DE102017122928A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes einer Turbine mit einer variablen Geometrie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes einer Turbine mit einer variablen Geometrie und ein Steuergerät. Das Verfahren sieht vor, dass der Effizienzwert (ηaero) mittels eines auf mindestens zwei Kennfeldern (K1, K2, K3, K4) beruhenden Modells bestimmt wird, und als Eingangswerte des Modells eine Drehgeschwindigkeit (nT) der Turbine, ein Druckverhältnis der Turbine (rT) und ein Geometriewert der Turbine (VG) verwendet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes einer Turbine mit einer variablen Geometrie und ein Steuergerät.
  • Die WO201508866A2 offenbart ein Verfahren, bei dem bei einem variablen Turbolader (VGT) ein Drehmoment bestimmt wird. Für die Bestimmung des Drehmomentes wird ein Modell mit einem Kennfeld eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes einer Turbine mit einer variablen Geometrie sieht vor, dass der Effizienzwert mittels eines auf mindestens zwei Kennfeldern beruhenden Modells bestimmt wird, und als Eingangswerte des Modells eine Drehgeschwindigkeit der Turbine, ein Druckverhältnis der Turbine und ein Geometriewert der Turbine verwendet werden.
  • Der Effizienzwert der Turbine ist definiert als Verhältnis der Turbinennettoleistung zur isentropen Turbinenleistung. Das Druckverhältnis der Turbine ist definiert als
    Figure DE102017122928A1_0002
    wobei Pus,T der Druck unmittelbar stromaufwärts der Turbine und Pds,T der Druck unmittelbar stromabwärts der Turbine ist. Im Falle dessen, dass die Turbine Bestandteil eines Turboladers eines Fahrzeuges ist, was eine bevorzugte Anwendung ist, wäre dies der Druck innerhalb einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors. Der Geometriewert gibt den Querschnitt der Turbine an, mit dem Turbinenschaufeln der Turbine von einem Gas beströmt werden. Dies kann auch ein einheitenloser Wert sein, der den Grad des Querschnitts beschreibt, beispielsweise 0% für geschlossene Stellung und 100% für eine offene Stellung der für das Einstellen des Querschnitts verwendeten Elemente (typischerweise Leitschaufeln). Bei dem Drehmoment handelt es sich vorzugsweise um das aktuelle Drehmoment, bei der Drehgeschwindigkeit um die aktuelle Drehgeschwindigkeit, und beim dem Druckverhältnis um das aktuelle Druckverhältnis. Des Weiteren kann es sich bei Effizienzwert, Drehmoment, Drehgeschwindigkeit und/oder Druckverhältnis um tatsächliche Werte handeln, alternativ aber auch um korrigierte und/oder normierte Werte. Im letzteren Falle können zur Umrechnung auf den tatsächlichen Wert geeignete Transferfunktionen verwendet werden.
  • Ein grundsätzliches Problem von Kennfelder ist, dass beim Erstellen der Kennfelder (als Kalibrierung bezeichnet) auf Messwerte zurückgegriffen wird, die Anzahl der Messwerte allerdings begrenzt ist. Damit ist es notwendig, für die Wertebereiche, die das Kennfeld abdecken soll, eine Vielzahl von weiteren Werten zu bestimmen, beispielsweise mittels Interpolation oder Extrapolation. Je komplexer die dem Kennfeld zu Grunde liegende Funktion ist, desto schwieriger ist es, Werte zu bestimmen, die eine möglichst gute Näherung der realen Werte sind. Die Erfindung ermöglicht es, durch geschickte Wahl der Eingangsparameter, im Modell Kennfelder zu verwenden, wodurch diese Schwierigkeit vermeidet oder zumindest reduziert wird.
  • Eine vorteilhafte erste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die mindestens zwei Kennfelder jeweils für einen unterschiedlichen Geometriewert den Zusammenhang zwischen einem Drehmoment, der Drehgeschwindigkeit und dem Druckverhältnis der Turbine beschreiben, und der Effizienzwert mittels einer vom Drehmoment abhängigen Gleichung berechnet wird. Auf diese Weise kann für die Bestimmung des Effizienzwertes auf Kennfelder zurückgegriffen werden, die sich einfach erstellen lassen.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät umfasst einen Computer und ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm derart eingerichtet ist, gemäß dem Verfahren einen Effizienzwert der Turbine zu bestimmen.
  • Im Folgenden werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt
  • 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes, und
  • 2 ein erstes im erfindungsgemäßen Verfahren verwendetes Kennfeld.
  • Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes ηaero einer Turbine mit einer variablen Geometrie wird der Effizienzwert ηaero mittels eines auf mindestens zwei Kennfeldern, hier Kennfeldern K1, K2, K3, K4 beruhenden Modells bestimmt. Als Eingangswerte des Modells werden eine aktuelle Drehgeschwindigkeit nT der Turbine, ein aktuelles Druckverhältnis der Turbine rT und ein aktueller Geometriewert der Turbine VG verwendet.
  • Das Drehmoment MT der Turbine lässt sich physikalisch über folgende Funktion beschreiben:
    Figure DE102017122928A1_0003
    wobei
    • – MT das aktuelle Drehmoment der Turbine ist,
    • – mfact der aktuelle Massenfluss durch die Turbine ist,
    • – cp die spezifische Wärmekapazität des Gases ist, dass durch die Turbine strömt
    • – Tus,trb die Temperatur stromaufwärts der Turbine ist,
    • – () die aerodynamische Effizienz der Turbine ist,
    • –
      Figure DE102017122928A1_0004
      das Druckverhältnis rT ist,
    • – ϰ Isentropenexponent ist und
    • – nT die aktuelle Drehgeschwindigkeit der Turbine ist.
  • Für die Effizienz gilt somit:
    Figure DE102017122928A1_0005
  • In der Regel liegen für die einzelnen Parameter eine bestimmte Anzahl von realen Messwerten vor, mittels denen sich das Drehmoment MT oder die Effizienz ηaero über obige Funktionen bestimmen lassen. Da die Anzahl der Messwerte begrenzt ist, ist es erforderlich, ein Modell zu erstellen, das zumindest für die benötigten Wertebereiche eine ausreichende Anzahl von weiteren Werten liefern kann.
  • 2 zeigt beispielhaft ein erstes Kennfeld K1, wie es in diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Aufgetragen ist das Drehmoment MT (y-Achse) in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit nT (z-Achse) und dem Druckverhältnis rT (x-Achse). Der Geometriewert VG ist hier fest. Wie erkennbar, ist die Fläche glatt. Bei festen Geschwindigkeiten besteht ein (nahezu) linearer Zusammenhang zwischen dem Drehmoment MT und dem Druckverhältnis rT. Ein solches Kennfeld ist damit besonders gut zur Kalibrierung geeignet.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mindestens zwei Kennfelder verwendet, die den Zusammenhang zwischen einem Drehmoment (MT), der Drehgeschwindigkeit (nT) und dem Druckverhältnis (rT) der Turbine beschreiben und jeweils einem unterschiedlichen Geometriewert VG zugeordnet sind. Hier werden beispielweise vier Kennfelder K1, K2, K3, K4 verwendet mit K1 = 0% VG, K2 = 25%, K3 = 50% und K4 = 100% VG. Als vorteilhaft hat sich insbesondere eine Anzahl von 2 bis 10 Kennfeldern herausgestellt. Mit der Drehgeschwindigkeit nT und dem Druckverhältnis rT als Eingangswert liefert das Modell in einem ersten Schritt S1 vier Drehmomente, die jeweils einem unterschiedlichen Geometriewert zugeordnet sind. Mittels obiger Gleichung wird dann mit den anhand der Kennfelder bestimmten Drehmomenten ein dem jeweiligen Geometriewert zugeordneter Effizienzwert berechnet. Die übrigen für die Berechnung des Effizienzwertes benötigten Werte können Ausgabewerte von Modellen, gemessene Werte oder auf sonstige Weise bestimmte Werte sein. Dem Fachmann ist deren Bestimmung hinlänglich bekannt, weswegen hierauf nicht näher eingegangen wird.
  • In einem nächsten Schritt S2 werden die mittels der Kennfelder K1, K2, K3, K4 und der Gleichung bestimmten Effizienzwerte interpoliert, und mit dem aktuellen Geometriewert VG als weiteren Eingangswert mittels der so erzeugten Interpolationsfunktion der aktuelle Effizienzwert ηaero bestimmt.
  • Alternativ ist es ebenfalls möglich, für die verschiedene Drehmomente eine Interpolationsfunktion zu ermitteln, anhand derer dann ein der Geometriewert VG zugeordnetes Drehmoment bestimmt wird und mit diesem anhand der Gleichung der der aktuelle Effizienzwert ηaero bestimmt wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergeräts (nicht gezeigt) umfasst einen Computer und ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm derart eingerichtet ist, gemäß dem hier dargestellten Verfahren den aktuellen Effizienzwert der Turbine zu bestimmen. Das Steuergerät ist vorzugsweise das Steuergerät eines Fahrzeuges zum Steuern eines Turboladers, wobei die Turbine ein Bestandteil des Turboladers ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 201508866 A2 [0002]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Effizienzwertes einer Turbine mit einer variablen Geometrie, wobei der Effizienzwert (ηaero) mittels eines auf mindestens zwei Kennfeldern (K1, K2, K3, K4) beruhenden Modells bestimmt wird, und als Eingangswerte des Modells eine Drehgeschwindigkeit (nT) der Turbine, ein Druckverhältnis der Turbine (rT) und ein Geometriewert der Turbine (VG) verwendet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Kennfelder (K1, K2, K3, K4) jeweils für einen unterschiedlichen Geometriewert (VG) den Zusammenhang zwischen einem Drehmoment (MT), der Drehgeschwindigkeit (nT) und dem Druckverhältnis (rT) der Turbine beschreiben, und der Effizienzwert (ηaero) mittels einer vom Drehmoment (MT) abhängigen Gleichung berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die mittels der Kennfelder (K1, K2, K3, K4) bestimmten Drehmomente oder Effizienzwerte interpoliert werden, um den dem Geometriewert (VG) zugeordneten Effizienzwert (ηaero) zu bestimmen.
  4. Steuergerät für ein Fahrzeug, umfassend einen Computer und ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm derart eingerichtet ist, gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ein Effizienzwert (ηaero) der Turbine (MT) zu bestimmen.
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