DE102015107803A1

DE102015107803A1 - Schätzung eines Turbinenexpansionverhältnisses für eine modellbasierte Ladesteuerung

Info

Publication number: DE102015107803A1
Application number: DE102015107803.1A
Authority: DE
Inventors: Ping Ge; Yue-Yun Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-12-03
Also published as: US9822697B2; CN105134391A; US20150345377A1; CN105134391B

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Steuern einer Turbine eines Kraftmaschinensystems vorgesehen, um einen Sollladedruck zu erreichen. Das Verfahren bestimmt einen Sollabgasdruck basierend auf dem Sollladedruck durch Verwendung eines Modells für ein Leistungsgleichgewicht zwischen der Turbine und einem Verdichter des Kraftmaschinensystems. Das Verfahren erzeugt eine Basisanweisung zum Steuern einer Position einer Schaufel der Turbine basierend auf einem Verhältnis des Sollabgasdrucks zu einem gemessenen Turbinenauslassdruck.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine modellbasierte Ladesteuerung für einen Turbolader und insbesondere ein Schätzen eines Turbinenexpansionsverhältnisses, um eine Steueranweisung für die Turbinenschaufelposition zu erzeugen, die den Ladedruck für einen Turbolader steuert.
HINTERGRUND
Herkömmliche Steuersysteme für heutige Kraftmaschinensysteme besitzen zahlreiche Kalibrierungstabellen, um die zahlreichen verschiedenen Betriebsbedingungen handhaben zu können. Überdies müssen, um eine genaue Steuerung von Kraftmaschinensystemen sicherzustellen, die Werte in diesen Tabellen für jedes bestimmte Kraftmaschinensystem genau kalibriert werden. Mit der zunehmenden Komplexität heutiger Kraftmaschinensysteme ist es schwieriger geworden, zahlreiche Einstellpunkte in zahlreichen verschiedenen Tabellen zu kalibrieren, die zur Erzeugung von Steueranweisungen verwendet werden, wie einer Steueranweisung für eine Turbinenschaufelposition, die einen Ladedruck für einen Turbolader steuert. Demgemäß ist es erwünscht, Verfahren und Systeme bereitzustellen, die eine Menge von Kalibrierungstabellen reduzieren, die bei der Erzeugung von Steueranweisungen verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Turbine eines Kraftmaschinensystems vorgesehen, um einen gewünschten Ladedruck zu erreichen. Das Verfahren bestimmt einen gewünschten Abgasdruck basierend auf dem gewünschten Ladedruck durch Verwendung eines Modells für ein Leistungsgleichgewicht zwischen der Turbine und einem Verdichter des Kraftmaschinensystems. Das Verfahren erzeugt eine Basisanweisung zum Steuern einer Position einer Schaufel der Turbine basierend auf einem Verhältnis des Sollabgasdrucks zu einem gemessenen Turbinenauslassdruck.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Kraftmaschinensystem eine Kraftmaschine, eine Turbine, die durch Abgas von der Kraftmaschine angetrieben wird, einen Verdichter, der durch die Turbine angetrieben wird, sowie ein Steuermodul zum Steuern der Turbine, um einen Sollladedruck zu erreichen. Das Steuermodul ist derart konfiguriert, einen Sollabgasdruck basierend auf dem Sollladedruck durch Verwendung eines Modells für ein Leistungsgleichgewicht zwischen der Turbine und einem Verdichter des Kraftmaschinensystems zu bestimmen. Das Steuermodul ist ferner derart konfiguriert, eine Basisanweisung zur Steuerung einer Position einer Schaufel der Turbine basierend auf einem Verhältnis des Sollabgasdrucks zu einem gemessenen Turbinenauslassdruck zu erzeugen.
Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuersystem zum Steuern einer Turbine eines Kraftmaschinensystems vorgesehen, um einen Sollladedruck zu erreichen. Das Steuersystem umfasst ein erstes Modul, das derart konfiguriert ist, einen Sollabgasdruck basierend auf dem Sollladedruck durch Verwendung eines Modells für ein Leistungsgleichgewicht zwischen der Turbine und einem Verdichter des Kraftmaschinensystems zu bestimmen. Das Steuersystem umfasst ferner ein zweites Modul, das derart konfiguriert ist, eine Basisanweisung zur Steuerung einer Position einer Schaufel der Turbine basierend auf einem Verhältnis des Sollabgasdrucks zu einem gemessenen Turbinenauslassdruck zu erzeugen.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen deutlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 ein Kraftmaschinensystem und ein Steuermodul zum Steuern des Kraftmaschinensystems gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
2 ein Blockdiagramm eines Steuermoduls gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt; und
3 ein Flussdiagramm zeigt, das ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt 1 ein Kraftmaschinensystem 100 und ein Steuermodul 102. Das Kraftmaschinensystem 100 weist eine Brennkraftmaschine 104, eine Turbine 106, eine Welle 122, einen Luftverdichter 108, einen Ladeluftkühler 110, ein Abgasrückführungs-(AGR-)Ventil 112, einen AGR-Kühler 114, eine Lufteinlassleitung 116, eine Abgasleitung 118 und eine AGR-Leitung 120 auf. Das Kraftmaschinensystem kann andere Komponenten aufweisen, beispielsweise Ventile an verschiedenen Stellen der Leitungen, die zur Vereinfachung der Darstellung und Beschreibung nicht gezeigt sind.
Die Kraftmaschine 104 kann eine mehrzylindrische Brennkraftmaschine sein und kann ein beliebiger Kraftmaschinentyp sein, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, eine Dieselkraftmaschine, eine Benzinkraftmaschine, eine Kraftmaschine mit homogener Kompressionszündung (HCCI) oder ein anderer Kraftmaschinentyp. Zur Vereinfachung der Darstellung und Beschreibung sind nicht alle Komponenten der Kraftmaschine 104 gezeigt. Beispielsweise sind ein Ansaugkrümmer, ein Abgaskrümmer, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, eine Zündkerze, ein Luft/Kraftstoff-Mischer, etc. die die Kraftmaschine 104 abhängig von dem Kraftmaschinentyp aufweisen kann jedoch nicht muss, nicht gezeigt. Die Kraftmaschine 104 kann eine Zweitaktkraftmaschine oder eine Viertaktkraftmaschine sein.
Eine Lufteinlassleitung 116 leitet Umgebungsluft zu einer Mehrzahl von Zylindern 105 der Kraftmaschine 104. Eine Abgasleitung 118 entfernt Abgase von der Kraftmaschine 104, wenn sie während ihres normalen Betriebs ausgestoßen werden. Der Verdichter 108 verdichtet die Einlassluft, wodurch die Luftdichte erhöht wird, um eine höhere Sauerstoffkonzentration in der der Kraftmaschine 104 zugeführten Luft bereitzustellen. Der Verdichter 108 kann über eine Welle 122 durch die Turbine 106 angetrieben werden, die in der Abgasleitung 118 angeordnet ist. Bei Ausführungsformen ist die Turbine 106 eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT). Die Turbine 106, die Welle 122 und der Verdichter 108 bilden einen Turbolader 109. Eine Rückführung von Abgasen wird durch das AGR-Ventil 112 bewirkt, das in der AGR-Leitung 120 angeordnet ist, die zwischen der Lufteinlassleitung 116 und der Abgasleitung 118 vorgesehen ist. Der AGR-Kühler 114 reduziert die Temperatur der rezirkulierten Abgase vor einem Mischen mit Luft, die durch die Lufteinlassleitung 116 zugeführt wird. Der Druckluftkühler 110 dissipiert die Wärme, die aus der Kompression der Einlassluft resultiert. Jede der Komponenten des Kraftmaschinensystems 100 kann signaltechnisch mit dem Steuermodul 102 verbunden sein, um eine oder mehrere Steueranweisungen von dem Steuermodul 102 zu empfangen.
An verschiedenen Stellen des Kraftmaschinensystems 100 sind Erfassungsvorrichtungen angeordnet, um physikalische Charakteristiken zu überwachen und Signale zu erzeugen, die mit Kraftmaschinen- und Umgebungsparametern in Bezug stehen. Die Erfassungsvorrichtungen können einen Umgebungs- oder Verdichtereinlassluftdrucksensor 124, einen Verdichtereinlasslufttemperatursensor 126, einen Luftmassenstromsensor 128, einen Ansaugkrümmerdrucksensor 130, einen Ansaugkrümmerlufttemperatursensor 132, einen Maschinendrehzahlsensor 134, einen Turbinenauslassdrucksensor 140 und einen VGT-Schaufelpositionssensor 144 aufweisen. Bei Ausführungsformen sind der Verdichtereinlassluftdrucksensor 124, der Verdichtereinlasslufttemperatursensor 126 und der Luftmassenstromsensor 128 stromaufwärts des Verdichters 108 angeordnet. Bei Ausführungsformen sind der Ansaugkrümmerdrucksensor 130 und der Ansaugkrümmerlufttemperatursensor 132 stromabwärts des Verdichters 108 und stromaufwärts der Kraftmaschine 104 angeordnet. Jede der Erfassungsvorrichtungen 124–144 ist signaltechnisch mit dem Steuermodul 102 verbunden, um Signalinformation bereitzustellen, die von dem Steuermodul 102 in Information umgewandelt wird, die den Zustand des jeweiligen überwachten Parameters repräsentiert. Bei Ausführungsformen können einige der Sensorwerte geschätzt werden, anstatt durch Sensoren gemessen zu werden. Beispielsweise können ein Abgaskrümmerdruck, eine Abgaskrümmertemperatur und eine Abgasströmung stromabwärts der Kraftmaschine 104 und stromaufwärts der Turbine 106 unter Verwendung von Schätzmodellen (nicht gezeigt) basierend auf anderen Sensorwerten geschätzt werden.
Das Steuermodul 102 steuert den Betrieb des Kraftmaschinensystems 100 basierend auf den Signalen von den Sensorvorrichtungen und den Umgebungs- und Kraftmaschinenparametern. Beispielsweise steuert bei einer Ausführungsform das Steuermodul 102 die Turbine 106, um eine VGT-Schaufelposition einzustellen, um einen Sollladedruck zu erreichen, indem eine VGT-Schaufelpositionssteueranweisung oder ein VGT-Schaufelpositionssteuersignal an die Turbine 106 gesendet wird. Insbesondere bestimmt bei Ausführungsformen das Steuermodul 102 einen Sollabgasdruck basierend auf einem Sollladedruck unter Verwendung eines Leistungsgleichgewichtsmodells des Turboladers (d. h. eines Modells, das das Leistungsgleichgewicht zwischen der Turbine 106 und dem Verdichter 108 definiert). Das Steuermodul 102 erzeugt dann eine VGT-Schaufelpositionssteueranweisung basierend auf dem Sollabgasdruck unter Verwendung einer Öffnungsgleichung. Durch Erzeugung der VGT-Schaufelpositionssteueranweisung unter Verwendung der Gleichungen muss sich das Steuermodul 102 nicht auf die vielen Kalibrierungstabellen verlassen, die das Steuermodul 102 ansonsten bei der Erzeugung der VGT-Schaufelpositionssteueranweisung zurate ziehen müsste.
2 zeigt ein Blockdiagramm des Steuermoduls 102 von 1 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Das Steuermodul 102 umfasst mehrere Teilmodule, die ein Abgasdruckschätzmodul 202, ein Basisturbinenanweisungserzeugungsmodul 204, ein Diskrepanzbestimmungsmodul 206, ein Diskrepanzkompensationsmodul 208 und ein Endturbinenanweisungserzeugungsmodul 210 umfassen.
Das Abgasdruckschätzmodul 202 ist derart konfiguriert, einen Sollabgasdruck 212 basierend auf dem Sollladedruck 214 und anderen Eingangssignalen und -parametern 216 zu erzeugen. Der Sollladedruck 214 ist ein Signal, das einen Solldruck der komprimierten Luft, die an die Kraftmaschine 104 geliefert wird, angibt, um ein Leistungsziel zu erreichen. Der Sollladedruck 214 kann durch ein Modul (nicht gezeigt), das von dem Steuermodul 102 oder einem anderen Teilmodul (nicht gezeigt) des Steuermoduls 102 verschieden ist, geliefert werden, das den Sollladedruck 214 beispielsweise basierend auf einer Bedienereingabe von einem Gaspedalpositionssensor (nicht gezeigt) oder anderen Signalen und Parametern bestimmt. Die Eingangssignale und -parameter 216 werden auch durch Module (nicht gezeigt), die von dem Steuermodul 102 oder anderen Teilmodulen (nicht gezeigt) des Steuermoduls 102 verschieden sind, geliefert, die diese Signale und Parameter basierend auf Signalen von der/den Sensorvorrichtung(en) des Kraftmaschinensystems 100 und einer oder mehrerer Kalibrierungstabellen (nicht in 1 gezeigt) bestimmen.
Bei Ausführungsformen verwendet das Abgasdruckschätzmodul 202 die folgende Modellgleichung (1), um den Sollabgasdruck zu schätzen:
wobei p_ex,dsr der Sollabgaskrümmerdruck ist, p_to der Turbinenauslassdruck ist, der von dem Abgasturbinenauslassdrucksensor 140 gemessen ist, m ._ex ein geschätzter Abgasdurchfluss ist, der eine Ableitung der Abgasströmung ist, die z. B. basierend auf einer Summierung des Luftmassenstromes und des Kraftstoffmassenstromes zu der Kraftmaschine 104 geschätzt ist; T_ex eine geschätzte Temperatur des in die Turbine 106 strömenden Abgases ist; p_to der Turbinenauslassdruck ist, der von dem Abgasturbinenauslassdrucksensor 140 gemessen ist; P_c,dsr die Sollleistung ist, die von dem Verdichter 108 erzeugt werden soll; und h_t die Abgasenthalpieströmung ist.
ist eine korrelierte Abgasströmung. Wie in der Modellgleichung (1) gezeigt ist, kann der Sollabgaskrümmerdruck durch Multiplizieren des gemessenen Turbinenauslassdrucks mit einer Funktion (f₁) der korrigierten Abgasströmung und eines Verhältnisses der SollVerdichterleistung und der Abgasenthalpieströmung gemessen werden.
Die Modellgleichung (1) wird durch die folgenden Gleichungen (2)–(13) gebildet:
Gleichung (2) dient der Berechnung der Turbinenleistung (P_t), die von der Turbine 106 erzeugte Leistung ist. In Gleichung (2) ist h_t die Abgasenthalpie, die die Energie ist, die von dem in die Turbine 106 strömenden Abgas mitgeführt wird; und r_t ist eine Umwandlungsrate für die Turbinenleistung. Wie in Gleichung (2) gezeigt ist, wird die Turbinenleistung durch Multiplizieren der Abgasenthalpieströmung mit der Umwandlungsrate berechnet. Diese Umwandlungsrate ist gewöhnlich kleiner als Eins, was den Energieverlust zum Antrieb der Turbine 106 angibt.
Die Gleichung (3) dient der Berechnung der Verdichterleistung (P_c), die die Leistung ist, die von dem Verdichter 108 erzeugt wird. Bei Gleichung (3) ist h_c eine Verdichtereinlassluftenthalpieströmung, die die Energie ist, die von der in den Verdichter 108 strömenden Luft mitgeführt ist; und r_c ist eine Umwandlungsrate für die Verdichterleistung. Wie in Gleichung (3) gezeigt ist, wird die Verdichterleistung durch Multiplizieren der Verdichtereinlassluftenthalpieströmung mit der Umwandlungsrate berechnet. Diese Umwandlungsrate ist gewöhnlich größer als Eins, was angibt, dass die Verstärkung der Energie durch den Verdichter 108 durch die Turbine 106 angetrieben wird.
Gleichung (4) dient der Berechnung der Abgasenthalpieströmung (h_t), die die Energie ist, die in dem in die Turbine 106 strömenden Abgas enthalten ist. Bei Gleichung (4) ist m ._ex ein geschätzter Abgasdurchfluss, der eine Ableitung der Abgasströmung ist, die basierend auf beispielsweise einer Summierung des Luftmassenstromes und des Kraftstoffmassenstromes zu der Kraftmaschine 104 geschätzt ist; c_pe ist die spezifische Wärme des in die Turbine 106 strömenden Abgases; und T_ex ist eine geschätzte Temperatur des in die Turbine 106 strömenden Abgases. Wie in Gleichung (4) gezeigt ist, ist die Abgasenthalpieströmung ein Produkt des Abgasdurchflusses, der spezifischen Wärme des Abgases und der Temperatur des Abgases.
Gleichung (5) dient der Berechnung der Verdichtereinlassluftenthalpieströmung (h_c), die die Energie ist, die in der in dem Verdichter 108 strömenden Luft mitgeführt ist. Bei Gleichung (5) ist m .a ein Luftmassendurchfluss, der eine Ableitung des Luftmassenstromes ist, der von dem Luftmassenstromsensor 128 gemessen ist; c_pa ist eine spezifische Wärme der in den Verdichter 108 strömenden Luft; und T_a ist eine Temperatur der in den Verdichter 108 strömenden Luft, die von dem Verdichtereinlasslufttemperatursensor 126 gemessen ist. Wie in Gleichung (5) gezeigt ist, ist die Verdichtereinlassluftenthalpieströmung ein Produkt des Luftmassendurchflusses, der spezifischen Wärme der Verdichtereinlassluft und der Temperatur der Verdichtereinlassluft.
Gleichung (6) dient der Berechnung der korrigierten Abgasströmung (Q_e). Bei Gleichung (6) ist m ._ex ein geschätzter Abgasdurchfluss, der eine Ableitung der Abgasströmung ist, die beispielsweise basierend auf einer Summierung eines Luftmassenstromes und eines Kraftstoffmassenstromes zu der Kraftmaschine 104 geschätzt ist; T_ex ist eine geschätzte Temperatur des in die Turbine 106 strömenden Abgases, und p_to ist der Turbinenauslassdruck, der von dem Abgasturbinenauslassdrucksensor 140 gemessen ist.
Gleichung (7) definiert den Turbinenwirkungsgrad (η_t)_. In Gleichung (7) ist p_ex ein geschätzter Abgaskrümmerdruck; p_to ist ein Turbinenauslassdruck, der von dem Abgasturbinenauslassdrucksensor 140 gemessen ist; und Q_e ist die korrigierte Abgasströmung, die durch Verwendung von Gleichung (6) berechnet ist. Wie in Gleichung (7) gezeigt ist, ist der Turbinenwirkungsgrad eine Funktion (f₂) des Turbinenexpansionsverhältnisses (d. h. eines Verhältnisses von p_ex zu p_to) und der korrigierten Abgasströmung.
Gleichung (8) dient der Berechnung der Umwandlungsrate (r_t) für die Turbinenleistung. Bei Gleichung (8) ist η_t der Turbinenwirkungsgrad, der durch Gleichung (7) berechnet wird; p_ex ist der geschätzte Abgaskrümmerdruck; p_to ist der Turbinenauslassdruck, der von dem Abgasturbinenauslassdrucksensor 140 gemessen ist; und γ ist ein Wärmekapazitätsverhältnis von idealem Gas.
Gleichung (9) dient der Berechnung des korrigierten Luftmassenstromes (Q_c). In Gleichung (6) ist m .a ein Luftmassendurchfluss, der eine Ableitung des Luftmassenstromes ist, der von dem Luftmassenstromsensor 128 gemessen ist; T_a ist eine Temperatur der in den Verdichter 108 strömenden Luft, die von dem Verdichtereinlasslufttemperatursensor 126 gemessen ist; und p_a ist ein Verdichtereinlassdruck (d. h. Umgebungsluftdruck), der von dem Verdichtereinlassluftdrucksensor 124 gemessen ist.
Gleichung (10) definiert den Verdichterwirkungsgrad (η_t). Bei Gleichung (10) ist p_i der Verdichterauslassluftdruck (d. h. Ansaugkrümmerdruck), der von dem Ansaugkrümmerdrucksensor 130 gemessen ist; p_a ist der Verdichtereinlassdruck, der von dem Verdichtereinlassluftdrucksensor 124 gemessen ist; Q_c ist der korrigierte Luftmassenstrom, der durch Verwendung von Gleichung (9) berechnet ist. Wie in Gleichung (10) gezeigt ist, ist der Verdichterwirkungsgrad eine Funktion (f₃) des Verdichterdruckverhältnisses (d. h. eines Verhältnisses von p_c zu p_a) und des korrigierten Luftmassenstromes.
Gleichung (11) dient der Berechnung der Umwandlungsrate (r_c) für die Verdichterleistung. Bei Gleichung (11) ist η_c ein Turbinenwirkungsgrad; p_i ein Verdichterauslassluftdruck, der von dem Ansaugkrümmerdrucksensor 130 gemessen ist; p_a ist ein Verdichtereinlassdruck, der von dem Verdichtereinlassluftdrucksensor 124 gemessen ist; und γ ist ein Wärmekapazitätsverhältnis oder ideales Gas.
Gleichung (12) ist eine dynamische Leistungsgleichgewichtsgleichung, die ein Gleichgewicht der Verdichterleistung und der Turbinenleistung zeigt. Bei Gleichung (12) ist J_t ein Trägheitsmoment der Welle 122, und N_t ist eine Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106. Der zweite Term h_tr_t auf der rechten Seite von Gleichung (12) ist die Turbinenleistung gemäß Gleichung (2), und der Term h_cr_c auf der linken Seite der Gleichung (12) ist die Verdichterleistung gemäß Gleichung (3). Der erste Term auf der linken Seite der Gleichung (12), die ein Produkt des Turbinenwellenträgheitsmoments, der Rotationsbeschleunigung der Turbine 106 und der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine 106 ist, ist eine Differenz zwischen der Turbinenleistung und der Verdichterleistung. Wenn der Turbolader (d. h. die Turbine 106 und der Verdichter 108) in einem stabilen Zustand arbeiten, ist der erste Term auf der linken Seite von Gleichung (12) Null, da die Rotationsbeschleunigung der Turbine 106 in einem stabilen Zustand Null ist. Gleichung (13) ist eine Leistungsgleichgewichtsgleichung, die ein Gleichgewicht der Verdichterleistung und der Turbinenleistung in einem stabilen Zustand zeigt.
Nach der Beschreibung der Gleichungen (2)–(13) wird nun ein Ableiten von Gleichung (1) aus den Gleichungen (2)–(9) beschrieben. Mit der Verwendung der Gleichungen (9)–(11) kann die Gleichung (3) zur Berechnung der Verdichterleistung als die folgende Gleichung (14) umgeschrieben werden:
Die SollVerdichterleistung (P_c,dsr) kann dadurch berechnet werden, dass ein gegebener Sollleistungsdruck p_i,dsr in die Gleichung (14) eingesetzt wird, was in der folgenden Gleichung (15) resultiert:
Unter Verwendung der Gleichungen (6)–(8) kann die Gleichung (2) zur Berechnung der Turbinenleistung als die folgende Gleichung (16) umgeschrieben werden:
Da
auch eine Funktion von p_ex/p_tos ist, kann die Gleichung (16) als die folgende Gleichung (17) umgeschrieben werden:
Unter Verwendung der Leistungsgleichgewichtsgleichung (13) kann die SollVerdichterleistung (P_c,dsr) gleich der Turbinenleistung (P_t), die in Gleichung (17) definiert ist, gesetzt werden, was in der folgenden Gleichung (18) resultiert:
Ein Dividieren beider Seiten von Gleichung (18) resultiert in der folgenden Gleichung (19):
In dem auf beiden Seiten von Gleichung (19) eine inverse Funktion genommen wird, um nach p_ex/p_to aufzulösen, resultiert die folgende Gleichung (20):
Ein Multiplizieren beider Seiten der Gleichung (20) mit p_to resultiert in Gleichung (1):
Das Basisturbinenanweisungserzeugungsmodul 204 erzeugt eine Basis-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 218 basierend auf dem Sollabgasdruck 212, der von dem Abgasdruckschätzmodul 202 empfangen wird. Bei Ausführungsformen verwendet das Basisturbinenanweisungserzeugungsmodul 204 die folgende Gleichung (21), um die Basis-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung (218) zu berechnen:
Bei Gleichung (21) ist p_ex der Abgaskrümmerdruck; p_to ist der Turbinenauslassdruck; p_ex/p_to ist ein Turbinenexpansionsverhältnis; m ._ex ist ein Abgasdurchfluss; T_ex ist eine Abgastemperatur; R ist eine ideale Gaskonstante. Die Gleichung (21) zur Berechnung der VGT-Schaufelposition kann auch von den Gleichungen abgeleitet werden, die in der US Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2012/0173118 beschrieben ist, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Das Basisturbinenanweisungserzeugungsmodul 204 erzeugt die VGT-Schaufelpositionssteueranweisung durch Einsetzen des Sollabgasdrucks 212, der durch das Abgasdruckschätzmodul 202 bestimmt ist. Das Basisturbinenanweisungserzeugungsmodul 204 verwendet auch den Turbinenauslassdruck p_to, der durch den Abgasturbinenauslassdrucksensor 140 gemessen ist, sowie die geschätzte Abgastemperatur. Die Basis-VG-Schaufelpositionssteueranweisung 218 wird mit einer Diskrepanzkompensationsanweisung 222 kombiniert, wie nachfolgend weiter beschrieben ist.
Das Diskrepanzbestimmungsmodul 206 berechnet eine Diskrepanz 220 basierend auf dem Sollladedruck 214 und einem gemessenen Ladedruck 224 von dem Kraftmaschinensystem 100 (z. B. von dem Ansaugkrümmerdrucksensor 130 gemessen). Bei Ausführungsformen subtrahiert das Diskrepanzbestimmungsmodul 206 den gemessenen Ladedruck 224 (d. h. eine Rückkopplung) von dem Sollladedruck 214, um die Diskrepanz 220 zu bestimmen.
Das Diskrepanzkompensationsmodul 208 erzeugt die Diskrepanzkompensationsanweisung 222 basierend auf der Diskrepanz 220. Die Diskrepanzkompensationsanweisung 222 dient zur Einstellung der Basis-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 218 basierend auf der Differenz zwischen dem Sollladedruck und dem gemessenen Istladedruck. Dies bedeutet, das Diskrepanzkompensationsmodul 208 ist ein Proportional-Integral-Differential-(PID-)Regelmodul.
Das Endturbinenanweisungserzeugungsmodul 210 erzeugt eine End-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 226, die an das Kraftmaschinensystem 100 gesendet wird, so dass die Turbine 106 die VGT-Schaufelposition, wie angewiesen ist, einstellt, um den Sollladedruck zu erzeugen. Bei Ausführungsformen erzeugt das Endturbinenanweisungserzeugungsmodul 210 die End-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 226 durch Addieren der Basis-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 218 zu der Diskrepanzkompensationsanweisung 222.
Der hier verwendete Begriff ”Modul” oder ”Teilmodul” betrifft eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) sowie Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Bei Implementierung in Software kann ein Modul oder ein Teilmodul in einem Speicher als ein nichtflüchtiges maschinenlesbares Speichermedium ausgeführt sein, das von einer Verarbeitungsschaltung lesbar ist und Anweisungen zum Ausführen durch die Verarbeitungsschaltung zur Ausführung eines Verfahrens speichert. Überdies können die Module und Teilmodule, die in 2 gezeigt sind, kombiniert und/oder weiter partitioniert sein. Beispielsweise können das Diskrepanzbestimmungsmodul 206, das Diskrepanzkompensationsmodul 208 und das Endturbinenanweisungserzeugungsmodul 210 in ein einzelnes Proportionalmodul kombiniert sein.
Nun Bezug nehmend auf 3 mit fortgesetztem Bezug auf die 1 und 2 zeigt ein Flussdiagramm ein Verfahren zum Erzeugen einer VGT-Schaufelpositionssteueranweisung, um einen Ladedruck zu erreichen. Bei Ausführungsformen kann das Verfahren von dem Steuermodul 102 der 1 und 2 ausgeführt werden. Wie angesichts der Offenbarung angemerkt sei, ist die Reihenfolge des Betriebs innerhalb des Verfahrens nicht auf die sequentielle Ausführung, wie in 3 gezeigt ist, beschränkt, sondern kann in einer oder mehreren variierenden Reihenfolgen, wie anwendbar, und gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden. Bei Ausführungsformen kann das Verfahren so geplant sein, dass es basierend auf vorbestimmten Ereignissen läuft und/oder kontinuierlich während des Betriebs des Kraftmaschinensystems 100 läuft.
Bei einem Beispiel kann das Verfahren bei Block 300 beginnen. Bei Block 310 bestimmt das Steuermodul 102 einen Sollabgasdruck basierend auf einem Sollladedruck. Bei Ausführungsformen verwendet das Steuermodul 102 ein Modell zum Leistungsgleichgewicht zwischen der Turbine 106 und dem Verdichter 108 eines Turboladers, um den Sollabgasdruck zu bestimmen. Bei Ausführungsformen bestimmt das Steuermodul 102 den Sollabgasdruck durch Verwendung von Gleichung (1), die von den Gleichungen (2) bis (13) abgeleitet ist, die den Sollladedruck 214 und andere Eingangssignale und -parameter 216 erfordern. Das Steuermodul 102 bestimmt den Sollabgasdruck 212, um den Sollabgasdruck zu verwenden, um das Turbinenexpansionsverhältnis zu schätzen.
Bei alternativen Ausführungsformen schätzt das Steuermodul 102 bei Block 310 ein Turbinenexpansionsverhältnis durch Verwendung einer anderen Nachschlagetabelle (nicht in den 1 und 2 gezeigt) für geschätzte Turbinenexpansionsverhältniswerte, die durch verschiedene Geschwindigkeitswerte der Kraftmaschine 104 (z. B. Umdrehungen pro Minute (U/min)) und verschiedene Werte des Sollverdichterdruckverhältnisses (z. B. ein Verhältnis eines Sollverdichterauslassluftdrucks zu einem Verdichtereinlassdruck) indexiert sind. Die Nachschlagetabelle definiert den Sollkraftmaschinenabgasdruck als eine Funktion der Kraftmaschinengeschwindigkeit und des Sollverdichterdruckverhältnisses.
Bei noch weiteren alternativen Ausführungsformen schätzt das Steuermodul 102 bei Block 310 das Turbinenexpansionsverhältnis durch Verwendung einer Nachschlagetabelle (in den 1 und 2 nicht gezeigt) für geschätzte Turbinenexpansionsverhältniswerte, die durch verschiedene Kraftmaschinengeschwindigkeitswerte und verschiedene Kraftstoffverbrauchsratenwerte der Kraftmaschine 104 indexiert sind. Diese Nachschlagetabelle definiert einen Sollkraftmaschinenabgasdruck als eine Funktion der Kraftmaschinengeschwindigkeit und der Kraftstoffverbrauchsrate.
Bei Block 320 erzeugt das Steuermodul 102 eine Basis VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 218 basierend auf dem Sollabgasdruck 212, der bei Block 310 bestimmt ist. Bei Ausführungsformen verwendet das Steuermodul 102 die Gleichung (21), um die Basis-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 218 zu erzeugen. Wie durch Gleichung (21) gezeigt ist, ist die VGT-Schaufelpositionssteueranweisung eine Funktion des Turbinenexpansionsverhältnisses, das basierend auf dem Sollabgasdruck 212 bestimmt ist, der bei Block 310 bestimmt wird.
Bei Block 330 erzeugt das Steuermodul 102 eine Diskrepanzkompensationsanweisung 222 basierend auf einer Differenz zwischen dem Sollladedruck 214 und dem gemessenen Istladedruck 224. Bei Ausführungsformen bestimmt das Steuermodul 102 die Differenz durch Subtraktion des gemessenen Ladedrucks 224 von dem Sollladedruck 214. Die Diskrepanzkompensationsanweisung dient zum Einstellen der Basis-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 218, die bei Block 320 bestimmt ist.
Bei Block 340 erzeugt das Steuermodul 102 eine End-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 226, die an das Kraftmaschinensystem 100 gesendet wird, so dass die Turbine 106 die VGT-Schaufelposition, wie angewiesen ist, einstellt, um den Sollladedruck zu erzeugen. Bei Ausführungsformen erzeugt das Steuermodul 102 die End-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 226 durch Addieren der Basis-VGT-Schaufelpositionssteueranweisung 218 zu der Diskrepanzkompensationsanweisung 222, die bei Block 330 erzeugt ist. Das Verfahren endet bei Block 350.
Während die Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente davon ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die Erfindung umfasst alle in den Schutzumfang der Anmeldung fallenden Ausführungsformen.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Turbine eines Kraftmaschinensystems, um einen Sollladedruck zu erreichen, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines Sollabgasdrucks basierend auf dem Sollladedruck durch Verwenden eines Modells für ein Leistungsgleichgewicht zwischen der Turbine und einem Verdichter des Kraftmaschinensystems; und Erzeugen einer Basisanweisung zum Steuern einer Position einer Schaufel der Turbine basierend auf einem Verhältnis des Sollabgasdrucks zu einem gemessenen Turbinenauslassdruck.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erzeugen einer Kompensationsanweisung basierend auf einer Differenz zwischen dem Sollladedruck und einem gemessenen Ladedruck; Erzeugen einer Endanweisung basierend auf der Basisanweisung und der Kompensationsanweisung; und Senden der Endanweisung an die Turbine, um die Turbine zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Sollabgasdrucks die Verwendung einer Gleichung umfasst:
wobei p_ex,dsr der Sollabgasdruck ist; p_to ein gemessener Turbinenauslassdruck ist; m ._ex ein geschätzter Abgasdurchfluss ist, T_ex eine geschätzte Temperatur des Abgases ist, p_to ein gemessener Turbinenauslassdruck ist, P_c,dsr eine von dem Verdichter zu erzeugende Sollleistung ist, und h_t eine Abgasenthalpieströmung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Schätzen des Verhältnisses des Sollabgasdrucks zu dem gemessenen Turbinenauslassdruck durch Verwendung einer Nachschlagetabelle für geschätzte Turbinenexpansionsverhältniswerte, die durch verschiedene Geschwindigkeitswerte einer Kraftmaschine des Kraftmaschinensystems und verschiedene Soll-Verdichterdruckverhältniswerte indexiert sind.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit einem Schätzen des Verhältnisses des Sollabgasdrucks zu dem gemessenen Turbinenauslassdruck durch Verwenden einer Nachschlagetabelle für geschätzte Turbinenexpansionsverhältniswerte, die durch verschiedene Geschwindigkeitswerte einer Kraftmaschine des Kraftmaschinensystems und verschiedene Kraftstoffverbrauchsratenwerte der Kraftmaschine indexiert sind.
Steuersystem zum Steuern einer Turbine eines Kraftmaschinensystems, um einen Sollladedruck zu erreichen, wobei das Steuersystem umfasst: ein erstes Modul, das derart konfiguriert ist, einen Sollabgasdruck basierend auf einem Sollladedruck durch Verwendung eines Modells für ein Leistungsgewicht zwischen der Turbine und einem Verdichter des Kraftmaschinensystems zu bestimmen; und ein zweites Modul, das derart konfiguriert ist, eine Basisanweisung zum Steuern einer Position einer Schaufel der Turbine basierend auf einem Verhältnis des Sollabgasdrucks zu einem gemessenen Turbinenauslassdruck zu erzeugen.
Steuersystem nach Anspruch 6, ferner mit einem dritten Modul, das konfiguriert ist, um: eine Kompensationsanweisung basierend auf einer Differenz zwischen dem Sollladedruck und einem gemessenen Ladedruck zu erzeugen; eine Endanweisung basierend auf der Basisanweisung und der Kompensationsanweisung zu erzeugen; und die Endanweisung an die Turbine zu senden, um die Turbine zu steuern.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei die Turbine eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) ist.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei das erste Modul derart konfiguriert ist, den Sollabgasdruck unter Verwendung einer Gleichung zu bestimmen:
wobei p_ex,dsr der Sollabgasdruck ist; p_to ein gemessener Turbinenauslassdruck ist; m ._ex ein geschätzter Abgasdurchfluss ist, T_ex eine geschätzte Temperatur des Abgases ist, p_to ein gemessener Turbinenauslassdruck ist, P_c,dsr eine von dem Verdichter zu erzeugende Sollleistung ist, und h_t eine Abgasenthalpieströmung ist.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei das zweite Modul derart konfiguriert ist, die Basisanweisung durch Verwendung einer Funktion
zu erzeugen, wobei p_ex ein geschätzter Abgasdruck ist, p_to ein gemessener Turbinenauslassdruck ist, p_ex/p_to ein Turbinenexpansionsverhältnis ist, m ._ex ein Abgasdurchfluss ist, T_ex eine geschätzte Abgastemperatur ist und R eine ideale Gaskonstante ist.