用于确定用于机动车的涡轮增压器的废气门的执行器的控制信号的方法与流程

本发明涉及一种用于确定用于机动车的废气涡轮增压器的废气门的执行器的控制信号的方法。

背景技术：

在具有涡轮增压的燃烧发动机中，新鲜空气在流入气缸之前借助于涡轮增压器而被压缩，从而与通过从相应的环境压力吸入所可能引入的空气相比，将更大的空气质量引入到气缸中。由此形成的增压压力（即，经涡轮增压器的压缩机之后的压力）以及通过涡轮增压器压缩机的空气质量流由涡轮增压器速度和涡轮增压器功率的结合而确定。涡轮增压器功率或涡轮输出由下述等式确定：

其中，为涡轮质量流，为涡轮上游的废气温度，为涡轮上游的压力，为涡轮下游的压力，为在恒定压力下的废气的比热容，以及为涡轮效率。

对于具有废气门的涡轮增压器而言，涡轮功率，以及因此增压压力和发动机功率（间接地）由此被控制，使得在内燃机的相应操作点从气缸中形成的废气质量流通过由废气门位置确定的废气门的特定开口而被分成涡轮质量流和废气门质量流量，涡轮质量流在等式（1）的相应的充斥（prevailing）压力和温度下产生所要求的涡轮增压器功率，废气门质量流量在涡轮处被旁通并且没有对涡轮增压器功率作出贡献：

。

图1示出了废气门执行器的功能简图，其包含与废气门执行器的实施方式无关的所有的废气门涡轮增压器的共同部件。

在图1中示出了：

在涡轮壳体1中的废气门孔2，该废气门孔在其右侧由废气门板3封闭，

- 涡轮上游的压力，

- 涡轮下游的压力，

- 通过废气门的废气质量流，

- 由于废气门板处的压力差而作用在废气门板上的力，

- 废气门杆4，该废气门杆安装在旋转轴Z中，并且具有长度的废气门侧的臂4a和长度的执行器侧的臂4b，以及

- 在位置中的废气门执行器棒6，执行器7以执行器力作用在该废气门执行器棒上。

打开废气门的力和力矩被定义为正。

废气门位置经由杆机构而由废气门执行器控制，该废气门执行器由发动机控制装置主动控制。在该情况中，常规的是将在期望的增压压力的基础上被计算的废气门执行器的预控制与用于最小化增压压力差的增压压力控制相结合：

其中，为废气门控制信号，为废气门预控制信号，以及为增压压力控制器输出的信号。

对于良好的发动机的响应行为而言（即，快速且准确地实现所要求的发动机转矩），良好的废气门的预控制是重要的。

如果忽略由脉冲废气质量流激发的振动，则废气门位置是准确恒定的，随后，即废气门处于静止状态中，如果作用在被安装成以便能够围绕废气门轴线Z转动的废气门杆上的转矩合计为0，则也就是说：

其中，为由废气门板处的压力差引起的转矩，以及为由执行器引起的转矩。

在具有废气门执行器的位置测量的系统中，用于设定这个转矩平衡的废气门的控制以及因此期望的增压压力被实现作为两级的控制，具有：

- 外部控制回路，用于借助于废气门执行器的标称位置的预设而设定期望的增压压力

其中，为废气门位置的与控制，以及为增压压力控制器输出

- 以及内部控制回路，用于调节所要求的废气门的标称位置

其中，为废气门控制，为废气门预控制，以及为位置控制器输出的信号。

在没有废气门执行器的位置测量的系统中，执行器位置是未知的。根据等式（6）和（7），双回路增压压力控制是没用的。

图2示出了电气动的废气门执行器，其具有

a）与废气门执行器的实施方式无关的所有的废气门涡轮增压器的共同部件：

在涡轮壳体1中的废气门孔2，由废气门板3从右侧封闭；

涡轮上游压力p₃；

涡轮下游压力p₄；

通过废气门的废气质量流；

由于废气门板处的压力差而作用在废气门板上的力F_p；

废气门杆4，该废气门杆安装在旋转轴线Z中并且具有长度的废气门侧的臂4a和长度的执行器侧的臂4b，以及

在位置中的废气门执行器棒6，执行器以执行器力作用在该废气门执行器棒上。

b）另外，在图2中，用于没有流动的电气动的降低压力的废气门执行器的特定部件被示出作为没有位置测量的废气门执行器的实施方式的示例：

电气动的三通阀8，其取决于控制信号PWM_WG（在等式（4）的意义中为）而将执行器压力设定在环境压力和降低的压力之间，

气动压力喷嘴7，其具有有效面积的膜状物7a，该膜状物7a与执行器棒6连接，

两个腔室7b和7c，这两个腔室由膜状物7a隔开，即与环境压力连接的第一执行器腔室7b以及与控制压力连接的第二执行器腔室7c，该第二执行器腔室与环境隔开，在此对于降低的压力的执行器而言具有，以及具有弹性常数k的执行器弹簧7d。

在膜状物7a处的压力差导致了作用在执行器棒上的控制压力

弹簧变形至执行器位置导致了作用在执行器棒上的弹簧力

其中，为弹簧在=0处的预张力。

在图2中示出的构造中，使废气门关闭的弹簧力的量值随着执行器位置的增加而增加。在该情况下，弹性常数是负的。控制力和弹簧力相加成执行器力：

。

电气动废气门执行器的其他实施方式，例如在其他腔室或另一个切换阀中的执行器弹簧的结构或者使切换阀经受其他压力，仅仅改变所考虑的力的量以及可能的符号。物理相关性与在更紧密详细的示例性实施例中的相同。

图3示出了废气门的详细简图。从图3中能够看出带有废气门孔2的涡轮壳体1，该废气门孔具有恒定的直径和恒定的横截面面积。下述内容适用：

。

涡轮壳体1的右侧示出与涡轮壳体上的止动件相距距离的废气门板3。在该情形中，为了简化，假定废气门板的移动在废气门孔的轴线的方向上直线地进行。下述内容适用：

。

在涡轮壳体1和废气门板3之间示出的是被想象作为废气门孔的延长部的圆柱形环形面积，

。

在流过废气门孔之后，废气门质量流通过该环形面积排出。

在废气门板处的压力差在废气门板上施加了力，并且在废气门杆上施加了力矩

。

根据等式（10），执行器力作为控制力和弹簧力之和在废气门杆上施加了力矩

。

通过在等式（5）中插入等式（14）和（15）得到下述结果：

。

膜状物面积、杆臂长度、、弹簧常数k和弹簧预张力是系统常数。缓慢变化的环境压力在发动机控制装置中是已知的。因此，等式（16）描述了在废气门板处的可变的力、执行器位置以及能够由控制信号直接影响的控制压力之间的平衡状态。

在没有测量执行器位置的系统中，用于设定期望的增压压力的废气门的预控制的任务因此能够如下地被表述：对于当前出现的涡轮上游的压力和涡轮下游的压力，废气门控制信号必须被选择成使得设定的控制压力准确地在对于设定期望的增压压力所必需的废气门执行器的标称位置中补偿作用在废气门杆上的所有其他力矩。下述内容适用：

。

根据废气门或执行器的标称位置等式（17）不能够被直接求解。每个废气门预控制信号都是利用等式（17）所描述的函数的近似值，而不管其在发动机控制装置中是被分析地描述或是利用多个输入参数的特性图近似。

迄今为止，标称控制压力作为废气预控制信号已经被存储在特性空间中，其基本输入是从涡轮上游的压力的期望的增压压力和通过废气门的质量流导出的标称值。对于物理描述而言是关键的执行器位置和在废气门板处的力的参数没有被模型化。

技术实现要素：

从该现有技术开始，本发明的目标在于提供用于确定用于机动车的废气涡轮增压器的废气门的执行器的控制信号的方法。

这个目标由具有权利要求1给出的特征的方法实现。这个方法的有利的改型方案在从属权利要求中给出。

对于本发明，一种废气门模型被使用，该废气门模型取决于当前的相应的应用情况而直接被使用或者被反转成作为用于控制涡轮增压器的算法而使用，如在下文中借助于附图4-11更详细地解释的。

附图说明

在附图中：

图4 示出作为两个节流点的串联连接的废气门的示意图；

图5 示出在节流位置处的流动系数根据压力关系变化的过程的简图；

图6 示出用于图示在节流位置处的流动系数和第二替代函数根据压力关系变化的过程的简图；

图7示出替代函数的变化过程的三维简图；

图8 示出替代函数的变化过程的三维简图；

图9 示出用于图示等式的图形解的三维简图；

图10 示出用于图示在废气门的环形面积上的全局静态压力关系根据涡轮前后的压力比和废气门面积比变化的过程的三维简图；以及

图11 示出用于图示质量流因子根据废气门面积关系和涡轮上游和下游的压力比率变化的过程的三维简图。

具体实施方式

接下来，废气门模型或前向模型是由废气门执行器的已知的位置确定的模型，其使用流过该废气门的废气质量流的压力和温度以及由于在废气门板处的压力差而作用在该废气门板上的力而，其中所述压力和温度被假定为已知的。

模型化的出发点在于将废气门描述为两个以串联连接的节流点的系统，在废气门的静止状态下，废气质量流流过该废气门。这在图4中被示出，图4示出了作为两个节流点的串联连接的废气门的示意图。

图4图示了废气门的恒定的孔面积以及取决于执行器位置的环形面积。对于该两个节流点而言废气门质量流的相同的，并且首先流过废气门的孔面积并且然后流过废气门的环形面积。废气歧管压力和废气歧管温度存在于废气门的上游。小于的废气压力和废气温度存在于废气门的下游。

在孔面积和环形面积之间的是下文中称为内部废气门温度的温度。因为在节流时气体的温度仅仅非常小地变化，所以在下文中假定废气歧管温度在存在于孔面积和环形面积之间。

在整个废气门上能够测量的从至的压降取决于执行器位置而分布在两个节流点之上。在孔面积和环形面积之间因此存在在下文中称为内部废气门压力的压力，对于该压力来说下述内容适用：

。

作为简化，假定的是这个内部废气门压力均匀地作用在面向涡轮壳体的废气门板3的整个侧面上（面积为）。另外，假定的是涡轮下游的压力均匀地作用在废气门板3的整个另外侧面上（面积为）。在图2中介绍的并且由于废气门处的压力差而作用在废气门板上的力因此能够被描述为：

。

通过节流器的气体质量流一般利用下述节流等式进行描述：

其中，为节流点上游的温度，为节流点上游的压力，为节流点下游的压力，为等熵指数，为比气体常数，为在恒定压力下的气体的比热容，以及为在恒定体积下的气体的比热容。

下述内容一般适用于节流点处的压力关系：

其中，是节流点下游的压力，以及是节流点上游的压力。

而且，下述内容是节流点处的流量系数的关系：

。

应用于恒定的孔面积，节流等式将废气门质量流描述为：

其中，下述关系适用于孔面积上游的压力和孔面积下游的压力之比：

。

应用于与废气门位置相关的环形面积，节流等式将废气门质量流描述为：

其中，为环形面积的下游和上游的压力比。

等式（22）和（23）描述了相同的废气门质量流，并且能够被视为等同物：

。

在两侧除以根式之后，从中得到了在废气门的面积和压力之间的关系：

。

使用等式（11）-（13），废气门面积比被定义为：

。

通过除以并且通过根据等式（22）和（26）进行替换，由等式（25）得到：

等式（27）的左侧仅是孔面积处的压力关系的函数。替换函数和被定义用于该项：

。

使用替换函数，等式（27）呈现出下述形式：

。

等式（29）的左侧仅是孔面积处的压力关系的函数。对于特定的执行器位置（即，对于作为参数的面积比的特定值）而言，等式（29）的右侧仅是环形面积处的压力关系。但是，这两侧能够被描述为两个压力关系的函数，该函数中的每一个在压力关系上是恒定的。

在图7和8中示出的两个表面的交线的坐标对于=1来说是等式（27）的解。类似地，在图7中示出的的表面与以任意的面积比>0定标的在图8中示出的的表面的交线的坐标对于这个任意的面积因子来说是等式（27）的解。

因此，如此被发现的、仅取决于面积比的交线的坐标描述了对于这个给出的执行器位置来说可能的在废气门的孔面积和环形面积处的压力关系的所有组合。

通过等式（22）和（23）的孔面积和环形面积处的压力关系的定义得到：

。

因此，对于涡轮上游的压力和涡轮下游的压力的确定的静态的组合而言，在废气门的孔面积和环形面积处的压力关系的所有可能的组合是恒定的，即，压力关系的所有可能的组合形成了经过坐标原点且在图9中绘出的平面中的直线，该直线相对于轴线倾斜角度。

因此，如此被发现并且仅仅取决于压力关系的直线的坐标描述了对于这个给出的涡轮压力关系来说可能的在废气门的孔面积和环形面积处的压力关系的所有可能组合。废气门下游的压力总是小于废气门上游的压力，即，，从中得出：

。

图9示出了面积比的等式（27）的图形解，即由K1形式（也见图8）示出的等式的左侧以及由K2形式（也见图7）示出的等式的右侧的交线S1。交线S1在平面上的投影（由虚线S2示出）是对于这个来说可能的在孔面积和环形面积处的压力关系的所有组合的数量。

因此，该直线总是准确地具有与交线在平面上的投影相交的一个点G=，即交点G=的坐标是由等式（27）和（30）形成的等式系统的唯一解。

并且通过消除而从其得到以作为唯一的变量的等式。

这个等式（33）因此对于和的任意的组合而言在数值上能够被解出。在将废气门成功建模简化为串联连接的两个节流点并且忽略废气质量流的波动的情况下，这个解对于所有静态操作点中的所有废气门涡轮增压器是全局有效的。

在废气门的环形面积上如此确定的静态压力关系作为恒定的特性图存储在发动机控制装置中。

图10示出了在废气门的环形面积上的全局静态压力关系。

概括的说，在发动机控制装置的运行期间，废气质量流能够由废气门通过下述内容来计算：恒定的废气门孔直径，恒定的废气门杆长度，恒定的等熵指数，废气的恒定的比气体常数R，废气门执行器的当前位置，涡轮上游的当前压力，涡轮下游的当前压力，以及涡轮上游的当前温度。

对于所有的操作点而言，废气门的孔面积通过等式（11）恒定地被计算

。

通过废气门执行器的当前位置，根据等式（12）和等式（13）得到当前的环形面积：

。

通过等式（26）得到废气门面积比

。

在废气门的环形面积上的静态压力关系从存储的特性图中被读取

。

根据等式（23），内部的废气门压力为：

。

根据等式（18），从其得到的作用在废气门板上的力为：

。

根据等式（23），当前的废气质量流最终是：

。

在发动机控制装置中的废气门前向模型的一个可能应用存在以用于涡轮增压器，该涡轮增压器配备有作为主执行器的可变涡轮几何结构（VTG），以及配备有作为辅助执行器的废气门。对于没有废气门的VTG涡轮增压器而言，发动机的全部废气质量流经过该涡轮。因此，在涡轮处可获得的废气质量流是已知的以用于计算VTG控制信号。对于具有额外的废气门的VTG涡轮增压器而言，可能的是根据等式（2）计算在涡轮处所选择的执行器位置可获得的发动机的废气质量流的部分：

。

VTG控制信号的其他计算然后能够如对于没有额外的废气门的VTG涡轮增压器一样地执行。

在下文中模型被称为反向废气门模型（后向模型），该模型使用来自通过废气门的标称废气质量流的压力和温度而确定实现废气门所要求的废气门执行器的标称位置以及作用在废气门板上的标称力，其中该压力和温度假定是已知的。

对于没有可变涡轮几何结构的典型的废气门涡轮增压器而言，根据等式（2）并且从通过发动机的当前废气质量流以及由驾驶员的请求所形成的通过涡轮的标称废气门质量流出发，通过废气门的标称废气质量流被计算：

。

用于环形面积的节流等式（23）对于标称值类似地有效：

。

内部废气门压力的标称值根据等式（23）被替代，标称环形面积根据等式（26）被替代：

。

变换得到下述内容：

。

等式（45）要被理解为其表示的是，对于在涡轮下游的已知压力和涡轮上游的已知温度下所要求的通过废气门的标称废气质量流而言，要发现产生这个质量流的废气门面积比以及废气门的环形面积处的压力关系。在等式（45）中定义的参数被称为标称质量流因子。

在废气门的环形面积上的静态压力关系被存储为在涡轮压力关系和废气门面积比上的特性图（见等式（37））。对于这个特性图的每个点，能够根据等式（45）和（21）将质量流因子计算为：

，

并且存储在同等大的特性图中。

这个质量流因子（其类似于在对所有废气门涡轮增压器进行全局简化的情况下的废气门的环形面积上的静态压力关系）在所有的静态操作点处都是有效的。

图11示出了质量流因子的特性图。

这个特性图是严格单调的，并且能够根据离线地反转成标称面积比特性图，并且存储在发动机控制装置中。在对所有废气门涡轮增压器全局进行简化的情况下，这个标称面积比特性图在所有的静态操作点中都是有效的。实现质量流因子的标称值的标称面积比能够从用于质量流因子的所述标称值的当前涡轮压力关系的这个特性图中选择。

然后能够通过反转的等式（26）确定标称执行器位置：

。

通过使用标称面积比的等式（37）至（39），对应于此的作用在废气门板上的标称力被确定。

总之，通过经过废气门的废气质量流，能够在发动机控制装置的运行期间通过下述内容确定为了实施所述标称废气质量流所要求的废气门的标称位置和作用在废气门板上的标称力：恒定的废气门孔直径，恒定的废气门杆长度，恒定的等熵指数，恒定的废气比气体常数R，涡轮上游的当前压力，涡轮下游的当前压力，涡轮上游的当前温度。

根据等式（45），通过标称的废气门废气质量流确定标称质量流因子：

。

根据等式（46），从存储在发动机控制装置中的标称废气门面积比特性图中读取标称废气门面积比：

。

通过等式（47）确定最终的标称执行器位置

。

根据等式（37），从存储的特性图中读取废气门的环形面积上的标称压力关系：

根据等式（38）和（39），从其得到的内部标称废气门压力和作用在废气门板上的标称力为：

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最后，根据用于在不测量执行器位置的情况下的具有气动废气门执行器的废气门涡轮增压器的等式（17），为了设定期望的增压压力所要求的标称执行器压力和来自其的废气门控制信号通过和的这个标称值组合而被计算:

。

替代地，计算链（48）至（53）还能够用于控制具有废气门执行器位置测量的废气门涡轮增压器。这里，之前仅基于标称执行器位置的废气门执行器位置控制能够通过考虑将作用在废气门板上的额外的标称力作为已知的干扰参数而变得更加稳定。

通过以上内容，废气门涡轮增压器的预控制被所提出的方法改进。与不是基于物理的预控制相比，可以在各种操作状态之间更好地进行区分。因此，可以计算相应的最佳控制，并且减少了通过增压压力控制器对预控制的校正的需要。总之，燃烧发动机的响应行为被改进。