DE10215361A1

DE10215361A1 - Modeling mass flow via bypass line to combustion engine exhaust gas turbocharger involves multiplying pressure before actuator element, pressure and temperature factors, reduced cross-sectional area

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

The method involves determining mass flow by the reduced cross-sectional area determined an actuator element position by deriving a first factor from the quotient of the pressure before and after the actuator element, a second factor from the temperature before the actuator element, computing a reduced passage area from the actuator element position forming the product of the pressure before the actuator element, the factors and the reduced area. The method involves determining the mass flow (10) by the reduced cross-sectional area determined by the position of an actuator element by deriving a first factor from the quotient (18) of the pressure before and after the actuator element, deriving a second factor from the temperature (30) before the actuator element, computing the reduced passage area (28) from the actuator element position (24) and deriving the mass flow from the product of the pressure before the actuator element, the factors and the reduced area.

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. The invention relates to a method for calculating a Mass flow through an actuator in a bypass line to an exhaust gas turbocharger in the exhaust tract one Internal combustion engine. The invention also relates to a method for Calculation of a setpoint for a position of a manipulated variable in a bypass line to an exhaust gas turbocharger in the Exhaust tract of an internal combustion engine. The procedures concern in particular a modeling of the wastegate Exhaust gas turbocharger.

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. For boost pressure control in internal combustion engines with Exhaust gas turbocharger (ATL) and for modeling exhaust gas pressure and for diagnosis by an engine control (ECU) is a Wastegate model required. The wastegate is a bypass line, also called a bypass, in the Exhaust tract of the engine. Exhaust gases at the Turbine of the exhaust gas turbocharger bypassed to the Reduce drive power. The bypass is with one Provide control element with which the mass flow through the wastegate is controllable.

Bisher sind keine Modelle zur Beschreibung der Strömungs- und Massenstromverhältnisse an einem Wastegate bekannt. So far there are no models to describe the flow and Mass flow ratios on a wastegate are known.

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. The invention has for its object the method of Provide the type mentioned above, which is reliable Way the flow conditions on an actuator in the Bypass line to an exhaust gas turbocharger without large Play computing effort.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verfahren nach Anspruch 1 und 4 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren an. According to the invention, the object is achieved by the method Claims 1 and 4 solved. The subclaims give preferred Refinements of the method according to the invention.

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. The method of claim 1 relates to a so-called Forward model, which is based on actual values for operating states Actual value for the mass flow is calculated by an actuator becomes. The mass flow depends on a reduced one Cross-sectional area in the bypass line. The reduced one Cross-sectional area is determined by the position of the control element established. The reduced cross-sectional area gives here not the geometrical passage area in the Bypass line, but is usually smaller than this. The reduced cross-sectional area can be clearly defined, than the minimum area in cross section that a through the Bypass bundle of streamlines. The exhaust gases flowing through the control element meet at the Control element on a throttle point at which the flow Area is reduced. Downstream from the throttle the area flowed through is smaller. The minimum area is referred to as a reduced cross-sectional area. In which The method according to the invention is derived from the quotient of pressure and a first factor is determined behind the control element. Out the temperature in front of the control element becomes a second factor certainly. The actual position of the control element defines the reduced cross-sectional area. This is with the present method preferably only from the position of Control element determined. The product of pressure before actuator, the factors and the reduced cross-sectional area the mass flow through the control element. The invention Process is based on the knowledge that the Mass flow through the control element in the bypass line describes how the flow behavior of a gas through a choke point.

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. The first factor depends on the quotient of pressure after turbine divided by pressure before turbine determined. is this pressure quotient is less than a critical one Pressure ratio, preferably with a value of about 0.53, is the first Constant factor, preferably with a value of about 0.2588. The second factor is preferably proportional to the root the reciprocal of the temperature, i.e. the root of 1 by the Temperature value. Both factors can take the form of characteristic curves be stored so that a determination of the factors with can be done with little effort.

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. The object underlying the invention also becomes solved by a method with the features of claim 4. The method is used to calculate a setpoint, for a Position of an actuator in a bypass line an exhaust gas turbocharger in an exhaust tract Internal combustion engine. With this method, too, the reduced one is used again Passage area of the control element considered. The procedure provides for the following procedural steps. From the Setpoints for pressure before and after the control element, the temperature in front of the turbine and a setpoint for the mass flow through the Wastegate becomes a setpoint for a reduced one Cross-sectional area determined. The reduced cross-sectional area becomes determined a target position for the actuator. In which The method according to the invention is a so-called Backward model in which the setpoints for the Mass flow and the pressure ratios the position of the Actuator is calculated. The setpoints for the pressure before and after turbine can do this by a corresponding Turbine model can be delivered.

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. The actuating element is preferably infinitely variable adjustable flap element. The flap element is on held a bearing shaft and a rotation of the Bearing shaft, the position of the flap element is adjusted.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt: Preferred configurations of the method according to the invention are described below with reference to the figures. It shows:

Fig. 1 ein Vorwärtsmodell für das Wastegate, Fig. 1 is a forward model for the waste gate,

Fig. 2 ein Rückwärtsmodell für das Wastegate und Fig. 2 shows a reverse model for the wastegate and

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Wastegates. Fig. 3 is a schematic view of the wastegate.

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. Fig. 1 shows the calculation of the mass flow through a wastegate (FLOW_WG) from 10. The exhaust gas pressure before turbine (P3) 12 and the exhaust gas pressure after turbine (P4) 14 serve as input variables. The exhaust gas pressures are given here in relation to the turbine. Since the bypass is arranged parallel to the turbine, these pressure specifications also refer to the wastegate. However, since it is common to refer to exhaust gas pressures as exhaust gas pressures before and after the turbine, the exhaust gas pressures are subsequently related to the turbine and not to the wastegate. The quotient of the exhaust gas pressure after the turbine divided by the exhaust gas pressure before the turbine is calculated in method step 16 . The result (PQ) 18 forms the input variable for the characteristic curve (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. The characteristic curve calculates the factor (PSI_WG) 22. The characteristic curve 20 is based on the following expression for the factor:

where κ denotes the adiabatic exponent. A pressure ratio greater than 0.53 is referred to as the subcritical pressure ratio and a pressure ratio less than or equal to 0.53 is referred to as the supercritical pressure ratio.

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. Depending on the position of the wastegate (PSN_WG), the reduced cross-sectional area of the wastegate is determined via a characteristic curve 26 . In the model described here, the reduced cross-sectional area is independent of physical parameters of the flowing gas, but only on the position of the wastegate.

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. Depending on the exhaust gas temperature upstream of turbine 30 , a further factor for calculating the mass flow is determined via a characteristic curve 32 (IP_FLOW_WG_CON_1). The characteristic curve 32 is based on the following expression, depending on the exhaust gas temperature upstream of the turbine (T3):

where R _exhaust gas denotes the gas constant for exhaust gas.

In Verfahrensschritt 46 wird die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegates 28, der Faktor 34, der Faktor 22 und der Druck vor Turbine miteinander multipliziert. In method step 46 , the reduced cross-sectional area of the wastegate 28 , the factor 34, the factor 22 and the pressure upstream of the turbine are multiplied with one another.

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. Step 46 is based on the knowledge that the flow behavior at a wastegate can be modeled using the St.Venant equation. This equation is:

where m is the mass flow through the wastegate, A _{red is} the reduced cross-sectional area of the wastegate, κ is the adiabatic exponent for exhaust gas, R _{exhaust gas is} the gas constant for exhaust gas, T3 temperature before turbine, p3 exhaust gas pressure before turbine and Ψ the factor PSI_WG according to Formula 1.

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. Fig. 2 shows a corresponding reverse model of the waste gate. The output variable for the reverse model is a target position for the wastegate 48 and a torque on the wastegate shaft by the gas forces (TQ_WG_PRS_EX_SP) 50 . This variable is calculated depending on the setpoints for the pressure before and after the turbine (P3_SP, P4_SP) 52 and 54 . The target values for the pressure are calculated, for example, by a turbine model. In method step 56 , pressure 54 is divided by pressure 52 . The result (PQ_SP) 58 lies on the characteristic (IP_PSI_WG). The result 62 indicates the value for the factor PSI_WG in the target operating state.

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. The exhaust gas temperature upstream of turbine 64 is on characteristic curve (IP_PSI_WG_1) 66 . The already mentioned factor FLOW_WG_CON_1 is calculated via the characteristic curve 66 .

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. In method step 72 , the target value for the mass flow through the wastegate 70 is divided by the factor 68, the pressure upstream of the turbine 52 and the factor 62. The result is the reduced cross-sectional area of the waste guest (AR_RED_WG_SP) 74 . The reduced cross-sectional area 74 lies on the characteristic curve (IP_PSN_WG_SP) 76 . The result specifies a setpoint for the position of the wastegate, which is forwarded to a position of the wastegate.

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. Taking into account the pressure differences at the wastegate (P3_P4_SP_DIFF) 68 and a factor dependent on the position of the wastegate (FAC_TQ_WG_PRS_EX_SP) 80, the torque value 50 is calculated. The factor 80 is determined by the characteristic curve 82 . The characteristic curve 82 depends, as will be described below, only on the geometry of the wastegate and the bypass.

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. Fig. 3 is a view schematically showing a flap 84 of a wastegate. The flap 84 is supported by a lever 86 about a pivot point 88 of a drive shaft 90 . The exhaust gas flows in the direction of arrow A. A partition 92 is provided with a through opening 94 , which is sealed by the flap 84 in the closed state.

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. Due to the pressure difference between the pressures upstream and downstream of the wall 92 , a force is exerted on the flap 84 which generates a torque on the bearing shaft 90 via the lever arm 86 . This torque is calculated because it has to be compensated by an actuator of the wastegate. The conversion from the pressure difference to a force is carried out via the effective area, which only depends on the current valve position. The conversion from force to torque is also carried out using a factor that takes into account the effective lever at the current damper position. In summary, it follows that the torque exerted on the bearing shaft 90 only depends on the position of the flap and the pressure difference.

Claims

1. A method for calculating a mass flow ( 10 ) through an actuating element in a bypass line to an exhaust gas turbocharger in the exhaust tract of an internal combustion engine, in which the mass flow in the bypass line of the actuating element depends on a reduced cross-sectional area, which is determined by the position of the actuating element, with the following steps:

a first factor (12) is determined from the quotient ( 18 ) pressure in front of and behind the adjusting element ( 12 , 14 ),

a second factor (34) is determined from the temperature (30) before the control element,

- From the position of the control element ( 24 ), the reduced passage area ( 28 ) for the flow is calculated and

- The product of pressure ( 12 ) in front of the control element, the factors (22, 34) and the reduced cross-sectional area ( 28 ) gives the mass flow through the control element.

2. The method according to claim 1, characterized in that the first factor (28) for supercritical Pressure ratios at a value for the quotient from pressure after Control element by pressure in front of control element less than a critical pressure ratio, preferably one Pressure ratio the value of about 0.53, is constant, preferably with a value of approximately 0.2588.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the second factor (34) is proportional to the root from the reciprocal of the temperature (30) before Actuator is.

4. Method for calculating a setpoint ( 48 ) for a position of an actuating element in a bypass line to an exhaust gas turbocharger in the exhaust tract of an internal combustion engine, in which the mass flow in the bypass line of the actuating element depends on a reduced cross-sectional area ( 74 ) caused by the position of the actuating element is determined with the following procedural steps:

- From the target values for the pressure ( 52 , 54 ) before and after the control element, the temperature ( 64 ) in front of the turbine and a target value ( 70 ) for the mass flow through the turbine with a target value for reduced cross-sectional area, and

- A target position for the control element ( 48 ) is determined from the target value for the reduced cross-sectional area ( 74 ).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the actuator is a stepless has adjustable flap element.

6. The method according to claim 5, characterized in that the flap element is held on a bearing shaft ( 90 ) and the position of the flap element is adjusted via a rotation of the bearing shaft.

7. The method according to claim 4 and 6, characterized in that in addition a setpoint ( 50 ) for a torque for the bearing shaft is calculated, which must be applied to the setpoint for the position of the flap element by a drive of the bearing shaft.