedingungen am Auspuff 22. Solche Nachschlagetabellen können sehr groß sein und können nur innerhalb eines kleinen Bereichs von Atmosphärendruckbedingungen genau sein. Daher können verschiedene Nachschlagetabellen erforderlich sein, falls das Fahrzeug zwischen einem Betrieb in großer Höhe und auf Meeresniveau oder zwischen extremen Temperaturzonen bewegt wird. In solchen Fällen müssen diese Nachschlagetabellen aus einer Kalibrierung und einem Test an jedem realen Fahrzeug abgeleitet werden, in das der Antriebsstrang 10 installiert ist, um Fertigungsschwankungen zu berücksichtigen.
• Eine andere Lösung, um den gewünschten Ladedruck bereitzustellen, besteht für den Antriebsstrang 10 darin, eine Closed-Loop- bzw. Rückmeldung mit geschlossenem Regelkreis zu nutzen. In solch einem System wird der tatsächliche Ladedruck überwacht und mit dem gewünschten Ladedruck verglichen. Falls es eine Differenz zwischen dem tatsächlichen Ladedruck und dem gewünschten Ladedruck gibt, wird eine Einstellung an der Leistung der Turbine 20 vorgenommen. Falls zum Beispiel der tatsächliche Ladedruck zu niedrig ist, wird die Leistungsabgabe der Turbine 20 erhöht. Ein Regelkreissystem weist jedoch wahrscheinlich eine beträchtliche Zeitverzögerung auf, so dass der tatsächliche Ladedruck dem gewünschten Ladedruck (zeitlich) folgt.
• Für den Antriebsstrang 10 implementiert das Steuerungssystem 16 ein Verfahren oder einen Algorithmus zum Steuern der Leistung der Turbine 20. Das Verfahren ist ein Feed-Forward-Verfahren, welches den Turbolader 14 anweist, bei Einstellungen - durch Änderung entweder des Wastegate 26 oder der VGT-Stellung - zu arbeiten, was dazu führt, dass der tatsächliche Ladedruck im Wesentlichen gleich dem gewünschten Ladedruck ist. Das Steuerungssystem 16 kann dann auch ein Regelkreis-Modifikationssystem nutzen, um, falls notwendig, geringfügige Korrekturen an der Ausgabe des Feed-Forward-Verfahrens vorzunehmen.
• Bezug nehmend nun auf 2 und mit fortgesetztem Verweis auf 1 ist ein schematisches Diagramm einer Controller-Architektur 50 dargestellt, welche innerhalb des Steuerungssystems 16 verkörpert sein kann. Die Architektur 50 veranschaulicht, wie das Steuerungssystem 16 verschiedene Eingaben überwachen und mehrere Befehle zum Betreiben des Motors 12 berechnen kann.
• Ein Satz überwachter Eingaben 52 wird in eine Nachschlagetabelle 54 und eine Nachschlagetabelle 56 eingespeist. Die überwachten Eingaben 52 umfassen zumindest eine Kraftstoffmenge, die vom Motor 12 genutzt wird, und eine Drehzahl des Motors 12. Die Nachschlagetabelle 54 bestimmt aus den überwachten Eingaben 52 einen EGR-Bruchteil, EGRf. Der EGR-Bruchteil ist die Menge an umgewälzten Abgasen als Bruchteil der Menge an in den Einlass 32 eingespeister Ansaugluft. Die Nachschlagetabelle 56 bestimmt aus den überwachten Eingaben 52 einen Ladestrombefehl, ṁ_c.
• Das Steuerungssystem 16 nutzt den EGR-Bruchteil, um einen EGR-Strombefehl m_EGR, bei einer EGR-Mengenstrom-Umwandlung 58 zu bestimmen. Der EGR-Strombefehl kann mit der Formel m_EGR = ṁ_c * EGRf bestimmt werden.
• Das Steuerungssystem 16 nutzt den Ladestrombefehl, um einen gewünschten Ladedruck bei einer Umwandlung 60 Ladung zu Ladedruck zu bestimmen. Prozesse zum Bestimmen des gewünschten Ladedrucks werden hierin ausführlicher diskutiert.
• Der EGR-Strombefehl wird von einer EGR-Feed-Forward-Steuerung 62 verwendet, und der gewünschte Ladedruck wird von einer Ladedruck-Feed-Forward-Steuerung 64 genutzt. Die EGR-Feed-Forward-Steuerung 62 ist in eine EGR-Ventilsteuerung 66 eingebaut, welche die Stellung eines (nicht dargestellten) EGR-Ventils bestimmt, um den Strom von Abgasen zwischen dem Auspuff 22 und dem Einlass 32 des Motors 12 zu variieren.
• Die Ladedruck-Feed-Forward-Steuerung 64 ist in eine Turbostromsteuerung 68 eingebaut, welche einen Betrieb des Turboladers 14 bestimmt, um die von der Turbine 20 zum Kompressor 30 übertragene Leistung zu variieren. Die Turbostromsteuerung 68 kann mit dem Wastegate 26, der VGT 28 oder beiden gekoppelt sein und diese steuern.
• Die Architektur 50 ist auch mit einem Rückkopplungs-Controller 70 dargestellt, der ein für eine Regelkreismodifikation genutzter MIMO-Controller sein kann. Basierend auf tatsächlichen, gemessenen Zuständen an der EGR 36 und dem Einlass-Sensorpunkt 44 sendet der Rückkopplungs-Controller 70 Modifikationssignale an die EGR-Ventilsteuerung 66 bzw. die Turbostromsteuerung 68. Falls es geringfügige Fehler in den Befehlen des offenen Regelkreises von der Feed-Forward-Steuerung 62 für EGR und der Feed-Forward-Steuerung 64 für den Ladedruck gibt, kann daher der Rückkopplungs-Controller 70 geringfügige Korrekturen implementieren, um den gewünschten EGR-Strombefehl und den gewünschten Ladedruck besser zu erreichen.
• Bezug nehmend nun auf 3 und mit fortgesetztem Verweis auf 1 - 2 ist ein Verfahren 100 zum Steuern eines Antriebsstrangs wie zum Beispiel des in 1 dargestellten Antriebsstrangs 10 dargestellt. Das Verfahren 100 kann innerhalb des Steuerungssystems 16 vollständig oder teilweise ausgeführt werden.
• 3 zeigt nur ein Diagramm des Verfahrens 100 auf hoher Ebene. Die exakte Reihenfolge der Schritte des dargestellten Algorithmus oder Verfahrens 100 muss nicht obligatorisch sein. Schritte können umgeordnet werden, Schritte können weggelassen werden, und zusätzliche Schritte können einbezogen werden. Überdies kann das Verfahren 100 ein Teil oder eine Subroutine eines anderen Algorithmus oder Verfahrens sein.
• Zu Veranschaulichungszwecken wird das Verfahren 100 mit Verweis auf Elemente und Komponenten beschrieben, die in Bezug auf 1 dargestellt und beschrieben wurden, und kann vom Antriebsstrang 10 selbst oder von dem Steuerungssystem 16 ausgeführt werden. Andere Komponenten können jedoch verwendet werden, um das Verfahren 100 und die in den beigefügten Ansprüchen definierte Erfindung in die Praxis umzusetzen. Jeder der Schritte kann von mehreren Steuerungen oder Komponenten des Steuerungssystems 16 ausgeführt werden.
• Schritt 110: Starten/Überwachen beginnen.
• Das Verfahren 100 kann bei einem Start- oder Initialisierungsschritt beginnen, während welcher Zeit das Verfahren 100 aktiviert wird und Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, des Antriebsstrangs 10 und insbesondere des Motors 12 und des Turboladers 14 überwacht. Eine Initiierung kann zum Beispiel als Antwort darauf stattfinden, dass der Fahrer den Zündschlüssel einsteckt, oder als Antwort darauf, dass bestimmte Bedingungen erfüllt werden. Das Verfahren 100 kann konstant oder ständig in einer Schleife laufen, wann immer das Fahrzeug im Einsatz ist.
• Alle von den Sensorpunkten abgegebenen Daten können von dem Verfahren 100 überwacht werden. Einfache Berechnungen innerhalb des Steuerungssystems 16 oder von anderen Modulen oder Controllern gelieferte Daten werden überdies nicht im Detail beschrieben und können als vom Verfahren 100 überwacht betrachtet werden.
• Schritt 112: Gewünschten Ladedruck bestimmen.
• Das Verfahren 100 beinhaltet ein Bestimmen eines Ladedruckbefehls und eines gewünschten Ladedrucks P_i für den Kompressor 30. Der gewünschte Ladedruck kann bei einer nicht beanspruchten Ausführungsform von einem anderen Controller geliefert werden und so eingerichtet sein, dass genügend Verbrennungsreaktant für den Motor 12 zur Verfügung gestellt wird. Betrachtungen hinsichtlich des gewünschten Ladedrucks beinhalten eine Pedalstellung oder andere Leistungs- und Drehmomentanforderungen für den Motor 12.
• Erfindungsgemäß wird der gewünschte Ladedruck vom Steuerungssystem 16 als Teil des Verfahrens 100 berechnet. Der gewünschte Ladedruck kann gemäß einer als Gleichung 1 dargestellten Ladedruck-Befehlsgleichung bestimmt werden. $${\text{P}}_{\text{i}}=\frac{2\text{R}\cdot {\text{T}}_{\text{i}}\cdot {\dot{\text{m}}}_{\text{c}}}{\text{n}\cdot \text{D}\cdot \mathrm{\eta }\left(\text{EGRf}\text{,n}\right)}$$

  
• In der Ladedruck-Befehlsgleichung ist R die ideale Gaskonstante; T_i die Einlasstemperatur; ṁ_c der Ladestrombefehl; n die Drehzahl (oft in UpM) des Motors 12; D ist der Motorhubraum; und η ist die volumetrische Effizienzgleichung des Motors, welche eine Funktion des EGR-Bruchteils EGRf und der Drehzahl ist. In Ausführungen ohne die EGR 36 ist der Ladestrombefehl gleich einem Atmosphärenmassenstrom ṁ_a; aber mit der EGR 36 ist der Ladestrombefehl gleich der Summe des Atmosphärenmassenstroms und des EGR-Massenstroms ṁ_EGR.
• Schritt 114: Kompressorleistung berechnen.
• Anhand des gewünschten Ladedrucks berechnet das Verfahren 100 eine Kompressorleistung für den Kompressor 30. Allgemein ist die Kompressorleistung der Leistungsbetrag, der benötigt wird, um den Atmosphärendruck P_a auf den gewünschten Ladedruck P_i zu erhöhen.
• Die gewünschte Kompressorleistung wird erfindungsgemäß anhand einer Polynomgleichung definiert. Sie kann alternativ anhand einer Nachschlagetabelle definiert werden. Die Kompressorleistung hängt zusammen mit der Enthalpie des Kompressors 30, multipliziert mit einer Kompressorleistungsfunktion. Die gewünschte Kompressorleistung kann aus Gleichung 2 bestimmt werden. $${\text{E}}_{\text{c}}=\text{v}\cdot {\text{h}}_{\text{c}}\cdot {\text{r}}_{\text{c}}\left({\text{P}}_{\text{rc}}{\text{,Q}}_{\text{c}}\right)$$

  
• Beim Bestimmen der gewünschten Kompressorleistung aus Gleichung 2 ist h_c die Kompressorenthalpie, und v ist ein Korrekturfaktor, basierend auf der Enthalpie der Turbine 20, welche Leistung an den Kompressor 30 abgibt; und r_c ist die Kompressorleistungsfunktion, bestimmt aus dem Kompressordruckverhältnis Prc, und dem korrigierten Kompressorstrom Qc.
• Das Kompressordruckverhältnis Prc ist gleich P_i/P_a und repräsentiert den vom Kompressor 30 gelieferten Druckgewinn. Der Atmosphärendruck P_a ist vom Atmosphären-Sensorpunkt 30 bekannt, und der gewünschte Ladedruck P_i wird entweder als gegeben an das Verfahren 100 geliefert oder wird aus der Ladedruck-Befehlsgleichung hierin bestimmt.
• Der korrigierte Kompressorstrom Q_c und der korrigierte Turbinenstrom Qt werden vom Verfahren 100 als eine Alternative zu dem tatsächlichen Kompressorstrom ṁ_a und dem tatsächlichen Turbinenstrom ṁ_t verwendet. Der korrigierte Kompressorstrom wird aus einer Gleichung 3 berechnet. $${\text{Q}}_{\text{c}}={\dot{\text{m}}}_{\text{a}}\cdot \text{v}\left({\text{P}}_{\text{a}}{\text{,T}}_{\text{a}}\right)$$

  
• In Gleichung 3 ist v die Korrekturfaktorfunktion. Durch Verwenden des korrigierten Stroms anstelle des tatsächlichen Stroms berücksichtigt das Verfahren 100 eine Änderung der Höhenlage und Temperatur, was verhindert, dass das Verfahren 100 eine wesentliche Nachkalibrierung benötigt, falls das Fahrzeug Höhenlagen- oder Temperaturzonen wechselt.
• Die Korrekturfaktorfunktion v kann eine beliebige Zahl von Funktionen sein, basierend auf Druck, Temperatur oder anderen Eingaben, die ermöglichen, dass der korrigierte Kompressorstrom Änderungen der Höhenlage oder Temperatur berücksichtigt. Erfindungsgemäß weist die Korrekturfaktorfunktion v eine inverse Beziehung zur Luftdichte auf, so dass der korrigierte Kompressorstrom eine Gleichung 4 wird. $${\text{Q}}_{\text{c}}={\dot{\text{m}}}_{\text{a}}\cdot \text{v}\left({\text{P}}_{\text{a}}{\text{,T}}_{\text{a}}\right)={\dot{\text{m}}}_{\text{a}}\cdot \left({\text{T}}_{\text{a}}/{\text{P}}_{\text{a}}\right)$$

  
• Die gewünschte Kompressorstromleistung wird erfindungsgemäß in eine Polynomfunktion entwickelt, wie in Gleichung 5 dargestellt ist. $${\text{E}}_{\text{c}}=\text{v}\left({\text{P}}_{\text{to}}{\text{,T}}_{\text{ex}}\right)\cdot {\text{h}}_{\text{c}}\cdot \left({\text{a}}_1+{\text{a}}_2{\text{Q}}_{\text{c}}+{\text{a}}_3{\text{Q}}_{\text{c}}{}^2+{\text{a}}_4{\text{P}}_{\text{rc}}+{\text{a}}_5{\text{P}}_{\text{rc}}{}^2+{\text{a}}_6{\text{Q}}_{\text{c}}{\text{P}}_{\text{rc}}\right)$$

  

  welche der obigen grundlegenden Funktion für die gewünschte Kompressorleistung im Wesentlichen äquivalent ist. In der Polynomfunktion für die Kompressorleistung ist Tex die Temperatur des Auspuffs 22, und Pto ist der Druck am Turbinenausgang, welche beide verwendet werden, um eine Korrekturfaktorfunktion v als Folge von Bedingungen an der Turbine 20 zu bestimmen; und a₁ bis a₆ sind Konstanten. Die Konstanten a₁ bis a₆ basieren auf den spezifischen Charakteristiken des Turboladers 14 und können durch zum Beispiel eine Dynamometer- bzw. Prüfstandmessung oder eine Modellierung mit numerischen Methoden der Strömungsdynamik (engl.: computational fluid dynamics) bestimmt werden.
• Die Enthalpie der Turbine 20 und des Kompressors 30 kann bestimmt werden durch das Verfahren 100 basierend auf der Stromrate und Temperatur der durch die Turbine 20 und den Kompressor 30 gelangenden Gase. Die Enthalpie der Turbine 20, ht, und des Kompressors 30, h_c, können in Gleichung 6 und Gleichung 7 ausgedrückt werden. $${\text{h}}_{\text{t}}={\dot{\text{m}}}_{\text{t}}{\text{c}}_{\text{p}}{\text{T}}_{\text{ex}}$$

  

  $${\text{h}}_{\text{c}}={\dot{\text{m}}}_{\text{a}}{\text{c}}_{\text{p}}{\text{T}}_{\text{a}}$$

  
• In den Gleichungen 6 und 7 ist c_p die spezifische Wärme, und Ta und Tex sind die Atmosphären- bzw. Abgastemperatur. Falls der Turbolader 14 mit der VGT 28 ausgestattet ist und das Wastegate 26 nicht enthält, sind der Turbinenstrom und der Abgasstrom gleich, so dass ṁ_t = ṁ_ex gilt.
• Man beachte, dass, wie hierin dargestellt ist, die Turbinenenthalphie nicht direkt berechnet werden kann. Stattdessen bestimmt das Verfahren 100 das Turbinendruckverhältnis und den korrigierten Turbinenstrom aus der Kompressorleistung und der Trägheitsleistung (engl. inertial power), ohne die Turbinenenthalpie zu bestimmen.
• Man beachte, dass die obige Kompressorleistungsfunktion oder Polynomfunktion für die Kompressorleistung in eine oder mehrere Nachschlagetabellen umgewandelt werden kann, obgleich die jeweiligen Nachschlagetabellen groß sein können. Im Wesentlichen kann, wie hierin verwendet, jede Funktion in eine Nachschlagetabelle platziert werden, statt vom Steuerungssystem 16 direkt aus der Gleichung berechnet zu werden. Je nach der Anzahl von Eingaben in die Gleichung können Nachschlagetabellen einen Berechnungsdurchsatz für das Verfahren 100 entweder erhöhen oder verringern.
• Schritt 116: Trägheitsleistung und optional Turbinenleistung berechnen.
• Das Verfahren 100 kann optional die Turbinenleistung oder gewünschte Turbinenleistung Et berechnen. Diese Berechnung kann direkt über Gleichung 8 stattfinden. $${\text{E}}_{\text{t}}={\text{h}}_{\text{t}}\cdot {\text{r}}_{\text{t}}\left({\text{P}}_{\text{rt}}\text{,VGT}\right)={\text{h}}_{\text{t}}\cdot {\text{r}}_{\text{t}}\left({\text{Q}}_{\text{t}}\text{,VGT}\right)$$

  
• Die gewünschte Turbinenleistung ist die Leistung, die von der Turbine 20 benötigt wird, um die berechnete Kompressorleistung dem Kompressor 30 zur Verfügugn zu stellen. Daher kann das Verfahren 100 die Kompressorleistung auch verwenden, um die gewünschte Turbinenleistung indirekt zu berechnen. Unter den meisten Betriebsbedingungen dreht sich der Turbolader 14 schon schnell und wird eine gewisse Energie und Leistung als Folge seiner Trägheit aufweisen. Daher ist die gewünschte Leistung Et von der Turbine 20 in Gleichung 9 dargestellt. $${\mathrm{\eta }}_{\text{m}}{\text{E}}_{\text{t}}={\text{E}}_{\text{c}}+{\text{E}}_{\text{j}}$$

  
• In der obigen ist E_j die Trägheitsleistung des schnell drehenden Turboladers 14; und η_m ist die mechanische Effizienz bzw. der mechanische Wirkungsgrad zwischen der Turbine 20 und dem Kompressor 30, welche nahe genug Eins sein kann - insbesondere wenn die Turbine 20 und der Kompressor 30 in unmittelbarer Nähe mechanisch gekoppelt sind - so dass η_m in der Turbinenleistungsgleichung ignoriert werden kann.
• Daher berechnet das Verfahren 100 die gewünschte Leistung für die Turbine 20 basierend auf einem Leistungsgleichgewicht zwischen der Kompressorleistung und der Trägheitsleistung. Die Trägheitsleistung ist dargestellt in Gleichung 10. $${\text{E}}_{\text{j}}=\text{J}\cdot \omega \cdot \dot{\omega }$$

  
• In Gleichung 10 bestimmt das Verfahren 100 die Trägheitsleistung aus der Rotation ω und Beschleunigung dω/dt des Turboladers 14 und dem Flächenträgheitsmoment J des Turboladers 14.
• Wie in der Trägheitsleistungsfunktion dargestellt ist, kann das Verfahren 100 die Drehzahl des Turboladers 14 berechnen. Die Drehzahl wird berechnet durch eine Gleichung 10. $$\mathrm{\varpi }={\text{d}}_1+{\text{d}}_2{\text{Q}}_{\text{c}}+{\text{d}}_3{\text{Q}}_{\text{c}}{}^2+{\text{d}}_4{\text{P}}_{\text{rc}}+{\text{d}}_5{\text{P}}_{\text{rc}}+{\text{d}}_6{\text{Q}}_{\text{rc}}{\text{P}}_{\text{rc}}$$

  

  worin d₁ bis d₆ Konstanten sind. Die Konstanten basieren auf spezifischen Charakteristiken des im Antriebsstrang 10 genutzten Turboladers 14 und können zum Beispiel durch Prüfstandtests oder Modellieren mit numerischen Methoden der Strömungsdynamik bestimmt werden. Aus der Drehzahl kann das Verfahren 100 auch die Rotationsbeschleunigung dω/dt des Turboladers 14 bestimmen. Die Beschleunigung kann beispielsweise und ohne Beschränkung bestimmt werden, indem die Ableitung der Drehzahlgleichung genommen wird.
• Alternativ dazu kann eine Beschleunigung durch iteratives Abtasten und Analyse von Änderungen an der Drehzahl bestimmt werden. Aufeinanderfolgende Iterationen des Verfahrens 100 können als zur Zeit_k, augenblickliche oder gegenwärtige Iteration, und Zeit_k-1, die vorherige Iteration, auftretend gekennzeichnet sein. Daher kann das Verfahren 100 die Drehzahl ω von einer Zeit_k und Zeit_k-1 vergleichen und die Änderung zwischen den beiden Iterationen bestimmen. Falls es keine Änderung in der Drehzahl gibt, ist die Beschleunigung Null.
• Mit der Trägheitsleistung und der Kompressorleistung kann das Verfahren 100 eine Berechnung der Turbinenleistung im Wesentlichen überspringen, und das Verfahren 100 kann stattdessen Berechnungsressourcen nutzen, die den Turbinenstrom Qt und das Turbinendruckverhältnis Prt berechnen.
• Schritt 118: Turbinenstrom und -druck berechnen.
• Das Verfahren 100 kann den korrigierten Turbinenstrom als eine Funktion der Kompressorleistung und der Trägheitsleistung berechnen. Das Verfahren 100 kann dann ein Turbinendruckverhältnis als eine Funktion des korrigierten Turbinenstroms berechnen. Der korrigierte Turbinenstrom wird anhand Gleichung 12 berechnet, während optional das Turbinendruckverhältnis anhand Gleichung 13 berechnet wird. $${\text{Q}}_{\text{t}}=\text{f}\left({\text{E}}_{\text{c}}{\text{+E}}_{\text{j}}\right)={\text{b}}_1+{\text{b}}_2{\text{E}}_{\text{c}}+{\text{b}}_3{\text{E}}_{\text{c}}{}^2+{\text{b}}_4{\text{E}}_{\text{j}}$$

  

  $${\text{P}}_{\text{rt}}=\text{f}\left({\text{Q}}_{\text{t}}\right)={\text{c}}_1+{\text{c}}_2{\text{E}}_{\text{c}}+{\text{c}}_3{\text{E}}_{\text{c}}{}^2+{\text{c}}_4{\text{E}}_{\text{j}}$$

  

  worin b₁ bis b₄ und c₁ bis c₄ Konstanten sind. Die Konstanten basieren auf spezifischen Charakteristiken des in dem Antriebsstrang 10 genutzten Turboladers 14 und können durch beispielsweise Prüfstandtests oder ein Modellieren mit numerischen Methoden der Strömungsdynamik bestimmt werden. Als eine Alternative zu den Polynomformen der Gleichungen oder Funktionen für Qt und Prt kann das Verfahren 100 Nachschlagetabellen nutzen, um Qt und Prt aus E_c und E_j zu finden.
• Diese sind die berechneten Stromcharakteristiken, die für die Turbine 20 benötigt werden - als einer Seite des Turboladers 14 -, um ausreichend Leistung an den Kompressor 30 zu liefern - als die andere Seite des Turboladers 14 -, um die ausreichende Leistung bereitzustellen, um den gewünschten Ladedruck P_i zu erreichen. Aus diesen Stromcharakteristiken kann das Verfahren 100 dann bestimmen, wie der Turbolader 14 einen Strom von Abgasen durch die Turbine 20 modifizieren sollte.
• Schritt 120: Wastegate-Stellung oder VGT-Stellung berechnen.
• Ein Modifizieren des Stroms von Abgasen aus dem Auspuff 22 zum Turbinenausgang 24 ändert den effektiven Strom durch die Turbine 20. Überdies ändert ein Modifizieren eines Stroms durch die Turbine 20 den Betrag an Leistung, der aus dem Auspuff 22 gezogen und zum Einlass 32 als der gewünschte Ladedruck übertragen wird. Allgemein tritt die Modifikation über entweder die Wastegate-Stellung des Wastegate 26 oder die VGT-Stellung der VGT 28 auf.
• Ein Ändern der VGT-Stellung ändert Strommuster durch die Turbine 20 selbst. Zum Beispiel ändern veränderliche Flügel oder Schaufeln innerhalb der Turbine 20 selektiv den an die Flügel der Turbine 20 abgegebenen Druck, so dass weniger der verfügbaren Energie von den Gasen auf die Turbine 20 übertragen wird. Das Wastegate 26 erreicht ein ähnliches Resultat, indem ermöglicht wird, dass ein Durchgang von Abgasen durch die Turbine 20 überhaupt vermieden wird. Wenn die Wastegate-Stellung zunimmt, wird weniger des verfügbaren Abgasprodukts durch die Turbine 20 geleitet, bevor es den Turbinenausgang 24 erreicht, so dass weniger der verfügbaren Energie aus den Gasen auf die Turbine 20 übertragen wird.
• Für die Ausführung mit Wastegate 26 wird der Massenstrom vom Auspuff 22 zwischen der Turbine 20 und dem Wastegate 26 geteilt. Daher kann das Verfahren 100 den Abgasstrom und den Wastegate-Strom bestimmen, indem Gleichung 14 bzw. Gleichung 15 verwendet werden. $${\dot{\text{m}}}_{\text{ex}}={\dot{\text{m}}}_{\text{c}}+{\dot{\text{m}}}_{\text{fuel}}-{\dot{\text{m}}}_{\text{egr}}$$

  

  $${\dot{\text{m}}}_{\text{wg}}={\dot{\text{m}}}_{\text{ex}}-{\dot{\text{m}}}_{\text{t}}$$

  

  worin ṁ_fuel die Kraftstoffmenge ist, die dem Ladestrom in dem Motor 12 für eine Verbrennung hinzugefügt wird; und ṁ_EGR ist der Strom der Abgasprodukte, der vom Auspuff 22 über die EGR 36 zurück in den Einlass 32 umgeleitet wird. Man beachte, dass das Verfahren 100 entweder die Effekte der EGR ignorieren kann oder annehmen kann, dass die EGR 36 innerhalb des Motors 12 vollständig enthalten ist.
• Die Wastegate-Stellung wird gesteuert, um die Fläche des Wastegate 26 zu ändern. Durch Vergrößern der Wastegate-Fläche A_wg strömen mehr Gase vom Auspuff 22 durch das Wastegate 26 statt die Turbine 20. Das Verfahren 100 kann die gewünschte Wastegate-Fläche aus einer der folgenden drei Berechnungen bestimmen. Die erste Berechnung nutzt Gleichung 16, in der die Fläche eine Funktion des Wastegate-Stroms (die Differenz zwischen Abgasstrom und Turbinenstrom) und dem Druckverhältnis über die Turbine 20 ist. $${\text{A}}_{\text{wg}}=\text{f}\left({\text{Q}}_{\text{ex}}-{\text{Q}}_{\text{t}}{\text{,P}}_{\text{rt}}\right)$$

  
• Massenstromberechnungen basieren auf der Drosselfunktion Ψ, welche eine standardmäßige, aus der Bernoulli-Gleichung abgeleitete Drosselfunktion ist. Die Massenstromberechnungen für einen Strom durch die Turbine 20, ṁ_t, und den gesamten Abgasstrom ṁ_ex sind gegeben durch Gleichungen 17 bzw. 18. $${\dot{\text{m}}}_{\text{t}}={\text{A}}_{\text{t}}\frac{{\text{P}}_{\text{x}}}{\sqrt{{\text{RT}}_{\text{x}}}}\mathrm{\psi }\left({\text{P}}_{\text{rt}}\right)$$

  

  $${\dot{\text{m}}}_{\text{ex}}=\left({\text{A}}_{\text{t}}+{\text{A}}_{\text{WG}}\right)\frac{{\text{P}}_{\text{x}}}{\sqrt{{\text{RT}}_{\text{x}}}}\mathrm{\psi }\left({\text{P}}_{\text{rt}}\right)$$

  
• In den Massenstromberechnungen bestimmt das Verfahren 100 ṁ_t, indem die Turbine 20 als eine Drossel betrachtet wird, und ṁ_ex indem die Turbine und das Wastegate als eine kombinierte Drossel betrachtet werden; Ψ ist die standardmäßige Drosselfunktion. Aus den Massenstromberechnungen in Gleichung 17 und Gleichung 18 ist eine zweite Berechnung für eine Wastegate-Fläche gegeben als Gleichung 19. $${\text{A}}_{\text{wg}}=\text{f}\left(\frac{{\text{Q}}_{\text{t}}}{{\text{Q}}_{\text{ex}}}{\text{,P}}_{\text{rt}}\right)$$

  
• In Gleichung 19 ist die Wastegate-Fläche eine Funktion eines Stromverhältnisses durch die Turbine 20 und des Druckverhältnisses über die Turbine 20. In vielen Ausführungsformen kann jedoch das Verfahren 100 die Effekte des Turbinendruckverhältnisses Prt ignorieren und eine Wastegate-Fläche Awg einfach als Funktion des Stromverhältnisses Q_t/Q_ex bestimmen.
• Eine dritte Berechnung der Fläche des Wastegate 26 ist in Gleichung 20 gegeben. $${\text{A}}_{\text{wg}}=\text{f}\left(\frac{{\text{E}}_{\text{c}}+{\text{E}}_{\text{j}}}{{\text{P}}_{\text{to}}\sqrt{{\text{T}}_{\text{ex}}}}\text{,}\frac{{\dot{\text{m}}}_{\text{ex}}\sqrt{{\text{T}}_{\text{ex}}}}{{\text{P}}_{\text{to}}}\right)$$

  

  worin jede der Eingaben in die zweite Funktion bekannt ist oder in anderen Teilen des Verfahrens 100 berechnet wird. Die hierin beschriebenen exakten Funktionen können, wo nicht explizit angegeben, bestimmt werden durch zum Beispiel: eine Nachschlagetabelle, ein neuronales Netzwerkmodell oder ein Polynom. Gleichung 20 hat ein Polynomäquivalent ähnlich den veranschaulichten Polynomen der Gleichungen 11, 12 und 13, welche basierend auf einem Test oder einer Modellbildung des exakten Turboladers 14 abgeleitet werden können.
• Ist die Wastegate-Fläche Awg einmal bestimmt, kann ein Stellungsbefehl für das Wastegate 26 in Abhängigkeit von der exakten Form, Ausführung und des Betätigungsmechanismus zum Öffnen und Schließen des Wastegate 26 bestimmt werden. Jedem gegebenen Wastegate 26 kann basierend auf einem elektrischen mechanischen oder elektromechanischen Signalbefehl vom Steuerungssystem 16 befohlen werden, bis zu einer definierten Fläche zu öffnen.
• Ähnlich kann das Verfahren 100 die VGT-Stellung als eine Funktion des korrigierten Turbinenstroms Qt und der gewünschten Turbinenleistung Et bestimmen. Man beachte, dass der Massenstrom durch die Turbine 20 ṁ_t gleich dem gesamten Abgasstrom ṁ_ex in der VGT-Funktion ist, da es keine alternative Route (wie zum Beispiel über ein Wastegate 26) gibt, so dass ṁ_t = ṁ_a + ṁ_fuel gilt. Daher wird die VGT-Stellung aus der gleichen Gleichung wie die Wastegate-Fläche bestimmt; aber die Funktion ist vereinfacht, da sie statt ṁ_t und ṁ_ex nur ṁ_ex berücksichtigen muss. Die VGT-Stellung kann mit Gleichung 21 bestimmt werden. $$VG{T}_{Stellung}=f\left(\frac{E_c+E_j}{P_{to}\sqrt{T_{ex}}},\frac{{\dot{m}}_{ex}\sqrt{T_{ex}}}{P_{to}}\right)$$

  
• Man beachte, dass der Abgasstrom ṁ_ex mit einer Zeitverzögerung τ für die Luftstrommenge ṁ_a berechnet werden kann. Die Zeitverzögerung berücksichtigt die Zeit, die benötigt wird, um Gase vom Atmosphären-Sensorpunkt 40 zum Abgas-Sensorpunkt 46 zu befördern. Daher kann ein Abgasstrom zu einer Zeit t aus der Luftstrommenge zur Zeit t-τ berechnet werden.
• Ein Variieren der VGT-Stellung ändert die von der Turbine 20 aufgenommene Energie und ändert daher einen Druckabfall über die Turbine 20. Das Verfahren 100 kann die Funktion für die VGT-Stellung über Tests oder numerische Methoden der Strömungsdynamik bestimmen und die Funktion über zum Beispiel eine Nachschlagetabelle, ein neuronales Netzwerkmodell oder ein Polynom implementieren.
• Schritt 122: Bei einer Wastegate-Stellung oder VGT-Stellung arbeiten.
• Nach Bestimmen entweder der Wastegate-Stellung oder VGT-Stellung befiehlt das Verfahren 100 einen Betrieb des Turboladers bei der bestimmten Stellung. Einem Stellglied kann signalisiert werden, die Wastegate-Fläche Awg basierend auf der berechneten Wastegate-Stellung zu ändern. Ähnlich kann die VGT 28 ein Stellglied enthalten, um die Stellung der Flügel innerhalb der Turbine 20 basierend auf der berechneten VGT-Stellung zu ändern.
• Entweder wird die Wastegate-Stellung oder die VGT-Stellung genutzt, um den Turbolader 14 basierend auf einem Feed-Forward-Steuerungsschema zu steuern. Mit diesen Steuerungen geht das Verfahren 100 von dem gewünschten Ladedruck zu einer Stromsteuerung für die Turbine 20, um diesen gewünschten Ladedruck im Wesentlichen sofort zu erreichen, als eine Steuerung mit offenem Regelkreis für die Turbine 20 über.
• Schritt 124: Optionale, geringfügige Rückkopplungskorrektur.
• Das Verfahren 100 kann eine dynamische Rückkopplungskorrektur wie in 2 schematisch dargestellt enthalten. Da die durch das Verfahren 100 bestimmten Feed-Forward-Strömungsbedingungen modellierte Schätzungen sind, ist es möglich, dass der gemessene oder tatsächliche Ladedruck P_{i_measured}, vom gewünschten Ladedruck geringfügig abweichen kann.
• Daher enthält das Verfahren 100 optional einen Rückkopplungs-Korrekturschritt, der Closed-Loop-Techniken nutzt, um die Wastegate-Stellung oder die VGT-Stellung basierend auf dem tatsächlichen Ladedruck am Einlass-Sensorpunkt 44 einzustellen. Falls das Verfahren 100 bestimmt, dass der tatsächliche Ladedruck unterhalb des gewünschten Ladedrucks liegt, erhöht das Verfahren 100 einen Strom zur Turbine 20, was ein Verringern der Fläche des Wastegate 26 einschließen kann, um einen Strom zur Turbine 20 zu erhöhen. Falls das Verfahren 100 bestimmt, dass der tatsächliche Ladedruck oberhalb des gewünschten Ladedrucks liegt, verringert entsprechend das Verfahren 100 einen Strom zur Turbine 20, was die zum Kompressor 30 übertragene Leistung reduziert. Diese Rückkopplungssignale können als entweder Einstellungen oder Kombinationen zu den Feed-Forward-Befehlen betrachtet werden.
• Schritt 126: Optionale, dynamische Trägheitskalibrierung.
• Das Verfahren 100 kann eine Kalibrierung der Trägheit J des Turboladers 14 beinhalten, welche in der Trägheitsleistungsgleichung und den Drehzahlgleichungen als Faktor enthalten ist. Die dynamische Kalibrierung kann durch eine Gleichung 22 implementiert werden, in der die Trägheit des Turboladers 14 in nachfolgenden Schleifen basierend auf Differenzen zwischen dem gewünschten Ladedruck P_i und dem tatsächlichen Ladedruck P_{i_measured}, eingestellt wird. $${\text{J}}_{\text{k}+1}={\text{J}}_{\text{k}}+\mathrm{\beta }\cdot \omega \cdot \dot{\omega }\left({\text{P}}_{\text{i}}-{\text{P}}_{\text{i}\_\text{measured}}\right)$$

  
• In Gleichung 22 ist J_k+1 die Trägheit des Turboladers 14 bei nachfolgenden Schleifen oder Iterationen des Verfahrens 100, ist J_k die in der gegenwärtigen Schleife genutzte Trägheit und Beta ist ein Korrekturfaktor. Daher kann das Verfahren 100 Fehler korrigieren, die beim Berechnen der Trägheit des Turboladers 14 verwendet werden, und kann schnell zu einer Konvergenz von J_k und J_k+1 iterieren.
• Schritt 128: Beenden/Wiederholen.
• Nachdem ein Betrieb des Turboladers 14 befohlen und etwaige Korrekturen oder Einstellungen für nachfolgende Schleifen vorgenommen oder aufgezeichnet wurden, endet das Verfahren 100 entweder oder wiederholt sich. Das Verfahren 100 kann weiter den gewünschten Ladedruck P_{i_k+1} für die nächste Iteration und einen Betrieb eines Stroms durch die Turbine 20 bestimmen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Steuern eines Turboladers (14) mit einer mit einem Auspuff (22) eines Verbrennungsmotors (12) funktional verbundenen Turbine (20) und mit einem mit einem Einlass (32) des Motors (12) funktional verbundenen Kompressor (30), wobei das Verfahren umfasst: Berechnen eines Ladedruckbefehls für den Kompressor (30) aus der Gleichung: $${\text{P}}_{\text{i}}=\frac{2\cdot \text{R}\cdot {\text{T}}_{\text{i}}\cdot {\dot{\text{m}}}_{\text{c}}}{\text{n}\cdot \text{D}\cdot \mathrm{\eta }\left(\text{EGRf}\text{,n}\right)}$$

   

   worin R die ideale Gaskonstante ist, T_i die Temperatur am Einlass (32) ist, ṁ_c ein Ladestrombefehl ist, n eine Drehzahl des Motors (12) ist, D der Motorhubraum ist und η die volumetrische Effizienz des Motors (12) ist, welche als Funktion eines EGR-Bruchteils EGRf und der Drehzahl des Motors (12) berechnet wird; Berechnen eines Kompressorstroms aus der Gleichung: $${\text{Q}}_{\text{c}}={\dot{\text{m}}}_{\text{a}}\cdot \left({\text{T}}_{\text{a}}/{\text{P}}_{\text{a}}\right)$$

   

   worin ṁ_a ein Massenstrom zum Kompressor (30) ist, T_a die Atmosphärentemperatur ist und P_a der Atmosphärendruck ist; Berechnen eines Kompressordruckverhältnisses aus der Gleichung: $${\text{P}}_{\text{rc}}={\text{P}}_{\text{i}}/{\text{P}}_{\text{a}}$$

   

   worin P_i der berechnete Ladedruckbefehl und P_a der Atmosphärendruck ist; Berechnen einer Kompressorleistung aus der Gleichung: $${\text{E}}_{\text{c}}=\left({\text{T}}_{\text{ex}}/{\text{P}}_{\text{to}}\right)\cdot {\dot{\text{m}}}_{\text{a}}\cdot {\text{c}}_{\text{p}}\cdot {\text{T}}_{\text{a}}\cdot \left({\text{a}}_1+{\text{a}}_2{\text{Q}}_{\text{c}}+{\text{a}}_3{\text{Q}}_{\text{c}}{}^2+{\text{a}}_4{\text{P}}_{\text{rc}}+{\text{a}}_5{\text{P}}_{\text{rc}}{}^2+{\text{a}}_6{\text{Q}}_{\text{c}}{\text{P}}_{\text{rc}}\right)$$

   

   worin Tex die Abgastemperatur ist, P_to der Druck an einem Ausgang der Turbine (20) ist, ṁ_a ein Massenstromstrom zum Kompressor (30) ist, c_p eine spezifische Wärme ist, T_a die Atmosphärentemperatur ist, a₁ bis a₆ Konstanten sind, Prc das berechnete Druckverhältnis über den Kompressor (30) ist und Q_c der berechnete Kompressorstrom ist; Berechnen eines Turbinenstroms aus der Gleichung: $${\text{Q}}_{\text{t}}={\text{b}}_1+{\text{b}}_2{\text{E}}_{\text{c}}+{\text{b}}_3{\text{E}}_{\text{c}}{}^2+{\text{b}}_4{\text{E}}_{\text{j}}$$

   

   worin E_j eine Trägheitsleistung ist und E_c eine berechnete Kompressorleistung ist; und Befehlsgabe an den Turbolader (14), bei dem berechneten Turbinenstrom zu arbeiten.

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