用来求取用于废气驱动的增压装置的增压调节器的调节参量的方法和设备与流程

本发明涉及一种具有废气驱动的增压装置的燃烧马达和尤其是用于对具有能变化地调节的涡轮几何形状的增压装置的涡轮的增压调节器进行操控的方法。

背景技术：

增压的燃烧马达通常具有废气驱动的增压装置、例如涡轮增压器。增压装置用于在燃烧马达的空气供给中提供提高了的增压压力，以便引起燃烧马达的功率提高。增压装置通常具有布置在废气导出部中的涡轮，所述涡轮的效率能变化地来调节，即，由在废气导出部中提供的废气焓获得的机械功率的份额是可调节的。借助转化的功率来驱动增压装置的压缩器。为了能变化地调节增压装置的效率，所述增压装置可以具有能控制的可变化的涡轮几何形状、能控制的废气门-阀或类似物。

技术实现要素：

根据本发明，设置了一种按照权利要求1所述的、用于运行在具有燃烧马达的马达系统中的废气驱动的增压装置的方法和设备以及按照并列权利要求所述的设备和马达系统。

其他设计方案在从属权利要求中给出。

根据第一方面，是一种用于运行在具有燃烧马达的马达系统中的废气驱动的增压装置的方法，其中，所述增压装置具有涡轮和环绕该涡轮的旁通管路，所述涡轮具有用于对有效的涡轮几何形状进行能变化的调节的增压调节器，所述旁通管路具有能调节的旁通横截面积，所述方法具有以下步骤：

-提供所要求的额定涡轮功率；

-在当前的旁通横截面积的情况下，求取对应于所要求的额定涡轮功率的有效的额定涡轮横截面积；

-根据所求取的有效的额定涡轮横截面积来操控所述增压调节器。

用于运行在具有燃烧马达的马达系统中的废气驱动的增压装置的上述方法涉及马达系统的拓扑结构，在所述拓扑结构中增压装置的涡轮设置有用于对涡轮几何形状进行能变化的调节的增压调节器和带有能调节的旁通横截面积的旁通管路。在此，对增压调节器的调节应该要么直接通过关于对应于所要求的涡轮功率的有效的涡轮横截面积的数据（Angabe）要么通过基于作为参考变量的有效的涡轮横截面积的增压压力调节来实现。在至少部分打开的旁通管路中，利用传统的方法求取所要求的涡轮功率和相应的有效的涡轮横截面积之间的关系并非无意义的，由所述有效的涡轮横截面积得出用于增压装置的增压调节器的调节参量。

上述方法规定，就对于增压装置预先给定的功率要求—该功率要求从由马达控制机构预先给定的增压压力需求得出—来说，在至少部分打开的、具有已知的有效的旁通横截面积的旁通管路中确定有效的涡轮横截面积，对于所述有效的涡轮横截面积来说所述增压装置的涡轮产生所要求的涡轮功率。由有效的涡轮横截面积可以导出用于增压装置的增压调节器的相应的调节参量。

计算式地确定用于实现预先给定的涡轮功率或者增压功率的有效的涡轮横截面积与纯粹的增压压力调节相比具有下述优点：其可以较为快速地建立增压压力。传统的增压压力调节能够仅仅对额定增压压力和实际增压压力之间的偏差作出反应，而通过基于预先给定的涡轮功率计算式地确定有效的涡轮横截面积则可以直接对增压压力变化的干扰或者对旁通面积的变化作出反应。由此可以要么在纯受控制的运行中要么以预控制来运行增压装置的增压调节器，由此能够实现增压调节器对相应的、对涡轮功率所提出的要求作出快速反应。

此外，所要求的额定涡轮功率可以与运行状态有关地根据用于所述燃烧马达的负载要求预先给定，特别是根据所述增压装置的当前的运行状态、特别是所述增压装置的转数借助于所述增压装置的预先给定的物理学模型确定。

根据一种实施方式，能够以通过与所述有效的涡轮横截面积有关的调节参量控制的方式来操控所述增压调节器。

可以规定，以通过与有效的额定涡轮横截面积有关的额定调节参量控制的方式来操控所述增压调节器。

根据一种替选的实施方式，可以利用调节参量来操控增压调节器，该调节参量由所述有效的额定涡轮横截面积借助预先给定的增压压力调节得出。

此外，可以由当前的负载数据、特别是由实际增压压力来求取实际涡轮功率，其中，在当前的旁通横截面积的情况下求取对应于实际涡轮功率的有效的实际涡轮横截面积，其中，与所求取的有效的额定涡轮横截面积和所求取的有效的实际涡轮横截面积有关地来对增压调节器进行确定。

可以规定，在当前的旁通横截面积的情况下对与涡轮功率相对应的有效的涡轮横截面积所进行的求取包括对涡轮上的压力比而进行的求取。

根据一种实施方式，可以求取有效的涡轮横截面积关于所要求的涡轮功率的函数，方法是：对涡轮功率关于有效的涡轮横截面积的函数进行求逆（Invertierung），其中，对于求逆而言，借助于预先给定的相关性、特别是由综合特性曲线或者以数字的方式来确定所要求的涡轮功率的最大值。

此外，由有效的涡轮面积关于所要求的涡轮功率的函数可以求取对应于涡轮功率的有效的涡轮横截面积，其中所述函数具有最大值并且在所要求的涡轮功率低于最大的涡轮功率的情况下以下述方式选择两个可行的有效的涡轮面积之一，使得废气反作用力最小化。

根据另一方面，设置了一种用于运行在具有燃烧马达的马达系统中的废气驱动的增压装置的设备，该设备被构造用于实施上述方法。

根据另一方面，设置了具有燃烧马达、具有增压装置以及具有上述设备的马达系统，所述增压装置具有涡轮和环绕该涡轮的旁通管路，所述涡轮具有用于对涡轮几何形状进行能变化的调节的增压调节器，所述旁通管路具有能调节的旁通横截面积。

附图说明

接下来借助附图进一步描述实施方式。附图示出：

图1是具有增压装置的马达系统的示意图；

图2是具有涡轮和环绕该涡轮的旁通管路的增压装置的一部分的细节图，所述旁通管路具有可调节的旁通横截面积；

图3是用于求取根据增压压力调节用于增压调节器的调节参量的调节系统；

图4是用于解释用来运行图1的马达系统用的增压装置的方法的流程图；并且

图5a、5b是用于解释涡轮功率关于有效的涡轮－横截面积的函数的图表。

具体实施方式

在图1中示出了具有燃烧马达2的马达系统1。燃烧马达2构造为四冲程马达并且特别地可以是柴油马达或者汽油马达。该燃烧马达2具有（例如四个）汽缸3，通过空气供给部段4给该汽缸供给空气。在空气供给部段4中，可以布置节流阀5。燃烧废气从燃烧马达2经过废气导出部段6被导出。

为了进行功率改进，马达系统1设有废气驱动的增压装置7，所述增压装置在废气导出部段6中具有涡轮71并且在空气供给部段4中具有压缩器72。涡轮71例如通过轴73与压缩器72机械耦接。增压装置7的涡轮71具有增压调节器74，利用所述增压调节器可以调节增压的效率，即转化为机械能的现有的废气焓的份额。

增压调节器74可以构造为VTG-调节器（VTG：可变几何形状的涡轮）。在运行中，由涡轮71提供的机械功率由涡轮71的输入侧和输出侧之间的压力差和通过涡轮71的废气质量流来确定。在涡轮71的输入侧的压力被称为废气反作用力，并且在输出侧空气基本上低于环境压力或者接近环境压力，如果紧接着设有用于进行废气再处理的装置、例如催化器的话。在多级增压器的情况下，涡轮71的输出侧的压力也可以明显高于环境压力。根据增压调节器74的位置得出有效的涡轮横截面积，该有效的涡轮横截面积指示流动阻力或者通过涡轮71的废气质量流的允许通过情况。

环绕涡轮71设有一旁通管路75，在所述旁通管路中布置可以调节的旁通阀76。旁通阀76的位置决定有效的旁通横截面积，所述有效的旁通横截面积决定流动阻力或者通过旁通管路75的废气质量流的允许通过情况。

压缩器72从环境中、特别是通过（未示出的）空气过滤器或者附加地通过在多级增压的情况下前置的压缩机（Kompressor）来吸收空气，并且作为在压缩器72的输出侧的增压空气部段41中、特别是在压缩器72和节流阀5之间处于增压压力之下的增压空气被提供。

可以设置废气再循环机构8，该废气再循环机构将废气导出部段6和进气管部段42连接起来。在废气再循环机构8中可以设有废气再循环阀81。

借助控制单元10来控制燃烧马达2的运行，该控制单元基于负载要求V的预先规定并且基于状态参量、例如转数n等以合适的方式、特别是根据增压压力调节来操控节流阀5、废气再循环阀81、用于喷射预先确定量的燃料的喷射阀（未示出）和增压调节器74。

在涡轮71的输入侧上的确定的废气反作用力的情况下，在功率要求或负载要求提高时、即对转矩要求更高或者对转数要求更高，如此操控增压调节器74，使得在涡轮71中将所提供的废气焓的更大份额转化为机械功率。增压调节器74的相应位置原则上首先导致废气反作用力的升高，从而涡轮71上的压力差升高。上述情况在构造为能变化的涡轮几何形状的增压调节器74中通过涡轮叶片的倾斜或者调整实现。

图2示出了具有涡轮71和旁通管路75的增压装置7的一部分的细节图，在所述旁通管路中布置有旁通阀76。指出了其他的状态参量：流过增压装置7的总废气质量流、通过旁通管路75的旁通质量流、通过涡轮71的涡轮质量流、涡轮71之前的温度T_Us、涡轮71之后的温度T_Ds、涡轮71之前的压力p_Us、涡轮71之后的压力p_Ds以及有效的旁通横截面积A_Byp和有效的涡轮横截面积A_Trb，该有效的涡轮横截面积可以由增压调节器74通过对涡轮几何形状的调节来改变。

在图3中示例性地示出了具有基于模型的增压压力调节机构的调节系统80。增压压力调节机构包括调节单元81，向该调节单元供给准备单元83的实际涡轮横截面积A_Trbist和预控制单元86的额定涡轮横截面积A_Trbsoll之间的差。该差在求差器82中求取。调节单元81可以构造成传统的PID-调节器81并且输出调节参量S作为用于增压调节器74的占空比。准备单元83收到来自马达系统1的、例如增压压力传感器或者相应的计算模型的关于实际增压压力p_LDist的说明，该计算模型在控制单元10中被计算，并且由此以本身已知的方法在功率计算模块84中求取为了调节实际增压压力p_LDist所需的实际涡轮功率P_Trbist。由对应于实际增压压力p_LDist的涡轮功率P_Trbist在第一涡轮面积计算模块85中确定相应的有效的实际涡轮横截面积A_Trbist。

由当前的负载要求得出额定增压压力p_LDsoll。所述额定增压压力p_Ldsoll被提供给预控制单元86并且根据接下来描述的计算在轨迹模块87中确定额定涡轮功率P_Trbsoll。现在向第二涡轮面积计算模块88供给所述额定涡轮功率P_Trbsoll，该涡轮面积计算模块相应地按照接下来描述的方法来求取有效的额定涡轮横截面积A_Trbsoll。将关于额定涡轮横截面积A_Trbsoll的说明供给给调节单元81和求差器82。

预控制基于所设定的旁通横截面积A_Byp和所要求的涡轮功率P_Trb。旁通横截面积A_Byp以控制的方式、尤其是与运行点有关地预先给定。由对应于所要求的涡轮功率P_Trb的有效的涡轮横截面积A_Trb来得出用于增压调节器74的调节参量S。

在图4中示出了用于解释用来运行马达系统中的增压装置的方法的流程图。

在步骤S1中，由控制单元10在所要求的马达力矩作为负载要求V的基础上求取所要求的额定增压压力p_LDsoll并且求取为了对所要求的额定增压压力p_LDsoll进行调节所述增压装置7的涡轮71的相应的涡轮功率P_Trb。所述涡轮71的额定涡轮功率P_Trbsoll根据预先给定的函数、例如合适的综合特性曲线由所要求的额定增压压力p_LDsoll得出。

在步骤S2中由此根据接下来描述的计算方法确定有效的额定涡轮横截面积A_Trbsoll。有效的额定涡轮横截面积A_Trbsoll表示用于调节的预控制参量。

在步骤S3中，由控制单元10在实际增压压力p_LDist的基础上来求取增压装置7的涡轮71的相应的实际涡轮功率P_Trbist。该涡轮71的实际涡轮功率P_Trbist由实际增压压力p_LDist根据预先给定的函数、例如合适的综合特性曲线得出。

在步骤S4中由此根据接下来描述的计算方法确定有效的实际涡轮横截面积A_Trbist。

在步骤S5中，将实际涡轮横截面积A_Trbist和额定涡轮横截面积A_Trbsoll之间的差以及额定涡轮横截面积A_Trbsoll供给给调节单元81，该调节单元由此来求取用于增压调节器71的调节参量并且例如根据综合特性曲线分配。该方法周期性地进行，以便周期性地确定调节参量S，从而能够较为直接地对所要求的额定涡轮功率P_Trbsoll的改变或旁通横截面积A_Byp的改变作出响应。接下来，在相应的涡轮功率P_Trb预先给定时，介绍在旁通管路75至少部分打开的情况下用于计算有效的涡轮面积A_Trb的可行的方法。

上述方法使得利用调节参量S来操控增压调节器71成为可能，从而可以可靠地抑制在旁通横截面积A_Byp改变时的增压压力扰动和过冲。特别地，通过基于模型的预控制可以快速对旁通横截面积A_Byp的改变作出反应。

在第一和第二涡轮面积计算模块85、88中执行用于求取有效的涡轮面积的方法。该方法以以下方程为基础：

其中，

其中，用于涡轮71（方程1）和旁通管路75（方程2）的节流方程以及涡轮功率P_Trb（方程4）。该方程组根据有效的涡轮横截面积A_Trb解出。由于流量函数和在功率方程中的用于指数的幂的非线性使得方程组的直接求解变得不可能。因此，这里采用近似解法。

方程1至4首先通过代入变换为：

其中：

其中，，并且其中标准化的流量特性曲线为。如果在方程5中将涡轮面积视为独立的参数，则可以压力比表达为涡轮横截面积A_Trb的函数。

可以独立地考虑为计算该函数所提出的问题。最后，利用方程6和7可以将涡轮功率P_Trb表达为有效的涡轮横截面积A_Trb的函数

必须对该函数求逆，以便在预先给定涡轮功率的P_Trb的情况下可以确定为此所需要的涡轮面积A_Trb。在图5a和5b中针对外部参数的数据组例如在a）中关于涡轮面积A_Trb并且在b）中关于颠倒的涡轮面积1/A_Trb绘出了P_Trb（A_Trb）。对于求逆来说一个主要的问题在于，P_Trb（A_Trb）具有最大值。即，存在有效的涡轮横截面积A_Trb的两个可能的位置，利用这两个可能的位置获得相同的涡轮功率P_Trb。这导致下述结果：当涡轮横截面积以超出功率最大值的方式减小时，在参数要不然不改变的情况下（尤其是旁通横截面积A_Byp不改变）压力比进一步增加，这导致通过旁通管路75的旁通质量流增加或者通过涡轮71的涡轮质量流减少。根据方程4，压力比的增大导致涡轮功率P_Trb的增大，而涡轮质量流的减少则过度补偿P_Trb在超过最大值后的这种增大。

有意义的是，废气反作用力根据可能性减少，以便降低燃烧马达2中的损失。于是可以从两种可行方案中选择这样的解决方案，对于该解决方案而言，涡轮面积A_Trb具有较大的值。

对于数值的求逆而言需要识别出最大值的位置，因为对于求逆来说，单调性是前提条件。实际的转化通过作为零点问题的公式来进行，对于所述零点问题的解而言由文献已知了各种各样的算法。例如，二分法或者牛顿法或者考虑函数的曲率的方法，或者若干方法的结合。

确定涡轮横截面积A_Trb的最大值是一个独立的问题。显然，根据方程8的P_Trb（A_Trb）的最大值的位置仅仅取决于根据方程5和7的函数的走向以及的数值。该相关性必须以合适的方式保存在控制单元10中。

理论上，可以利用合适的方法在控制单元10中确定整体的最大值，然而这增加了计算耗费。对方程5的分析显示出最大值的位置除了外仅仅取决于另一个参量。于是可以将例如综合特性曲线中的最大值的位置根据和

作为数值

来保存。有效的涡轮横截面积A_Trb可以由该数值计算出，所述有效的涡轮横截面积在给定的外部参数的情况下导致功率最大化。如果由于其必要时较小的影响而应忽略的相关性，那么替代综合特性曲线仅仅与X_Byp相关的特性曲线就足够了。如此对特性曲线进行参数化，使得在的相关的数值范围内不能超出功率的最大值。

上述计算方法对于所要求的涡轮功率P_Trb来说在旁通管路75打开的情况下使得计算有效的涡轮面积A_Trb成为可能，对于有效的涡轮面积来说涡轮71带来了所需要的功率。

对于所要求的功率高于之前描述的、在当前的运行点处最大可能的涡轮功率的情况来说，所述方法基于之前描述的面积限定来计算这样的涡轮横截面积A_Trb，对于该涡轮横截面积而言涡轮71带来最大可能的功率。由此，涡轮横截面积A_Trb向下被限定并且可以由此没有未超出与运行点有关的最小面积。

然而也可以计算不受限的涡轮横截面积A_Trb，以便因此例如由模型化的涡轮横截面积来确定增压压力调节的调节偏差。这例如可以通过下述方式实现：在所要求的、超出最大涡轮功率的涡轮功率P_Trb的情况下，通过之前定义的综合特性曲线预先给定的、与运行点有关的最小的涡轮横截面积利用最大的涡轮功率和所要求的涡轮功率的比例来缩放（skalieren），因此也就是说，所计算的不受限的面积未超出最小的有效的涡轮面积。