DE10215361A1

DE10215361A1 - Verfahren zur Modellierung eines Massenstroms durch eine Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10215361A1
Application number: DE2002115361
Authority: DE
Inventors: Markus Teiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: DE10215361B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modell für ein Wastegate. In dem Vorwärtsmodell wird aus der Position der Wastegate-Klappe, der Temperatur vor der Turbine und dem Druckverhältnis vor und nach der Turbine der Massenstrom durch das Wastegate bestimmt. Im Rückwärtsmodell wird aus den Sollwerten für den Druck vor und nach der Turbine, der Temperatur vor der Turbine und einem Sollwert für den Massenstrom durch das Wastegate ein Sollwert für die Wastegate-Position berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines Massenstroms durch ein Stellelement in einer Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Berechnung eines Sollwertes für eine Position eines Stellwertes in einer Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Die Verfahren betreffen insbesondere eine Modellierung des Wastegate eines Abgasturboladers.
Für die Ladedruckregelung bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader (ATL) sowie für die Modellierung des Abgasdrucks und für die Diagnose durch eine Motorsteuerung (ECU) ist ein Modell des Wastegates (WG) erforderlich. Das Wastegate ist eine Umgehungsleitung, auch als Bypass bezeichnet, im Abgastrakt des Motors. Über das Wastegate werden Abgase an der Turbine des Abgasturboladers vorbeigeleitet, um dessen Antriebsleistung zu reduzieren. Der Bypass ist mit einem Stellelement versehen, mit dem der Massenstrom durch das Wastegate steuerbar ist.
Bisher sind keine Modelle zur Beschreibung der Strömungs- und Massenstromverhältnisse an einem Wastegate bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die auf zuverlässige Weise die Strömungsverhältnisse an einem Stellelement in der Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader ohne großen Rechenaufwand wiedergeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verfahren nach Anspruch 1 und 4 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren an.

Das Verfahren nach Anspruch 1 betrifft ein sogenanntes Vorwärtsmodell, bei dem aus Istwerten für Betriebszustände ein Istwert für den Massenstrom durch ein Stellelement berechnet wird. Der Massenstrom hängt hierbei von einer reduzierten Querschnittsfläche in der Umgehungsleitung ab. Die reduzierte Querschnittsfläche wird durch die Position des Stellelements festgelegt. Die reduzierte Querschnittsfläche gibt hierbei nicht die geometrische Durchtrittsfläche in der Umgehungsleitung an, sondern ist in der Regel kleiner als diese. Die reduzierte Querschnittsfläche läßt sich anschaulich definieren, als die minimale Fläche im Querschnitt, die ein durch die Umgehungsleitung tretendes Bündel von Stromlinien besitzt. Die durch das Stellelement strömenden Abgase treffen an dem Stellelement auf eine Drosselstelle, an der die durchströmte Fläche sich verkleinert. Stromabwärts von der Drosselstelle ist die durchströmte Fläche kleiner. Die minimale Fläche wird als reduzierte Querschnittsfläche bezeichnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus dem Quotienten von Druck vor und hinter dem Stellelement ein erster Faktor bestimmt. Aus der Temperatur vor dem Stellelement wird ein zweiter Faktor bestimmt. Die Istposition des Stellelements legt die reduzierte Querschnittsfläche fest. Diese wird bei dem vorliegenden Verfahren bevorzugt lediglich aus der Position des Stellelements bestimmt. Das Produkt aus Druck vor Stellelement, den Faktoren und der reduzierten Querschnittsfläche ergeben den Massenstrom durch das Stellelement. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich der Massenstrom durch das Stellelement in der Umgehungsleitung beschreiben läßt, wie das Durchflußverhalten eines Gases durch eine Drosselstelle.

Der erste Faktor wird abhängig von dem Quotienten aus Druck nach Turbine dividiert durch Druck vor Turbine bestimmt. Ist dieser Druckquotient kleiner als ein kritisches Druckverhältnis, bevorzugt mit einem Wert von etwa 0,53, so ist der erste Faktor konstant, bevorzugt mit einem Wert von etwa 0,2588. Der zweite Faktor ist bevorzugt proportional zur Wurzel aus dem Kehrwert der Temperatur, also der Wurzel aus 1 durch den Temperaturwert. Beide Faktoren können in Form von Kennlinien abgespeichert sein, so daß eine Bestimmung der Faktoren mit geringem Aufwand erfolgen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 4 gelöst. Das Verfahren dient zur Berechnung eines Sollwertes, für eine Position eines Stellelements in einer Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Auch bei diesem Verfahren wird wieder die reduzierte Durchtrittsfläche des Stellelements betrachtet. Das Verfahren sieht die folgenden Verfahrensschritte vor. Aus den Sollwerten für Druck vor und nach dem Stellelement, der Temperatur vor Turbine und einem Sollwert für den Massenstrom durch das Wastegate wird ein Sollwert für eine reduzierte Querschnittsfläche bestimmt. Aus der reduzierten Querschnittsfläche wird eine Sollposition für das Stellelement bestimmt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein sogenanntes Rückwärtsmodell, bei dem aus den Sollwerten für den Massenstrom sowie die Druckverhältnisse die Position des Stellelements berechnet wird. Die Sollwerte für den Druck vor und nach Turbine können hierbei von einem entsprechenden Turbinenmodell geliefert werden.

Bevorzugt ist das Stellelement als ein stufenlos verstellbares Klappenelement ausgebildet. Das Klappenelement ist an einer Lagerungswelle gehalten und über eine Drehung der Lagerungswelle wird die Position des Klappenelements eingestellt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Vorwärtsmodell für das Wastegate,
Fig. 2 ein Rückwärtsmodell für das Wastegate und
Fig. 3 eine schematische Ansicht des Wastegates.
Fig. 1 zeigt die Berechnung des Massenstroms durch ein Wastegate (FLOW_WG) 10. Als Eingangsgrößen dienen der Abgasdruck vor Turbine (P3) 12 und der Abgasdruck nach Turbine (P4) 14. Die Abgasdrücke sind hier bezogen auf die Turbine angegeben. Da der Bypass parallel zur Turbine angeordnet ist, beziehen sich diese Druckangaben auch auf das Wastegate. Da es jedoch üblich ist, Abgasdrücke als Abgasdrücke vor und nach der Turbine zu bezeichnen, werden nachfolgend die Abgasdrücke auf die Turbine bezogen und nicht auf das Wastegate. Der Quotient aus Abgasdruck nach Turbine dividiert durch den Abgasdruck vor Turbine wird in Verfahrensschritt 16 berechnet. Das Ergebnis (PQ) 18 bildet die Eingangsgröße für die Kennlinie (IP_PSI_WG) 20.
Die Kennlinie berechnet den Faktor (PSI_WG) 22. Der Kennlinie 20 liegt hierbei der folgende Ausdruck für den Faktor zugrunde:

wobei κ den Adiabatenexponenten bezeichnet. Hierbei wird ein Druckverhältnis größer als 0,53 als unterkritisches Druckverhältnis bezeichnet und ein Druckverhältnis kleiner oder gleich 0,53 als überkritisches Druckverhältnis.
Abhängig von der Stellung des Wastegates (PSN_WG) wird über eine Kennlinie 26 die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegates bestimmt. Bei dem vorliegend beschriebenen Modell ist die reduzierte Querschnittsfläche unabhängig von physikalischen Parametern des strömenden Gases, sondern lediglich von der Stellung des Wastegates abhängig.
Abhängig von der Abgastemperatur vor Turbine 30 wird über eine Kennlinie 32 (IP_FLOW_WG_CON_1) ein weiterer Faktor zur Berechnung des Massenstroms bestimmt. Der Kennlinie 32 liegt abhängig von der Abgastemperatur vor Turbine (T3) der folgende Ausdruck zugrunde:

wobei R_Abgas die Gaskonstante für Abgas bezeichnet.
In Verfahrensschritt 46 wird die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegates 28, der Faktor 34, der Faktor 22 und der Druck vor Turbine miteinander multipliziert.
Dem Schritt 46 liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Strömungsverhalten an einem Wastegate durch die Gleichung von St.Venant modelliert werden kann. Diese Gleichung lautet:

wobei m den Massenstrom durch das Wastegate, A_red die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegate, κ den Adiabatenexponenten für Abgas, R_Abgas die Gaskonstante für Abgas, T3 Temperatur vor Turbine, p3 Abgasdruck vor Turbine und Ψ den Faktor PSI_WG gemäß Formel 1 bezeichnet.
Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Rückwärtsmodell für das Wastegate. Ausgangsgröße für das Rückwärtsmodell ist eine Sollposition für das Wastegate 48 sowie ein Drehmoment an der Wastegate-Welle durch die Gaskräfte (TQ_WG_PRS_EX_SP) 50. Berechnet wird diese Größe abhängig von den Sollwerten für den Druck vor und nach der Turbine (P3_SP, P4_SP) 52 bzw. 54. Die Sollwerte für den Druck werden beispielsweise von einem Turbinenmodell berechnet. In Verfahrensschritt 56 wird Druck 54 durch Druck 52 dividiert. Das Ergebnis (PQ_SP) 58 liegt an der Kennlinie (IP_PSI_WG) an. Das Ergebnis 62 gibt den Wert für den Faktor PSI_WG im Sollbetriebszustand an.
Die Abgastemperatur vor Turbine 64 liegt an der Kennlinie (IP_PSI_WG_1) 66 an. Über die Kennlinie 66 wird der bereits oben genannte Faktor FLOW_WG_CON_1 berechnet.
In Verfahrensschritt 72 wird der Sollwert für den Massenstrom durch das Wastegate 70 durch den Faktor 68, den Druck vor Turbine 52 und den Faktor 62 dividiert. Das Ergebnis ist die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegastes (AR_RED_WG_SP) 74. Die reduzierte Querschnittsfläche 74 liegt an der Kennlinie (IP_PSN_WG_SP) 76 an. Das Ergebnis gibt einen Sollwert für die Stellung des Wastegates an, der an eine Stellung des Wastegates weitergeleitet wird.
Unter Berücksichtigung der Druckdifferenzen an Wastegate (P3_P4_SP_DIFF) 68 und eines von der Position des Wastegates abhängigen Faktor (FAC_TQ_WG_PRS_EX_SP) 80 wird der Drehmomentwert 50 berechnet. Der Faktor 80 wird durch die Kennlinie 82 bestimmt. Die Kennlinie 82 hängt wie nachfolgend beschrieben wird, lediglich von der Geometrie des Wastegates und dem Bypass ab.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Ansicht einer Klappe 84 eines Wastegates. Die Klappe 84 ist über einen Hebel 86 um einen Drehpunkt 88 einer Antriebswelle 90 gelagert. Das Abgas strömt in Richtung des Pfeils A. Eine Trennwand 92 ist mit einer Durchgangsöffnung 94 versehen, die im geschlossenen Zustand durch die Klappe 84 abgedichtet wird.
Durch den Druckunterschied der Drücke stromaufwärts und stromabwärts der Wand 92 wird auf die Klappe 84 eine Kraft ausgeübt, die über den Hebelarm 86 ein Drehmoment auf die Lagerungswelle 90 erzeugt. Dieses Drehmoment wird berechnet, da es von einem Aktuator des Wastegate kompensiert werden muß. Die Umrechnung von der Druckdifferenz auf eine Kraft erfolgt über die wirksame Fläche, die lediglich von der momentanen Klappenposition abhängt. Die Umrechnung von der Kraft auf das Drehmoment erfolgt ebenfalls über einen Faktor, der den wirksamen Hebel bei der momentanen Klappenposition berücksichtigt. Zusammengefaßt ergibt sich also, daß das auf die Lagerungswelle 90 ausgeübte Drehmoment lediglich von der Position der Klappe und der Druckdifferenz abhängt.

Claims

1. Verfahren zur Berechnung eines Massenstroms (10) durch ein Stellelement in einer Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem der Massenstrom in der Umgehungsleitung des Stellelements von einer reduzierten Querschnittsfläche abhängt, die durch die Position des Stellelements bestimmt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:

- aus dem Quotienten (18) Druck vor und hinter dem Stellelement (12, 14) wird ein erster Faktor (12) bestimmt,

- aus der Temperatur (30) vor Stellelement wird ein zweiter Faktor (34) bestimmt,

- aus der Position des Stellelements (24) wird die reduzierte Durchtrittfläche (28) für den Durchfluß berechnet und

- das Produkt aus Druck (12) vor dem Stellelement, den Faktoren (22, 34) und der reduzierten Querschnittsfläche (28) ergibt den Massenstrom durch das Stellelement.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Faktor (28) für überkritische Druckverhältnisse bei einem Wert für den Quotienten aus Druck nach Stellelement durch Druck vor Stellelement kleiner als ein kritisches Druckverhältnis, bevorzugt einem Druckverhältnis den Wert von etwa 0,53, konstant ist, bevorzugt mit einem Wert von ungefähr 0,2588.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Faktor (34) proportional zur Wurzel aus dem Kehrwert der Temperatur (30) vor dem Stellelement ist.

4. Verfahren zur Berechnung eines Sollwerts (48) für eine Position eines Stellelements in einer Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem der Massenstrom in der Umgehungsleitung des Stellelements von einer reduzierten Querschnittsfläche (74) abhängt, die durch die Position des Stellelements bestimmt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:

- aus den Sollwerten für den Druck (52, 54) vor und nach dem Stellelement, der Temperatur (64) vor der Turbine und einem Sollwert (70) für den Massenstrom durch die Turbine mit einem Sollwert für reduzierte Querschnittsfläche bestimmt, und

- aus dem Sollwert für die reduzierte Querschnittsfläche (74) wird eine Sollposition für das Stellelement (48) bestimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement ein stufenlos verstellbares Klappenelement aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Klappenelement an einer Lagerungswelle (90) gehalten ist und über eine Drehung der Lagerungswelle die Position des Klappenelements eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Sollwert (50) für ein Drehmoment für die Lagerungswelle berechnet wird, der bei dem Sollwert für die Stellung des Klappenelements von einem Antrieb der Lagerwelle aufgebracht werden muß.