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用于控制增压系统的方法

2021-04-25 20:31:37

用于控制增压系统的方法

  技术领域

  本发明涉及一种控制内燃机的增压系统的方法和一种用于控制内燃机的增压系统的控制单元。

  背景技术

  通常已知用于尤其机动车领域中的内燃机的增压系统,其用于增大内燃机的气缸中的进气压力,从而更多且压缩度更高的空气可用于更高燃料量的燃烧并且因此提高了内燃机(VKM)的功率。

  为了提高进气压力,例如已知涡轮增压器和压缩机。涡轮增压器包括压缩机并且可以配设有自有的驱动装置(例如电动机),该自有的驱动装置与压缩机机械耦连,或者涡轮增压器与被内燃机废气驱动的涡轮机机械地耦连。

  现在,这种废气涡轮增压器是机动车领域用于增大进气压力的最广泛的解决方案。现代的废气涡轮增压器为了改善功率控制配备有旁通阀(也称为“废气门”)和/或可变几何形状涡轮,可变几何形状涡轮具有可调节的固定的导向叶片,通过这些导向叶片可以减小或扩大有效的流动横截面。当调节叶片的冲角时可以改变气体流量。典型地例如,如此调节或控制导向叶片的冲角,使得在小的气体流量和高的功率需求下通过减小流动横截面来增大涡轮增压器的功效,而在高的气体流量和低的功率需求下通过扩大流动横截面来降低涡轮增压器的功效。因此,最终可以增大或减小用于将燃烧用空气压入气缸中的进气压力。该进气压力是可获取的内燃机功率潜能的决定性因素之一。

  由专利文献DE 10 2008 005 121 A1中已知一种方法,其中,如此调节可变几何形状涡轮(VGT;可调节的导向叶片),从而涡轮机提供规定的通过量。

  由专利文献EP 1 178 192 A2中还已知根据内燃机(例如柴油机)的其它运行参数来控制可变几何形状涡轮。这样的参数可以是速度、润滑油消耗或冷却水温度或其它变量。专利文献DE 10 2008 063 935 A1涉及一种方法,在该方法中,将针对瞬态运行状态(正阶跃)预测的进气压力和排气背压的值与相应的额定值进行比较,并计算出对应的阻尼器脉冲,这些阻尼器脉冲得出输出阻尼器脉冲,并且由输出阻尼器脉冲确定用于调节可变几何形状涡轮的操控信号(先导-占空比)。

  由专利文献DE 10 2014 210 026 A1还已知,根据额定进气压力和得出的进气压力增大调整来控制增压系统。由专利文献DE 10 2008 005 121 A1已知另外的用于通过调整涡轮几何(在那里是旋转叶片)使实际进气压力适应于额定进气压力的方法。因此要防止效率变化。

  但在已知的解决方案中,可能存在不能最佳地调节起动性能的问题。在这些已知的解决方案中,使用对涡轮机调整元件(废气门和/或可变几何形状涡轮)的操控,同时额定状态量仅用于废气侧(涡轮机前后)的确定环节。但由于换气损失,这些量对于产生有效的发动机力矩或可用的功率也可能是重要的。

  发明内容

  尽管从现有技术中基本上已知用于调节增压系统的方法和控制系统,但本发明所要解决的技术问题在于提供一种改进的用于控制这种增压系统的方法以及一种相应的用于控制这种增压系统的控制单元。

  根据第一方面,所述技术问题按照本发明通过一种控制内燃机的具有增压级的增压系统的方法解决,其中,所述增压级包括压缩机和涡轮机,并且所述涡轮机能够通过可变几何形状涡轮的操控装置调节,其中,所述方法包括:

  -获取运行状态额定值;

  -设置可变几何形状涡轮的最大调节标准,以便实施通过提高进气压力增大转矩,其中,所述可变几何形状涡轮的最大调节标准的设置包括:

  -得出额定进气压力;

  -根据额定进气压力得出可变几何形状涡轮的额定状态;

  -得出实际排气背压;

  -得出涡轮机后方的实际废气压力;

  -在考虑涡轮机后方的实际废气压力的情况下得出最大排气背压;

  -在考虑实际排气背压和最大排气背压之差的情况下确定可变几何形状涡轮的调节标准,

  其中,所述可变几何形状涡轮的调节标准如此限制可变几何形状涡轮的额定状态,使得相对于在不考虑可变几何形状涡轮的调节标准的情况下进行的实际进气压力适应于额定进气压力的调整,能加速进行实际进气压力适应于额定进气压力的调整。

  根据第二方面,所述技术问题按照本发明还通过一种用于内燃机的增压系统的控制单元解决,其中,所述控制单元设置用于实施根据第一方面的方法。

  根据第三方面,所述技术问题按照本发明还通过一种内燃机解决,所述内燃机具有增压系统和根据第二方面的控制单元,所述增压系统具有增压级,其中,所述增压级具有压缩机和涡轮机。

  根据第四方面,所述技术问题按照本发明还通过一种机动车解决,所述机动车具有根据第三方面的内燃机。

  本发明的其它有利的设计方案由以下对本发明的优选实施例的说明得出。

  如上所述,已知增压系统,这类增压系统尤其具有具备可变几何形状涡轮(可变几何形状涡轮)和/或废气门(至少一个旁通阀)的废气涡轮增压器。废气涡轮增压器的导向叶片典型地例如伴随着不同的速度改变。这意味着,当要猛烈增大提供的进气压力以便例如满足对内燃机的功率要求或转矩要求的突变(明确的加速意愿)时,流动速度迅速增大。

  业已表明,猛烈(迅速)地合上导向叶片典型地导致高的排气背压并且因此导致换气损失,这又对抗内燃机的有效的力矩增大。这种关联可以这样解释,即,有效的发动机力矩对车轮上的驱动力(并且因此也对机动车的加速度)至关重要。有效的发动机力矩等于内部的发动机力矩与力矩损失之差。力矩损失包括换气损失、辅助机组消耗和摩擦。

  在此,换气损失与机组出口侧的排气背压和机组入口侧的进气压力之间的扫气压降(压差)近似成比例。这是通过研究实际内燃机的循环过程得出的。

  为了提高有效发动机力矩或车辆加速度,可以处置两个分量,这两个分量能够通过调节可变几何形状涡轮的状态被影响:

  -在新鲜空气侧(新鲜空气在这一侧被输入气缸中)可以实现更快或更高的进气压力增大。因此,可以在较早的时间点释放提高的燃料喷射量。这引起内部力矩(由于气缸内燃烧产生的转矩)更快或更剧烈的增大。

  -在废气侧应当减小或影响换气损失,方式是可变几何形状涡轮的状态变化走向(例如通过排气背压的略微增大)影响排气背压的变化走向。

  令人感到意外地已经表明,可变几何形状涡轮的长时间且较大的关闭(最小横截面面积减小,即所谓的最小流量减小)虽然导致排气背压的更猛烈或更快的增大。但是对进气压力变化走向(新鲜空气侧)和车辆加速度的影响相对较小。这表明,排气背压增大的能量只能非常有限地转换为提高的增压器速度和提升的进气压力增大。这是由涡轮增压器的效率特性所限制的。本发明中采用的方法是通过限制力矩损失、更确切地说通过限制排气背压来限制力矩损失。由此优化进气压力的增大并且因此更快地提高有效力矩。

  按照本发明的用于限制排气背压的对废气涡轮增压器的几何形状(VGT)的调节部分地减小了涡轮机前方的不能利用的焓。在以减小的最小质量流量(Minflow)使用废气涡轮增压器的情况下,这种效果特别明显。通过该焓的减小同时更快地实现进气压力增大。对排气背压的限制有利于两个希望的效果:

  -更快的进气压力增大和因此(由于更高的喷射量产生的)更快的内部的发动机力矩增大,和

  -由于对排气背压的限制引起的更小的换气损失。

  因此,车辆的有效力矩和对加速重要的车轮加速力矩与传统的操控功能相比增大。

  按照本发明,这通过如下方式实现,首先获取运行状态额定值或者说运行状态调节量,在此,可以是例如额定转矩或所谓的驾驶员意愿(全负荷要求),驾驶员意愿通过对加速踏板的操纵传输至车辆控制单元。通过设置可调节的涡轮几何形状的调节标准(可变几何形状涡轮的调节标准)实现用于实施希望的转矩升高的进气压力增大。

  在本发明的范畴内,术语“控制、调节、操控、控制、调整”既包含控制的本义(即无反馈的控制)还包括(具有一个或多个调节回路的)闭环控制。

  借助于可变几何形状涡轮的最大调节标准来调节排气背压或将排气背压调节至某个确定数值的步骤尤其包括以下步骤:

  首先,(例如由特征曲线)得出额定进气压力,该额定进气压力适合于力求达到的加速度、希望的(全)负荷状态或力求达到的转矩增大或针对这些目标被优化。根据额定进气压力可以得出可变几何形状涡轮的额定状态,但在可变几何形状涡轮的额定状态的调节中由于过高的排气背压可能出现涡轮机前方的不希望的焓积聚(Enthalpiestau)。因此,为了限制可变几何形状涡轮的额定状态规定:

  (通过测量、建模、计算等)得出实际排气背压、(通过测量、建模、计算等)得出涡轮机后方的实际废气压力以及在考虑到涡轮机后方的实际废气压力的情况下得出最大排气背压。为了确定可变几何形状涡轮的调节标准,考虑实际排气背压与最大排气背压之差。在此基础上,得出可变几何形状涡轮的最大调节标准,其如此限制已经存在的可变几何形状涡轮的额定状态,从而相对于在不考虑可变几何形状涡轮的最大调节标准的情况下进行的进气压力适应于额定进气压力的调整,能加速实施进气压力适应于额定进气压力的调整。由此可以通过对排气背压的适当调节防止涡轮机前方的上述不希望的焓积聚。通过确定合适的可变几何形状涡轮的最大调节标准来限制排气背压,由此不仅可以优化有效力矩还可以一同限制排气背压,对排气背压的限制用于减少废气涡轮增压器关于其最小流量值的构件变化。对排气背压的限制还有利于对排气歧管下游或内部的构件的保护。

  由于在得出最大排气背压时考虑了涡轮机后方的实际废气压力,因此可以一并考虑(位于涡轮机下游的)废气后处理系统、例如柴油机颗粒过滤器的各种运行状态。例如,在颗粒过滤器负荷增加时,为了实现/实施转矩升高可能需要比先前完成的颗粒过滤器再生过程中更高的排气背压。即,增加的颗粒过滤器负荷可以影响、尤其增大流经涡轮机的废气流的流动阻力。

  此外,在废气后处理系统的特定的运行状态下、例如颗粒过滤器再生或NOx存储催化转化器的脱硫过程中,废气后处理系统的温度可能升高。这又导致涡轮机后方的废气压力升高(与内燃机的不存在废气后处理系统的特定状态的类似运行点相比),并且这通过实际排气背压来考虑。

  最后,废气盖板的位置以及废气后处理系统和/或末端消声器的老化或充满烟灰可能影响所需的排气背压,而这又通过涡轮机后方的实际废气压力来考虑。

  由于气缸中的扫气压降也受到排气背压的影响,因此也可以如此调节气缸中的剩余气体含量。因此,可以有利地影响柴油发动机的排放。在汽油发动机中,可以通过限制气缸中的剩余气体含量来确保燃烧条件。但这样尤其可以实现精确调整过的、无冲击但仍然较快的力矩增大。在此避免了由于积聚的废气焓突然传递到涡轮而可能出现的力矩冲击或力矩突变。

  在此存在不是本发明的一部分的实施方式,在这些实施方式中最大排气背压的获得还包括:将考虑了运行状态量值(例如发动机转速)和运行状态额定值(例如发动机额定转矩)和环境压力的第一最大排气背压参数化;将考虑了运行状态量值和额定进气压力与实际进气压力之差的第二最大排气背压参数化。则最大排气背压被确定为第一最大排气背压和第二最大排气背压中的最小值。将第二最大排气背压参数化的特别之处是,进气压力实际值被加到相应的参数化值中,该参数化值根据额定进气压力与实际进气压力之差以及运行状态量值得出。

  在按照本发明的方法的实施方式中,最大排气背压的获得还包括得出涡轮机上的压力比,其中考虑以下量值:压缩机上的给定压力比、压缩机前方的环境温度和压缩机后方的进气温度、涡轮机前方的废气温度和涡轮机后方的废气温度以及涡轮机后方的废气压力。

  在此存在可以根据涡轮增压器主方程式得出涡轮机上的压力比的方法。涡轮增压器主方程利用压缩机和涡轮机的静态功率平衡:

  PV=PV

  根据文献[1]Schollmeyer,Beitrag zur modellbasierten Ladedruckregelungfür Pkw-Dieselmotoren(关于用于乘用车柴油发动机的以模型为基础的进气压力调节的文章),压缩机功率和涡轮机功率分别适用如下公式:

  

  

  为了确定比热容cp和等熵指数κ的值可以使用模型,这类模型根据涡轮机和压缩机处的气体组成提供这些值。效率ηis也可以通过模型确定。

  借助于涡轮增压器主方程式,可以针对压缩机上的给定压力比p2/p1(该压力比是压缩机后方的额定进气压力与压缩机前方的实际压力之比)、压缩机的给定的额定质量流量和压缩机以及涡轮机前方和后方的实际温度得出涡轮机上的压力比p4/p3。

  在运算得出涡轮机上的压力比p4/p3并对该压力比求倒数后,可以在考虑检测到的实际废气压力的情况下得出最大排气背压。换言之,涡轮机前方的最大排气背压可以根据如下关系式得出:

  

  借助于涡轮增压器主方程式确定涡轮机上的压力比并且随后对该压力比求倒数,由此可以在(例如通过建模或传感器检测)已知涡轮机后方的废气压力的情况下可靠地确定最大排气背压。

  在另外的实施方式中,最大排气背压的获得包括在考虑运行状态量值的情况下将压缩机上的压差和涡轮机上的压差之间的差值参数化。该参数化的差值由以下关系式表示:

  poff,n=(p3-p4ist)-(p2soll-p1ist)

  换言之,压缩机或涡轮机上的压差、尤其压降之间的预先确定的与(内燃机的)运行状态量值例如实际的发动机转速相关的差值(偏移)可以(在增压系统上)应用。该偏移可以例如通过试验系列得出并且存储在为此而设的特征曲线图中。在这些试验系列中,排气背压p3由传感器检测和由模型确定。

  利用已知的涡轮机后方的废气压力和得出的压缩机或涡轮机上的压差之间的预先确定的差值可以根据如下关系式得出最大排气背压:

  p3max=p2soll-p1ist+p4ist+poff,n

  以此方式可以可靠且特别简单地得出最大排气背压。此外还可以通过选择压缩机和涡轮机上的压差(偏移)如此确定最大排气背压,从而最大排气背压适应于效率要求和性能要求(例如避免不必要的换气)但还可以精益地描述增压系统或增压级周围的变化的条件,从而环境压力和涡轮机后方的废气压力等影响因素被补偿。因此,在上面的方程式中,通过选择压差或通过偏移尤其至少在很大程度上消除环境压力的影响,并且涡轮机后方的废气压力直接用于确定最大排气背压。

  作为使用上述压差来确定偏移的替代,还可以考虑压缩机和涡轮机上的压力比:

  Offset(nM-ist)=ΠT-ΠV

  

  

  在此,该偏移又与在借助于压缩机和涡轮机上的压差确定偏移的情况下具有相同的关系。在此,偏移也可以例如通过试验系列得出并且存储在为此而设置的特征曲线图中。

  利用已知的涡轮机后方的废气压力和得出的压缩机上的预先确定的压力比可以根据如下关系式得出最大排气背压:

  p3max=(ΠV+Offset(nM-ist))·p4ist

  通过该关系式也可以较好地补偿上述影响因素。

  在此存在这样的方法,在这类方法中实际进气压力和/或实际排气背压和/或实际废气压力由传感器确定或者替代地是由模型得到的值,这些压力量值可以根据相应的运行状态量由模型得到、计算或存储在适当的特征曲线图中。

  在不是本发明的一部分的方法中,在考虑扫气压降的情况下将第二最大排气背压参数化,在这种方法中,在调节最大排气背压时也可以遵守允许的扫气压降。此外,可以借助于特征曲线确定扫气压降。这可以特别简单地与运行状态相关地确定扫气压降。

  在一种方法中,在考虑最大的排气背压变化的情况下确定可变几何形状涡轮的调节标准,在这种方法中可以进一步改善调节质量、尤其闭环控制质量。由此,要调节的排气背压的调节速度被一同考虑,从而可以优化对排气背压的调整。

  在一种方法中可以进一步改进所述方法,其中,最大的排气背压变化由运行状态量、尤其转速和运行状态额定值、尤其额定转矩或负荷状态的参数化确定,并且随后根据实际排气背压和最大排气背压之差对该最大的排气背压变化加权。

  通过如下方式实现进一步的改进,即,为了确定最大的排气背压变化考虑修正因素,所述修正因素由实际排气背压和最大排气背压之差(例如通过特征曲线、建模或计算规则)被参数化。

  因此,可以尤其通过比例控制器(P-控制器)进行的调节可以配备有所谓的增益调度。由此能够实现参数化,在该参数化中,闭环调节回路的放大系数和与其相关的调节速度根据发动机额定转矩(运行状态额定值)和转速(运行状态量值)设置。利用相应的偏差(最大允许的排气背压与实际排气背压之差)进行加权。该方法也称为“增益调度”。

  在考虑如下关系式的情况下可靠地得出可变几何形状涡轮的调节标准

  

  针对该关系式适用

  

  

  

  

  其中

  

  由此可以实现输入-输出线性化,输入-输出线性化能够实现借助于调节对象的返回的状态量(例如增压器(压缩机)前后的温度T1、T2;涡轮机前后的温度T3、T4、涡轮前后的实际压力p3、p4;实际可变几何形状涡轮状态)由排气背压的最大允许的时间变化来确定可变几何形状涡轮的调节标准。

  上述计算关系的推导过程如下:

  为了推导调节规则,调用根据文献[1]的用于描述排气背压p3的节流方程(等式1)并且应用根据文献[2]Isidori的非线性控制系统(1995年)的输入/输出线性化方法(输入/输出线性化)。

  

  排气背压p3与以下量:流量系数cd、有效面积Aeff、涡轮机前方的温度T3、涡轮机质量流量以及涡轮机后方压力p4有关,这些量又与时间相关并且作为模型量或传感器量存在于控制单元中。平方根项按照文献[1]根据判别式分情况讨论。如果ξ为正值,则平方根项被加上,如果ξ为负值,则平方根项被减去。

  Aeff和cd分别与调节器位置rVtg非线性相关,从而在不使用搜索或优化方法(Such-bzw.Optimierungsverfahren)的情况下在形式上不能针对一个排气背压得到一个调节器位置。这个问题可以通过应用输入/输出线性化解决。

  正如输入/输出线性化设计规定的那样,将p3的等式对时间求导,直至调节量rVtg(可变几何形状涡轮状态)出现输入仿射(eingangsaffin)。

  为此还根据等式2将可变几何形状涡轮(可变几何形状涡轮)的(位置控制)的调节器特性建模为PT1特性。

  

  在此,u是寻求的可变几何形状涡轮的调节器位置。

  排气背压的一阶时间导数使用等式3,等式3包含时间上的调节量变化

  

  在可以将等式2中的代入等式3中,从而得到等式4。可以看出,排气背压时间变化对应于需要的调节器位置。在限制调节的范畴内,这些量应当解释为排气背压的允许的最大变化,该最大变化对应于允许的可变几何形状涡轮的最大额定状态。

  

  显然,寻求的操调节量u在p3的一阶导数中呈线性;该微分阶数δ=1并且不需要对p3状态方程进一步求时间导数。通过求微分可以将cd和Aeff中的调节分量加和成共同的有效调节分量。

  由等式4,在已有偏导数的情况下借助于简单的项变换得到用于(此处为最大允许的)排气背压变化的需要的(在当前情况下为最大的)调节量值u,从而得出等式5。如前所述,是上一级的P控制器的输出量,从而调节规则如下描述:

  

  如果在当前的限制调节的技术问题下解释该等式,则为相关的量和u配设角标“max”。此外,通过将每个状态导数与系数相乘可以定义作为相对于实际位置rVtg的位置变化Δu,从而干扰分量及其对位置变化的影响可以比传统调节方法更透明地识别。由此得出等式6中的紧凑的表达式。

  

  在此,这些Δu量按照等式7分配,同时使用(具有放大系数Kp的)比例控制器并且实际排气背压p3被反馈。

  

  

  其中

  

  最后,通过使用用于产生最大允许的排气背压变化的P控制器闭合调节回路。其它状态量的时间导数可以通过近似计算借助于差分商及其滤波或使用DT1元件求出,或者可以通过在状态观测器的范畴内在每个时间间隔中计算一阶状态微分方程求出。当前应用情况下,利用被馈送存在于控制单元中的状态量的DT1元件已证明是适用的并且足以用于求状态量的时间导数的近似。

  为了完整起见,以下描述在每个时间间隔中由存在于控制单元中的时变的状态量计算的偏导数。

  静态p3方程式的偏导数

  排气背压的静态状态方程式

  

  偏导数

  平方根项的正负号选择取决于判别式如果ξ是正值则平方根项被加上,如果ξ是负值则平方根项被减去。因此以下分情况讨论。

  对rVtg的偏导数

  

  

  

  对p4的偏导数

  

  对T3的偏导数

  

  对的偏导数

  

  在一种方法中可以以特别容易得到或导出的状态量实施希望的调节/控制,在这种方法中,运行状态量是发动机转速,并且运行状态额定值是发动机额定力矩。

  在一种方法中通过在控制技术上实现的输入/输出线性化确定排气背压,输入/输出线性化尤其考虑以下量(例如涡轮机后方温度T4、涡轮机前方的实际压力p3;废气质量流量在输入/输出线性化中这些量被返回),在这种方法中可以考虑自动控制的模型分量中的外部影响量,并且由变化的环境条件如环境温度和环境压力引起的干扰可以简单地补偿。

  由此与其它解决方案相比可以降低应用耗费。此外,涡轮机侧的节流位置的非线性被额定补偿,从而可以借助于简单的P控制器实现参数化。通过这种线性化环节或线性化方法补偿调节对象的非线性。

  为了进行线性化,如上所述,对时间上的排气背压变化的状态方程求导,直至实现相对阶或调节量,从而可以形成逆模型(modellinverse),在该逆模型中,可变几何形状涡轮地调节标准(最大允许的可变几何形状涡轮状态)根据排气背压的最大允许的变化得出。结合线性的P控制器针对限制的情况在P控制器的参数化恒定的情况下得出一阶线性延迟特性,该线性的P控制器计算或评估可参数化的最大排气背压和排气背压的实际模型或测量值之间的调节偏差。

  此外存在这样的实施方式,其中,最大排气背压以与进气压力调节偏差相关的偏移被提升。在此,进气压力调节偏差指的是额定进气压力和实际进气压力之间的差、尤其差值。这种相关性可以通过如下方式表达,即,进气压力调节偏差越小,偏移越大。这种提升可以例如线性地或逐级地进行。

  将偏移与进气压力调节偏差相关联的作用是,可以避免最大允许的排气背压的突变。换言之,通过提升与进气压力调节偏差相关的偏移可以防止由于内燃机产生的有效力矩中的突变引起的较差的行驶性能。

  尤其当实际进气压力(基本上)等于额定进气压力时,偏移可以如此选择,从而可变几何形状涡轮的调节标准不再限制可变几何形状涡轮的额定状态。这例如可以通过将偏移设置为无穷大来实现。实践中将偏移设置为一个值,以便实现对例如涡轮机、可变几何形状涡轮调节器和/或废气门的保护。换言之,选择最大偏移的数值,在该数值下,上述构件被保护以免受过高的压力。

  如上所述,偏移量可以如此选择,从而可以防止由于过度限制的最大排气背压而无意地干预可变几何形状涡轮操控。因为该限制仅在内燃机的动态运行中、例如在进气压力增大时有用。为了能够实现动态运行和静态运行之间的分离,可以使用上述进气压力调节偏差。因此,在调准的进气压力下,即当额定进气压力(至少基本上)等于实际进气压力时,避免了对可变几何形状涡轮操控的不必要的限制。

  一些实施例涉及一种用于内燃机的增压系统的控制单元,其中,所述控制单元设置用于实施上述方法。所述控制单元可以具有处理器和存储器,在所述存储器中存储方法和相应的特征曲线、特征曲线族、模型、计算程序等。所述控制单元可以例如设计为发动机控制器。

  一些实施例涉及一种内燃机,其具有增压系统和上述控制单元。

  一些实施例还涉及一种具有这种内燃机的机动车。

  附图说明

  在此示例性地并参考附图来描述本发明的实施例。在附图中:

  图1示意性地示出具有增压系统和控制单元的机动车的实施例;

  图2是流程图,该流程图示出速度、进气压力、背压和废气涡轮几何的位置随时间的变化走向和按照本发明的方法与传统方法的差异;

  图3示出按照本发明的排气背压限制调节的示意图;

  图4示出根据按照本发明的方法得出最大允许的排气背压的示意图,和

  图5示出考虑增益调度方法的调节的示意图。

  具体实施方式

  在图1中示出了具有发动机2和增压系统3的机动车1的实施例,增压系统3由控制单元10控制,该控制单元10设计为发动机控制器。

  本发明不限于某种类型的发动机。其可以是设计为汽油发动机或柴油发动机的内燃机。

  发动机2包括一个或多个气缸4,这里示出其中一个气缸。气缸4由增压系统3供给增压的(燃烧用)空气。

  增压系统3具有具备可变几何形状涡轮的增压级。增压级5与控制单元10耦连。

  增压级5具有压缩机6,该压缩机6通过轴7被具有可变几何形状涡轮(VTG)的涡轮机(废气涡轮机)8驱动,其中,涡轮机8被供给来自发动机2的废气并且被该废气驱动。另外,可选地设置废气门9。可选地也可以设置多级增压的机组。

  在运行中,具有环境压力p1和环境温度T1的周围空气被输送经过压缩机6、被压缩机6压缩并且以进气压力p2和进气温度T2被输入气缸4中。具有排气背压p3和废气温度T3的废气被输入涡轮机中并且在那里以涡轮机后方温度T4和涡轮机后方压力(废气压力)p4排出。控制单元与废气门9和用于调节可变几何形状涡轮的机构11连接并且可选地与可用于测量废气温度T3或排气背压p3的传感器12连接。可选地设置另外的传感器12,该另外的传感器12可以用于测量进气压力p2和压缩机6后方的空气温度T2。控制单元配备有另外的传感器输入端和信号输出端,以便接收、处理运行状态量和输出调整信号和控制信号。运行状态量例如包括上述的温度值和压力值,这些温度值和压力值可以通过传感器或通过运行状态量检测或由模型得出,或者也可以通过特征曲线确定。

  图2从上到下依次示出了多幅曲线图,在这些曲线图中描绘了随时间变化的某些控制量和状态量。

  在最上方的曲线图中描绘了随时间变化的车速v。实线表示在不使用按照本发明的方法情况下的速度变化走向vSdT,并且虚线示出了应用了按照本发明的方法的车辆的速度变化走向v。

  车速和加速度与位于该曲线图下方的进气压力曲线p2相关。在时间点t0,例如通过操纵加速踏板将加速意愿(例如全负荷请求)传输至控制单元10,随后控制单元10确定额定进气压力(实线)或额定进气压力变化走向p2soll,额定进气压力或额定进气压力变化走向引起希望的进气压力增大并且因此实现希望的加速。点划线示出了在传统的进气压力调节中产生的进气压力变化走向(p2SdT)。虚线示出了在使用按照本发明的方法的情况下产生的进气压力变化走向p2。该走向更接近额定进气压力变化走向p2soll.并且因此也实现了上一幅曲线图中的改善的加速度或更高的速度。

  在下一幅曲线图中描绘了排气背压p3随时间的变化走向。实线的斜坡曲线示出了理论的最大排气背压p3soll的变化走向,设置这样的变化走向,以便实现对进气压力和因此加速度的最佳调节。点划线示出了在不使用按照本发明的方法的情况下排气背压p3SdT的实际变化走向。虚线示出了在使用按照本发明的方法的情况下实际排气背压p3的变化走向,按照本发明的方法调节排气背压限制,该排气背压限制将实际排气背压调节至接近额定排气背压psoll。在该曲线图中,在传统的排气背压曲线和按照本发明的排气背压曲线的面积中可以看到“焓积聚”,该“焓积聚”导致希望的进气压力由于未被利用的焓而滞后地增大并且超出额定进气压力。

  在最下方的曲线图中,涡轮增压器几何形状的状态r被调节。实线表示在不考虑排气背压限制情况下的可调节的涡轮几何形状的变化走向usoll。而虚线的变化曲线在考虑了排气背压限制的情况下得出并且表示可调节的涡轮增压器几何形状的调节标准umax的按照本发明的变化走向。该曲线在额定位置usoll的曲线下方延伸并且因此阻止了上一幅曲线图中的超出的排气背压。

  进一步根据图2、图3至图5阐述按照本发明的方法。

  在图3示出了调节回路,该调节回路在考虑最大排气背压p3max(请参见下文)的情况下将实际排气背压p3调节至确定的值,该实际排气背压p3实现最优的进气压力p2。最大排气背压p3max和排气背压p3之差被输入控制器20(P-控制器)中,该控制器20将最大的排气背压变化传递至线性化方框21。线性化环节在考虑其它状态量ZG(例如涡轮机前方温度T3、涡轮机前方和后方的实际压力p3、p4以及(涡轮机)废气质量流量)的情况下确定可变几何形状涡轮的最大调节标准umax,该可变几何形状涡轮的最大调节标准umax被输入限制环节22中。在限制环节22中,将可变几何形状涡轮的调节标准umax与可变几何形状涡轮的常规状态usoll进行比较,可变几何形状涡轮的常规状态usoll来自传统的进气压力调节环节23。可变几何形状涡轮的调节标准umax如此限制可变几何形状涡轮的额定状态usoll,从而通过可调节的涡轮几何形状或调节机构11(VTG)和/或必要时也通过废气门9将排气背压p3调节至接近希望的额定排气背压p3soll。

  在此,可调节的涡轮几何形状的可通过控制单元10响应的机构11相当于图2中的调节对象24。

  图4示意性地示出最大允许的排气背压p3max的确定方法。尤其可见四条支路,这四条支路表示最大允许的排气背压p3max1至p3max4的确定方法,其中,用于p3max1和p3max2的前两条支路不是本发明的一部分,但用于p3max3和p3max4的后两条支路是本发明的一部分。但是,本发明可以由第一和第二支路补充。

  在此,在上方的(第一)支路中,由发动机转速n和额定发动机转矩Mm-soll(借助于特征曲线或另外的建模或计算方法)对压力量值参数化,环境压力p1被加到该压力量值上。该压力量值和加入的环境压力p1得出第一最大排气背压p3max1。在其下方的(第二)支路中,在考虑进气压力p2和额定进气压力p2soll之差以及发动机转速n的情况下(同样通过特征曲线或其它合适的建模或计算)对第二最大排气背压p3max2参数化。在此,由两个量值、即第一最大排气背压p3max1和第二最大排气背压p3max2中的最小值得出希望的最大排气背压p3max,该希望的最大排气背压p3max在方框25中选择。在下方的(第二)支路中参数化的压力量值中,考虑排气背压p3和进气压力p2之间的相应允许的最大压差(扫气压降)。由此确保了后续按照图2的排气背压限制调节也遵守设置的允许的扫气压降。

  此外,希望的最大排气背压p3max还可以如下所述得出。

  在第三支路中,在考虑涡轮机8上的压力比的倒数p43_inv和(通过传感器检测或建模)得出的涡轮机8后方的实际废气压力p4ist的情况下得出最大排气背压p3max3。为此,在方框29中,将该倒数p43_inv与实际废气压力p4ist相乘。

  此外,在第四支路中得出最大排气背压p3max4,方式是运用压缩机6上的压差与涡轮机8上的压差之间的与转速相关的偏移。因此,为此已知或得出涡轮机8后方的实际废气压力p4ist、压缩机6前方和后方的实际压力p1,p2以及使用/待使用的偏移poff,n。

  在方框33中,在p3max3和p3max4之间选择希望的最大排气背压p3max。在此,该选择在应用上是自由的。换言之,没有判定逻辑用于选择,而是(功能)用户/应用工程师决定优选或想选择哪种得出方法。这种应用决定也在方框35中实施,也就是说,(功能)用户/应用工程师决定,将在方框25还是在方框33中得出的排气背压用作希望的最大排气背压p3max。因此,在方框33和方框35中,由(功能)用户/应用工程师实施可选的得出方法。

  显然,在方框33和/或方框35中,替代地也可以根据压缩机6和/或涡轮机8前方和后方的确定的温度条件和/或压力条件决定/选择。

  此外,得出的最大排气背压p3max可以进一步通过偏移poff,p2被提升。为此,在方框37中根据进气压力调节偏差确定偏移poff,p2。因此,得出的最大排气背压p3max不断地通过偏移poff,p2被提升。

  在较大的进气压力调节偏差下,该偏移poff,p2等于0。进气压力调节偏差越接近值0,则该偏差poff,p2越大。优选地,在进气压力调节偏差基本上等于0时,该偏移poff,p2如此之大,从而由该偏移poff,p2提升的最大排气背压p3max,off低于涡轮机8、可变几何形状涡轮调节器和/或废气门9的最大构件负荷极限。

  图5示出了图2所示的控制器20的功能元件,该功能元件设计为比例控制器(P控制器)。图5示出了所谓的“增益调度”模块,该模块输出排气背压的最大允许的时间变化。为此考虑最大允许的排气背压p3max和排气背压p3(实际排气背压)之差,并且在参数化方框26中根据发动机额定力矩Mm-soll和发动机转速NM-ist对数值参数化,该数值乘以在调节偏差修正方框27中得出的修正值。调节偏差修正由最大允许的背压p3max和背压p3参数化并且得出放大系数Kp,该放大系数Kp与最大允许的排气背压和实际排气背压p3之差得出排气背压的最大允许的变化p3max。随后在线性化环节21中由排气背压的最大允许的时间变化p3max得出可变几何形状涡轮的调节标准umax。该线性化根据上述的数学方法实施。

  作为上述实施方式的替代,可以使用控制对可变几何形状涡轮的调节标准或可变几何形状涡轮的状态的限制的方法。在这种情况下,可变几何形状涡轮的状态在达到参数化的排气背压时或在某个时间后根据负荷改变请求(例如全负荷请求)被调节,并且具有可参数化的斜坡斜度上升的可变几何形状涡轮的状态的定义的开始处根据负荷和转速被调节成可变几何形状涡轮的额定状态的常规操控值。

  也可以以传统的结构实现简化的调节。在这种情况下利用静态的预调节和平行的线性控制器,它们的调节分量被相加。但在此没有考虑逆模型中的动态的放大作用。在此,预调节可以作为逆模型或具有自由参数化(例如转速和负荷)的特征曲线族实现。

  也可以用其它数学方法求解最大排气背压(p3max)对可变几何形状涡轮的调节标准umax(可变几何形状涡轮的最大允许状态)的方程。在此,例如迭代求解方法也是合适的。

  本发明的其它实施方式和变型对本领域技术人员而言在权利要求的范围内得出。

  附图标记列表

  1机动车

  2发动机(内燃机)

  3增压系统

  4气缸

  5增压级(废气涡轮增压器)

  6压缩机

  7轴

  8涡轮机

  9废气门

  10 控制单元

  11 可变几何形状涡轮的调节机构

  12 传感器(p3)

  VSdT传统的速度变化曲线

  v按照本发明的速度变化曲线

  p2soll 额定进气压力变化曲线

  p2SdT传统的进气压力变化曲线

  p2 按照本发明的进气压力变化曲线

  p3soll 最大排气背压变化曲线

  p3SdT 传统的排气背压变化曲线

  p3(按照本发明的)排气背压

  poff,n 压缩机和涡轮机上的压差之间的与运行状态量有关的差值

  poff,p2与进气压力调节偏差相关的偏移

  r可变几何形状涡轮的状态

  u与进气压力相关的可变几何形状涡轮的状态

  umax可变几何形状涡轮的调节标准/优化的可变几何形状涡轮的状态

  20 控制器

  21 线性化环节

  ZG 状态量

  22 限制环节

  23 进气压力调节环节

  24 调节对象

  25 最大值-最小值方框

  n发动机转速

  MM-soll额定发动机转矩

  p1 环境压力

  p2 进气压力

  p4 涡轮机后方的废气压力

  T1 环境温度

  T2 进气温度

  T3 涡轮机前方的废气温度

  T4 涡轮机后方的废气温度

  废气/涡轮机质量流量

  26 参数化方框

  27 调节偏差修正方框

  Kp 放大系数

  29 计算方框p3max3

  31 计算方框p3max4

  33、35选择方框/开关

  37 偏移计算方框

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