DE102017122932A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments einer Turbine mit einer variablen Geometrie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments einer Turbine mit einer variablen Geometrie und ein Steuergerät. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Drehmoment mittels eines auf mindestens zwei Kennfeldern (K1a, K2a, K3a, K4a, K1b, K2b) beruhenden Modells bestimmt, und als Eingangswerte des Modells eine Drehgeschwindigkeit (nT) der Turbine, ein Druckverhältnis der Turbine (rT) und ein Geometriewert (VG) verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments 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 Drehmoments einer Turbine mit einer variablen Geometrie sieht vor, dass das Drehmoment 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.
  • Das Druckverhältnis der Turbine ist definiert als
    Figure DE102017122932A1_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 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 dem Drehmoment und der Drehgeschwindigkeit und dem Druckverhältnis beschreiben. Die mittels der Kennfelder bestimmten Drehmomente können interpoliert werden, um für den Geometriewert das Drehmoment zu bestimmen
  • Der ersten Ausführungsform liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich das Drehmoment für einen festen Geometriewert durch eine glatte Funktion beschreiben oder zumindest sehr gut annähern lässt. Dieserfunktionale Zusammenhang eignet sich damit sehr gut für die Verwendung als Kennfeld.
  • Eine vorteilhafte zweite Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein erstes Kennfeld den Zusammenhang zwischen einem Drehmomentgradient und der Drehgeschwindigkeit und der Geometrie beschreibt, und ein zweites Kennfeld den Zusammenhang zwischen einem Drehmomentachsenschnittpunkt und der Drehgeschwindigkeit und der Geometrie beschreibt. Das Drehmoment bestimmt sich aus dem Produkt von Gradienten und Druckverhältnis der Turbine plus dem Achsenschnittpunkt.
  • Der zweiten Ausführungsform liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich das Drehmoment für eine feste Drehgeschwindigkeit und einen festen Geometriewert durch eine lineare Funktion beschreiben oder zumindest sehr gut annähern lässt. Das erste Kennfeld und das zweite Kennfeld lassen sich jeweils durch eine geeignet ausreichend glatte Funktion beschreiben, was diesen Ansatz vorteilhaft für die Modellierung macht.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät umfasst einen Computer und ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm derart eingerichtet ist, gemäß dem Verfahren das Drehmoment der Turbine zu bestimmen.
  • Im Folgenden werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt
  • 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines Drehmomentes,
  • 2 ein erstes Kennfeld einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3 die Schritte zur Bestimmung des Drehmoments gemäß der ersten Variante,
  • 4 ein erstes Kennfeld einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 5 ein zweites Kennfeld der zweiten Variante, und
  • 6 die Schritte zur Bestimmung des Drehmoments gemäß der zweiten Variante.
  • Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines Drehmomentes. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments MT einer Turbine mit einer variablen Geometrie wird das Drehmoment mittels eines auf mindestens zwei Kennfeldern K1, K2 beruhenden Modells bestimmt, wobei als Eingangswerte des Modells eine Drehgeschwindigkeit nT der Turbine, ein Druckverhältnis der Turbine rT und ein Geometriewert VG verwendet werden.
  • Das Drehmoment MT der Turbine lässt sich physikalisch über folgende Funktion beschreiben:
    Figure DE102017122932A1_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,
    • – ηaero die aerodynamische Effizienz der Turbine ist,
    • –
      Figure DE102017122932A1_0004
      das Druckverhältnis rT ist,
    • –
      Figure DE102017122932A1_0005
      Isentropenexponent ist und
    • – nT die aktuelle Drehgeschwindigkeit der Turbine ist.
  • In der Regel liegen für die einzelnen Parameter eine bestimmte Anzahl von realen Messwerten vor, mittels denen sich das Drehmoment MT über obige Funktion bestimmen lässt. Da die Anzahl der Messwerte begrenzt ist, ist es erforderlich, ein Modell zu erstellen, das einem zumindest für die benötigten Wertebereiche eine ausreichende Anzahl von weiteren Werten liefern kann.
  • Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreiben die mindestens zwei Kennfelder jeweils für einen unterschiedlichen festen Geometriewert VG den Zusammenhang zwischen dem Drehmoment MT und der Drehgeschwindigkeit nT und dem Druckverhältnis rT.
  • 2 zeigt ein erstes Kennfeld K1 der ersten Variante. 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.
  • 3 zeigt die Schritte zur Bestimmung des Drehmoments gemäß der ersten Variante. Hier sieht das Modell vier Kennfelder K1a, K2a, K3a und K4a vor. Jedes Kennfeld ist einem unterschiedlichen Geometriewert zugeordnet, hier beispielsweise K1a = 0%, K2a = 25%, Ka3 = 50% und K4a = 100%. 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 vier Drehmomente, die jeweils einem unterschiedlichen Geometriewert zugeordnet sind. In einem nächsten Schritt werden die mittels der Kennfelder K1a, K2a, K3a, K4a bestimmten Drehmomente interpoliert, und mit dem aktuellen Geometriewert VG als weiteren Eingangswert mittels der so erzeugten Interpolationsfunktion das aktuelle Drehmoment MT bestimmt.
  • Die 4 bis 6 zeigen eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß der zweiten Variante verwendet das Modell ein erstes Kennfeld K1b, das den Zusammenhang zwischen einem Drehmomentgradient mM und der Drehgeschwindigkeit nT und der Geometrie VG beschreibt (siehe 4), und ein zweites Kennfeld K2b, das den Zusammenhang zwischen einem Drehmomentachsenschnittpunkt MOff und der Drehgeschwindigkeit nT und der Geometrie VG beschreibt (siehe 5). Das Drehmoment MT wird aus dem Produkt von Gradient mM und Druckverhältnis rT der Turbine plus dem Achsenschnittpunkt MOff bestimmt (siehe 6).
  • 4 zeigt das erste Kennfeld K1b der zweiten Variante. Aufgetragen in y-Achse ist der Drehmomentgradient mM in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit nT (z-Achse) und Geometrie VG (x-Achse). Wie erkennbar ist, ist die Fläche ausreichend glatt. Ein solches Kennfeld ist damit gut zur Kalibrierung geeignet.
  • 5 zeigt das zweite Kennfeld K2b der zweiten Variante. Aufgetragen ist der Drehmomentachsenschnittpunkt MOff (y-Achse) in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit nT (z-Achse) und Geometrie VG (x-Achse). Wie erkennbar ist, ist die Fläche ebenfalls ausreichend glatt. Ein solches Kennfeld ist damit gut zur Kalibrierung geeignet.
  • 6 zeigt die Bestimmung des Drehmoments MT. Mittels des ersten Kennfeldes K1b wird mit den Eingangswerten aktuelle Geometrie VG und aktuelle Drehgeschwindigkeit nT als Ausgangswert der Gradient mM bestimmt. Mittels des zweiten Kennfeldes K2b wird mit den Eingangswerten aktuelle Geometrie VG und Drehgeschwindigkeit nT als Ausgangswert der Drehmomentachsenschnittpunkt MOff bestimmt. Das Drehmoment MT wird aus dem Produkt des Gradienten mM mit dem aktuellen Druckverhältnis der Turbine rT bestimmt, wobei noch der Drehmomentachsenschnittpunkt (MOff) addiert wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergeräts (nicht gezeigt) umfasst einen Computer und ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm derart eingerichtet ist, gemäß dem Verfahren nach der ersten oder zweiten Variante das Drehmoment 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 (6)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments (MT) einer Turbine mit einer variablen Geometrie, wobei das Drehmoment mittels eines auf mindestens zwei Kennfeldern (K1a, K2a, K3a, K4a, K1b, K2b) 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 (K1a, K2a, K3a, K4a) jeweils für einen unterschiedlichen Geometriewert (VG) den Zusammenhang zwischen dem Drehmoment (MT) und der Drehgeschwindigkeit (nT) und dem Druckverhältnis (rT) beschreiben.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die mittels der Kennfelder (K1a, K2a, K3a, K4a) bestimmten Drehmomente interpoliert werden, um für den Geometriewert (VG) das Drehmoment (MT) zu bestimmen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein erstes Kennfeld (K1b) den Zusammenhang zwischen einem Drehmomentgradienten (mM) und der Drehgeschwindigkeit (nT) und der Geometrie (VG) beschreibt, und ein zweites Kennfeld (K2b) den Zusammenhang zwischen einem Drehmomentachsenschnittpunkt (MOff) und der Drehgeschwindigkeit (nT) und der Geometrie (VG) beschreibt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei mittels des ersten Kennfeldes (K1b) mit den Eingangswerten Geometrie (VG) und Drehgeschwindigkeit (nT) als Ausgangswert der Gradient (mM) bestimmt wird, und mittels des zweiten Kennfeldes (K2b) mit den Eingangswerten Geometrie (VG) und Drehgeschwindigkeit (nT) als Ausgangswert der Drehmomentachsenschnittpunkt (MOff) bestimmt wird, und das Drehmoment (MT) aus dem Produkt des Gradienten (mM) mit einem Druckverhältnis der Turbine (rT) plus dem Drehmomentachsenschnittpunkt (MOff) bestimmt wird.
  6. 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 5 das Drehmoment der Turbine (MT) zu bestimmen.
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