专利名称：用于对内燃机的废气涡轮增压进行控制的装置以及内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按独立权利要求前序部分所述的用于对具有废气涡轮增压装置 的内燃机的废气涡轮增压进行控制的装置以及包括这种装置的内燃机。
背景技术：
用于废气涡轮增压装置的这种用于控制或者说调节增压压力的控制装置的必要 性一方面从对内燃机的排放、气门开关性能以及舒适性的变得越来越高的要求中获得并且 另一方面从用于内燃机的废气涡轮增压机的变得越来越复杂的配置中获得。这种装置包括 估算参数单元、根据额定增压压力和作为工作参数测量的或者从工作参数导出的实际增压 压力求得至少一个调节中间参数的调节单元以及用于为涡轮机系统的至少一个调节元件 产生至少一个调节信号的调节信号产生单元，所述估算参数单元构造在内燃机的物理模型 上，所述调节中间参数典型地是指调节废气背压或者取决于额定废气背压的参数。例如在公开文献WO 2006/106058A1中描述了这种用于控制废气涡轮增压的装 置。由于相应的内燃机的物理模型不仅介入估算参数单元中而且介入调节单元和调节信号 产生单元中，所以在此涉及基于模型的控制，所述模型需要模拟内燃机包括涡轮机系统和 压缩机系统的特性。鉴于开发了大量非常不同的发动机和废气涡轮增压机配置，从中产生 这样的问题，即为了开发和维护适合于这些不同配置的控制装置必定以相应不同的算法和 功能引起不利的高花费。
发明内容
因此，本发明的任务是开发一种相应的用于控制废气涡轮增压的装置，该装置能 够以很小的花费配合具有不同系统配置的废气涡轮增压装置并且由此适合于其控制。在 此，致力于在没有重新编程的情况下能够仅仅通过改变数据输入使装置配合其它系统配 置。此外，本发明的任务是提出一种内燃机，该内燃机包括相应花费少地布置的控制装置。该任务按本发明通过具有独立权利要求特征部分的特征结合独立权利要求前序 部分的特征的装置以及具有权利要求20所述特征的内燃机得到解决。本发明的有利的设 计方案和改进方案用从属权利要求的特征获得。相应的提出，所述估算参数单元包括用于确定涡轮机系统的估算的整体效率的涡 轮机系统模型以及用于确定具有至少两个压缩机的废气涡轮增压装置的布置在内燃机进 气侧的压缩机系统的估算的整体效率的压缩机系统模型，其中设置了调节单元用于在使用 涡轮机系统和压缩机系统的估算的整体效率的情况下求得调节废气背压或者至少一个另 外的调节中间参数，并且/或者调节信号产生单元包括逆转的用于包含优选至少两个涡轮 机的涡轮机系统的涡轮机系统模型，用于不仅根据至少一个调节中间参数而且根据至少一 个其它的工作参数或者在估算参数单元中求得的估算参数来产生至少一个调节信号，所述 调节中间参数典型地可以是调节废气背压。如果涡轮机系统模型确定了涡轮机系统的整体效率并且压缩机系统模型确定了压缩机系统的整体效率，其中由于压缩机系统包括至少两个压缩机，因此至少该压缩机系 统是复杂的，所以有利地可以如此设计估算参数单元、调节单元和调节信号产生单元之间 的接口，使得所述接口不与用于简单的具有仅仅单级的增压的废气涡轮增压机的相应控制 的相应接口进行区分，并且尤其不与由具有仅仅一个涡轮机的简单的涡轮机系统驱动的具 有仅仅一个压缩机的简单的压缩机系统进行区分。这通过以下方法实现，即设置调节单元 用于根据涡轮机系统和压缩机系统的估算的整体效率求得至少一个调节中间参数，也就是 优选调节废气背压或者取决于额定废气背压的参数。也就是所述接口独立于为具有涡轮机 系统和压缩机系统的废气涡轮增压装置选择的系统配置。此外，能够非常简单地通过以下 方法使装置配合其它系统配置，即压缩机系统模型、涡轮机系统模型和/或逆转的涡轮机 系统模型可以是相互独立的并且不会影响典型地通过相应程序技术的装置实现的装置的 整体结构。尤其在估算参数单元、调节单元和调节信号产生单元之间不需要用于涡轮机系 统或者压缩机系统的内部的工作参数的接口，所述内部的工作参数的定义取决于压缩机系 统或者涡轮机系统的内部的结构。在许多情况下，为了使装置配合废气涡轮增压装置的变 化的系统配属甚至不需要对压缩机系统模型、涡轮机系统模型和/或逆转的涡轮机系统模 型进行重新编程，而只需重新进行数据输入。由此也以非常小的花费实现了用于新的发动 机型号和/或废气涡轮增压型号的相应的控制装置。在本发明的在简单的可实现性方面有利的实施方式中，设置所述估算参数单元用 于根据内燃机的工作参数确定流过废气涡轮增压装置的布置在内燃机排气侧的涡轮机系 统的质量流量，其中设置调节信号产生单元用于根据估算的流过涡轮机系统的质量流量并 且优选额外地根据涡轮机系统下游的废气压力以及涡轮机系统上游的废气温度产生所述 至少一个调节信号。所述估算参数单元能够额外地设置用于确定估算的废气背压。当通过压缩机系统模型模拟的压缩机系统包括低压压缩机和在下游连接在低压 压缩机后面的高压压缩机时，获得适合于大多数常规的废气涡轮增压配置的控制装置，其 中设置压缩机系统模型用于根据内燃机的工作参数和低压压缩机和高压压缩机的通过组 合特征曲线模拟的效率确定压缩机系统的整体效率。在此，例如可以用以下公式或者从中 导出的参数来确定压缩机系统的整体效率Ilc= nCjLP ‘ 11C,HP · a/( 11C,HP · b+11C,LP · c+b · C)其中、代表压缩机系统的整体效率，nUP代表低压压缩机的效率并且ηαΗρ代 表高压压缩机的效率，并且其中a、b和c代表变量，所述变量仅仅取决于实际增压压力、在 压缩机系统的上游作为工作参数测量的吸入压力以及在进气侧在低压压缩机和高压压缩 机之间存在的中间压力。可以测量或者也可以以简单的方式计算所述中间压力。工作参数 这个概念在本文件中通常代表测量的参数或者从中导出的参数。然后，通过选择相应的已知类型的组合特征曲线可以使相应的装配适应于非常不 同的压缩机系统上各个压缩机的效率，其中也可以同样毫无问题地配合简单的只有一个压 缩机的废气涡轮增压机，方法是将高压压缩机或者低压压缩机的效率之一定义为ηαΗΡ= ι 或者说Παρ = 1，并且同时将中间压力视为等同于压缩机系统下游的实际增压压力或者说 压缩机系统上游的吸入压力。可以在调节单元具有与真正的调节器共同作用的用于根据内燃机工作参数、额定 增压压力和涡轮机系统以及压缩机系统的估算的整体效率确定预控制废气背压的预控制装置并且调节器相应地设置用于在使用由预控制装置确定的预控制废气背压的情况下求 得调节废气背压时，可以借助于用作控制参数的调节废气背压以很小的计算花费以及相应 较快地调节所述废气涡轮增压装置。由用于确定预控制废气背压的预控制装置使用的工作 参数或者从中导出的参数尤其可以包括压缩机系统上游的吸入压力、涡轮机系统下游的废 气压力、压缩机系统上游的吸气温度、涡轮机系统上游的废气温度、流过压缩机系统的质量 流量以及流过涡轮机系统的估算的质量流量。在本发明的简单的实施方式中，除了典型根 据油门踏板位置确定的额定增压压力和实际增压压力之外，所述调节单元不需要其它的输 入参数。由调节单元并且尤其由预控制装置使用的工作参数尤其不包括压缩机系统或者涡 轮机系统的的内部的工作参数，而是最多间接取决于这种内部的工作参数，其具有在估算 参数单元内部考虑的关联性。如此，涡轮机系统的整体效率例如取决于涡轮机系统的调节 元件位置，然而其中在涡轮机系统模型中考虑相应的关联性，并且没有对调节单元或者对 与调节单元的接口产生影响。可以提出，所述内燃机除了废气涡轮增压装置之外还装备有废气再循环装置。然 后可以借助于脱耦单元实现将废气涡轮增压装置的这里描述的调节回路与废气再循环装 置的调节回路有利地脱耦，该脱耦单元设置用于根据废气再循环装置的状态参数或控制参 数通过校正流过涡轮机系统的估算的质量流量来求得脱耦质量流量。通过以下方法能够以 简单的方式实现所述两个调节回路的脱耦，即逆转的涡轮机系统模型根据脱耦质量流量并 且就此而言仅仅间接地根据流过涡轮机系统的估算的质量流量产生所述至少一个调节信 号。由涡轮机系统模型和逆转的涡轮机系统模型模拟的涡轮机系统典型地包括至少 两个用于驱动所述压缩机系统的至少两个压缩机的涡轮机。如此，涡轮机系统尤其可以具 有用于驱动高压压缩机的高压涡轮机和在下游连接在高压涡轮机后面的用于驱动低压压 缩机的低压涡轮机。在此，基于模型通过所述装置触发的涡轮机系统不仅能够为了所述第一涡轮机而 且能够为了所述第二涡轮机分别具有至少一个通过调节信号产生单元触发的调节元件。由 此能够有利地准确地控制废气涡轮增压装置。于是，设置所述调节信号产生单元不仅能够 用于产生用于第一涡轮机的至少一个调节元件的至少一个调节信号，而且也能够用于产生 用于第二涡轮机的至少一个调节元件的至少一个调节信号，从而根据是超过还是低于控制 参数的阈值，要么仅仅改变配属于第一涡轮机的至少一个调节信号，而第二涡轮机的至少 一个调节元件占据恒定的极限位置，要么仅仅改变配属于第二涡轮机的至少一个调节信 号，而第一涡轮机的至少一个调节元件占据恒定的极限位置。为此，有利地在超过或者低于 阈值时，在两个不同的由逆转的涡轮机系统模型包括的组合特征曲线之间进行切换，所述 组合特征曲线分别用于为涡轮机求得至少一个调节信号，该涡轮机的至少一个调节元件刚 好用于调节增压压力。为了求得至少一个调节信号，所述逆转的涡轮机系统模型尤其能够包括至少一个 组合特征曲线，该组合特征曲线根据由调节废气压力和在涡轮机系统下游作为工作参数测 量或者计算的废气压力形成的压力商以及压力和温度标准化的质量流量确定相应的调节 信号或者所述调节信号的组合，其中所述压力和温度标准化的质量流量根据流过涡轮机系 统的估算的质量流量形成。在此使用压力和温度标准化的质量流量是有利的，因为其允许
7特别简单地示出组合特征曲线以及由此示出逆转的涡轮机系统模型。为了形成压力和温度 标准化的质量流量，能够最简单地使用反正确定的调节废气背压以及在排气侧涡轮机系统 上游作为工作参数测量或者计算的废气温度。此外，流过涡轮机系统的估算的质量流量或 者必要时由此形成的脱耦质量流量能够与排气侧涡轮机系统上游的废气温度的平方根相 乘并且除以调节废气背压，也许在额外与标准化系数相乘时。无论如何，如此形成所述至少 一个由逆转的涡轮机系统模型使用的组合特征曲线，使得其不取决于涡轮机系统的内部的 工作参数，也就是不取决于这种其定义取决于涡轮机系统的系统配置的工作参数。用于求得涡轮机系统的整体效率的涡轮机系统模型还可以用至少一个组合特征 曲线实现，该组合特征曲线允许根据已经提到的由调节废气背压和在涡轮机系统下游测量 或者计算的废气压力形成的压力商以及至少一个调节元件的当前位置来确定所述整体效 率。在涡轮机系统的至少一个调节元件的给出的位置中所述组合特征曲线也应该不取决于 涡轮机系统的内部的工作参数，这对于合适的建模来说也不是必须的，并且能够独立于系 统配置构造估算参数单元和调节单元以及调节信号产生单元之间的接口。涡轮机系统的每个涡轮机不仅能够装备有可变的涡轮机几何形状并且相应地具 有涡轮机几何形状调节元件，而且设有废气门阀作为唯一的或者给涡轮机几何形状调节元 件附加的调节元件。如果涡轮机之一或者每个涡轮机不仅装备有可变的涡轮机几何形状而 且装备有废气门，那么为了触发各个涡轮机的相应的调节元件也可以使用共同的单个参数 的调节信号，该调节信号不仅允许有意义地触发调节元件，而且允许简单地模拟涡轮机系 统。此外，能够如此构造所述调节信号产生单元，从而在极限位置开始首先在废气门关闭时 打开涡轮机的横截面，在所述极限位置中废气门关闭并且相应的涡轮机具有最小打开的横 截面，其中只有在完全打开涡轮机时才开始打开废气门，更确切地说在保持涡轮机的最大 流动横截面时才开始打开废气门。在本发明的优选实施方式中，必要时只有在连接在前面 的高压涡轮机已经完全打开并且/或者高压涡轮机的废气门阀打开时才通过逐渐打开涡 轮机横截面和/或废气门阀来触发低压涡轮机。作为替代方案或者补充方案，高压涡轮机 还可以具有旁通阀，该旁通阀允许跨接高压涡轮机并且由此在一定程度上允许将涡轮机系 统缩减成低压涡轮机。最后，也可以设置旁通阀，该旁通阀允许跨接由高压涡轮机驱动的高压压缩机并 且适宜地刚好在高压涡轮机和/或高压涡轮机的废气门阀和/或高压涡轮机的旁通阀完全 打开时打开。在每种所描述的情况下，不仅能够毫无问题地非常简单地模拟涡轮机系统，也 可以毫无问题地非常简单地模拟压缩机系统，其中必要时根据在相应另一个涡轮机的调节 元件位置恒定时触发所述涡轮机中的哪一个、也就是根据改变哪个涡轮机的调节元件位置 来动用不同的组合特征曲线。
下面根据图la、lb和2到6对本发明的实施例进行解释。其中图Ia是具有串行的废气涡轮增压的内燃机的示意图，其具有可能的调节元件的 父集，图Ib是具有替代构造的废气涡轮增压装置的内燃机的相应的视图，通过该废气涡轮增压装置实现了并行的废气涡轮增压，其具有可能的调节元件的父集，图2是用于控制图Ia中的内燃机的废气涡轮增压的装置的通过流程图给出的视 图，图3是在所述装置中使用的逆转的涡轮机系统模型的作为三维图表图解说明的 组合特征曲线，图4是用在所述装置的其它位置上的涡轮机系统模型的类似视图，图5是为废气涡轮增压装置形成组合的调节元件信号的图表视图，以及图6是图解说明内燃机的不同的工作参数范围的图表。
具体实施例方式在图Ia中描绘的内燃机除了这里用六个汽缸示出的发动机体1之外还具有带有 涡轮机系统2的排气侧以及进气侧，该进气侧除了增压空气冷却器3之外还包括压缩机系 统4。所述涡轮机系统2又包括两个涡轮机，也就是具有可变的涡轮机几何形状的高压 涡轮机5以及同样具有可变的涡轮机几何形状的并且在排气侧在下游连接在高压涡轮机5 后面的低压涡轮机6。分别通过箭头图解说明高压涡轮机5和低压涡轮机6的涡轮机几何 形状调节元件。作为其它配属于高压涡轮机5的调节元件，设置了废气门阀7，该废气门阀 与高压涡轮机5并联。可以额外地通过打开旁通阀8来完全跨接高压涡轮机5。最后，在排 气侧的与低压涡轮机6并行的路径中在涡轮机系统2的内部连接着另外的废气门阀9，该废 气门阀可以视作低压涡轮机的附加的调节元件。所述压缩机系统4具有由低压涡轮机6驱动的低压压缩机10以及在进气侧在下 游连接在低压压缩机10后面的高压压缩机11，该高压压缩机由高压涡轮机5驱动。另外的 旁通阀12与高压压缩机11并联，从而能够通过打开该旁通阀来跨接高压压缩机。所述涡轮机系统2与所述压缩机系统4 一起形成了用于对绘出的内燃机进行废气 涡轮增压的废气涡轮增压装置，该内燃机能够用图Ia本身没有示出的控制装置进行控制， 更确切地说通过触发涡轮机系统2的调节元件来控制，所述调节元件由两个涡轮机的涡轮 机几何形状调节元件和废气门阀7和9以及旁通阀8给出。作为配属于压缩机系统的其它 调节元件，相同的控制装置也触发旁通阀12。在图Ib中描绘了具有作为替代方案实现的废气涡轮增压的相应的内燃机，其中 在那里重复的特征再次设有相同的附图标记。该内燃机的废气涡轮增压装置又包括涡轮机 系统2’和压缩机系统4’，其中这里涡轮机系统2’具有第一涡轮机5’以及与前面的例子 不同地与之并联的第二涡轮机6’。在此，第一涡轮机5’驱动压缩机系统4’的第一压缩机 10’，并且第二涡轮机6’驱动在这里与第一压缩机10’并联的第二压缩机11’。作为调节元 件，这里图解说明了用于跨接第一涡轮机5’的废气门阀7’和用于截止第二涡轮机6’的截 止阀8，以及有针对性地与所述截止阀8，一起触发的用于第二压缩机11’的截止阀12’以 及附加地用于两个涡轮机5’和6’的可变的涡轮机几何形状的调节元件。如图Ia中的例 子，所述调节元件应该理解成不同可能的调节元件组合的父集，其中在不同的实施方式中 也只能实现子集。为了触发调节元件，又设置了在图Ib中没有绘出的控制装置。示意性地在图2中示出了用于图Ia中的内燃机的废气涡轮增压的控制装置，其中能够完全类似地实现用于图Ib中替代的废气涡轮增压的控制装置。在图2中通过方框图 解说明控制装置的不同的组件，所述方框不一定需要相互地分开，而是也可以仅仅在程序 技术上通过不同的子程序实现。所绘出的用于控制废气涡轮增压的装置尤其具有估算参数单元13，该估算参数单 元包括内燃机的物理模型并且此外用于根据内燃机的工作参数BG确定流过涡轮机系统2 的估算的质量流量MFT,mdl。在此，作为工作参数BG尤其使用流过压缩机系统4的吸入空气 的质量流量MF。以及燃料质量流量FF，这两者作为测量参数求得。此外，所述估算参数单元 13还包括用于确定涡轮机系统2的模拟的整体效率ητ的涡轮机系统模型以及用于确定压 缩机系统4的模拟的整体效率、的压缩机系统模型。此外，所述控制装置具有由预控制装置14和调节器15形成的调节单元，该调节单 元用于根据额定增压压力P2, sp以及作为工作参数测量的实际增压压力P2求得调节废气背 压p3,。tl。在此，在使用涡轮机系统2和压缩机系统4的由估算参数单元13求得的估算的整 体效率、和、的情况下求得所述调节废气背压P3,。tl。为此，将整体效率、和、以及 估算的质量流量MFT,mdl从估算参数单元13通过接口传递到其上的预控制装置14首先不仅 根据从估算参数单元13获得的参数而且根据额定增压压力p2,sp以及内燃机的其它典型地 直接测量的工作参数来确定预控制废气背Sp3, pre。然后，借助于相应编程的调节器15从 预控制废气背压P3, pre获得所述调节废气背压P3,。tl，方法是根据额定增压压力P2, sp和实际 增压压力P2之间的差求得修正值，然后将该修正值加到预控制废气背压P3,pre上。由预控 制装置14为了确定预控制废气背压p3,pre而使用的工作参数包括压缩机系统4上游的吸入 压力P1、涡轮机系统2下游的废气压力P4、压缩机系统4上游的吸气温度T1、涡轮机系统2 上游的废气温度T3以及流过压缩机系统4的吸入空气的质量流量MF。。为了测量所有或者 一些所述工作参数，在内燃机的进气侧和排气侧设置相应的传感器。有时候也可以例如在 估算参数单元13中计算所述工作参数中的一些工作参数，从而至少省下了直接的测量。相 反，预控制装置14和调节器15都不使用压缩机系统4或者涡轮机系统2的内部的工作参 数，从而在估算参数单元13和调节单元之间也不用为这种内部的工作参数设置接口。所述 预控制废气背压P3,pre能够通过预控制装置14尤其如下确定1__M tC 0P^h__[( IvY'^ λ在该等式中表示压力恒定时空气的比热容，cp, exh表示通过排气侧的废气在 压力恒定时的比热容，κ &表示空气的等熵指数并且Kexh表示废气的等熵指数。尤其在简 化地假定等熵指数和Krah恒定时，该等式能够非常简单地作为组合特征曲线表示。最后，在图2中示出的控制装置也具有调节信号产生单元16，该调节信号产生单 元包括逆转的涡轮机系统模型并且用于根据调节废气背压P3,。tl和流过涡轮机系统2的估 算的质量流量MFT, mdl来产生用于涡轮机系统2的已经提到的调节元件的调节信号SVTC, HP、 SffG,HP> SBYP, HP、SVTG, LP和Swe,『在此，SVTC,HP表示用于高压涡轮机5的涡轮机几何形状调节信 号，Swe,HP表示用于废气门阀7的调节信号，Sbyp,Hp表示用于旁通阀8的调节信号，根据该调 节信号与旁通阀8同时地也打开旁通阀12，Svtc, μ表示用于低压涡轮机6的涡轮机几何形 状调节信号并且Swe, LP表示用于废气门阀9的调节信号。
所绘出的控制装置形成了废气涡轮增压的调节回路的一部分，用该调节回路尤其 应该调节增压压力P2。现在，在图Ia中绘出的并且用控制装置控制的内燃机额外地装备有 在那里没有示出的废气再循环装置。为了将废气涡轮增压的调节回路与所述废气再循环装 置的调节回路脱耦，图2中的控制装置额外地具有脱耦单元17，该脱耦单元根据废气再循 环装置的状态参数或者控制参数MFect,&通过校正借助于估算参数单元13估算的质量流量 MFT,mdl来求得脱耦质量流量MFT,^，所述状态参数或者控制参数是用作控制参数的废气再循 环流。因此，由调节信号产生单元16包括的涡轮机系统模型在本实施例中由于其从脱耦单 元17获得从估算的质量流量中导出的脱耦质量流量MFT, dec而间接地根据估算的质量流量 MFT,mdl产生调节信号。在公开文献W02006/106058A1中详细描述了两个调节回路的类似的 脱耦。最后，借助于组合特征曲线求得调节信号Svtc,HP、Swe,HP、Sbyp,HP、Svtciu^P Swt^p的逆转的 涡轮机系统模型使用测量的工作参数，也就是尤其在排气侧在涡轮机系统2上游测量的或 者在估算参数单元13中计算的废气温度T3以及在排气侧在涡轮机系统2的下游测量或者 计算的废气压力P4。相反，由逆转的涡轮机系统模型使用的组合特征曲线不依赖于涡轮机 系统2的内部的工作参数。用在图2中最右边示出的调节元件控制装置18根据调节信号 SVTG, Hp> Swe, HP、SBYP, HP、SVTG, LP和Swe, w调节已经提到的调节元件，调节元件控制装置18从调节 信号产生单元16获得所述调节信号，其中调节元件为此具有相应的驱动装置或者执行器。此外，所述调节信号产生单元16能够用于产生极限值指示，该极限值指示在达到 极限值时通过调节信号产生单元16的输入或者输出参数发送给调节器15并且由此限制调 节过程，从而避免过调。由估算参数单元13包括的压缩机系统模型根据内燃机的工作参数BG以及低压压 缩机10和高压压缩机11的通过各个组合特征曲线模拟的效率Ilup和、,HP确定压缩机系 统4的整体效率η。。在此，对于旁通阀12打开的情况来说，压缩机系统2的整体效率Ilc 与低压压缩机10的效率m—致。否则，压缩机系统4的整体效率、在该实施例中通 过压缩机系统模型通过以下公式确定Ilc= nCjLP ‘ nc,HP * a/( nc,HP * b+ nc,LP * c+b ‘ c),其中变量a、b和c仅仅取决于实际增压压力P2、在压缩机系统4的上游作为工作 参数测量的吸入压力P1以及在低压压缩机10和高压压缩机11之间存在的中间压力Pinte， 并且如下确定Sl={p2/pJ'V^ -1b={pinter/pJ-VK--\C={p2/piM J-vk^-I在此，中间压力pintCT要么可以作为压缩机系统4的内部的工作参数进行测量，要 么也可以以简单的方式根据吸入压力P1和低压压缩机的效率m进行计算。在此，作为 物理参数，所述整体效率η。表示压缩机系统4的等熵的压缩功率与投入压缩机系统4的 压缩机的机械功率的总和的商。用所述组合特征曲线求得低压压缩机的效率该组合特征曲线也取决于反 正要测量的吸气温度T1，而用于高压压缩机的效率η。,ΗΡ的组合特征曲线取决于在进气侧 在低压压缩机10和高压压缩机11之间存在的温度，然而该温度不一定必须进行测量，因为 它可以以计算方式从低压压缩机10的吸气温度T1和效率、,⑶中获得。也许额外地需要
11投入低压压缩机10和高压压缩机11中的机械功率，所述机械功率能够毫无问题地从其它
工作参数中获得。逆转的涡轮机系统模型包括用于求得调节信号SVTC,HP、Swe,HP和SBYP,HP的组合特征曲 线以及用于求得调节信号Sraiu^n S^p的另一组合特征曲线。在此，配属于一个涡轮机的 调节信号SVTC,HP、Swe,HP和SBYP,HP或者说SvtcM和Swt^p分别组合成组合的调节信号S。。在图3 中图解说明了逆转的涡轮机系统模型的这种组合特征曲线。相应的组合的调节信号S。取决 于由PQt = P3,cti/P4定义的压力商PQt以及压力和温度标准化的质量流量MFT,te。[R · T3]172/ P3,。tl，该质量流量根据这种表达方式由脱耦质量流量MFT, dec并且由此根据估算的质量流量 MFT,mdl形成，其中R代表标准化常数。此外相应地对调节信号产生单元16进行编程。以类似的方式通过组合特征曲线实现由估算参数单元13包括的涡轮机系统模 型，所述组合特征曲线根据已经提到的压力商PQt以及当前组合的调节元件位置S。相应地 说明了整体效率nT。除了相应的调节元件位置s。，所述组合特征曲线又不依赖于涡轮机系 统2的内部的工作参数。所述组合特征曲线之一示例性地在图4中图解说明。在图5中图解示出了组合的调节元件位置S。之一如何取决于涡轮机几何形状调 节信号Svtc以及用于配属于同一涡轮机的废气门阀的调节信号Swe形成。在此，调节装备有 可变的涡轮机几何形状的涡轮机的调节元件的调节元件位置POSvtc根据涡轮机几何形状调 节信号Svtc进行调节，而相应的废气门阀的调节元件位置POSwe根据调节信号Swe进行调节。 现在如此有针对性地触发两个配属于所述涡轮机的调节元件，使得涡轮机几何形状仅仅在 废气门阀关闭时变化，而仅仅在相应于最大流动横截面地调节涡轮机几何形状时调节所述 废气门阀。如此能够根据两个调节元件位置POSvtc和POSwe确定用于所述涡轮机的单一参数 的组合的调节元件位置P0Sc，以图5中最上面示出的方式通过组合的调节信号Sc确定或者 说预先给出所述调节元件位置P0S。。组合的调节信号S。相应地与两个调节信号Svtc和Swe 一一对应。以所描述的方式不仅为高压涡轮机5而且为低压涡轮机6分别确定组合的调节 信号S。。最后，刚好在高压涡轮机5的组合的调节信号S。确定不仅完全打开高压涡轮机5 而且完全打开废气门阀7时打开所述旁通阀8。最后在图6中在图表中示出了四个不同的工作参数区域19、20、21和22，所述工作 参数区域的不同之处在于内燃机转速N和内燃机扭矩M的不同的值。在此，根据转速N和 实际增压压力P2获得扭矩Μ，该实际增压压力ρ2又通常以所描述的方式调节到额定增压压 力P2,SP，其中该增压压力P2, sp根据油门踏板位置来确定。在图6中间用阴影线示出了过度区域23，该过渡区域将工作参数区域19和20与 工作参数区域21和22分开。现在对废气涡轮增压的控制装置进行编程，从而在图6的图表 中在过渡区域23左侧的具有低转速N的工作状态下通过在废气门阀9完全关闭时并且低 压涡轮机6的流动横截面最小时调整高压涡轮机5的调节元件来控制增压压力p2，而在图 6的图表中在过渡区域23右侧的具有高转速N的工作状态下通过调整配属于低压涡轮机6 的调节元件来控制增压压力P2,而高压涡轮机5、废气门阀7以及旁通阀8完全打开。在此， 过渡区域23具有有限的宽度，由此确定滞后现象，该滞后现象避免了根据相邻的工作参数 区域19和22或者20和21的控制方法之间的不需要的跳跃。在相应于非常低的扭矩M的工作区域20和21中，不调节增压压力p2，而是仅仅通 过不受调节地触发调节元件来进行控制。相反，在位于其上的工作参数区域19和22中，用
12前面所描述的控制装置来真正地调节增压压力。 为了调节地控制废气涡轮增压以及由此控制增压压力P2，相应地如此构造调节信 号产生单元16，从而要么仅仅改变配属于高压涡轮机5的调节信号SVTC,HP、Swe,HP和SBYP,HP或 者说取决于所述调节信号根据图5定义的组合的调节信号S。，而低压涡轮机6的调节元件 占据了关闭程度尽可能大的极限位置，要么仅仅改变配属于低压涡轮机6的调节信号Svtc, LP和Swe,W或者说从中根据图5形成的组合的调节信号S。，而高压涡轮机的调节元件完全打 开。当如此改变内燃机的工作状态，使得过渡区域23在工作参数区域19和22之间穿过时， 相应地不仅在逆转的涡轮机系统模型的两个不同的组合特征曲线之间进行切换，而且在两 个为了确定整体效率1由估算参数单元13使用的组合特征曲线之间进行切换。在此，用 “切换”指从对组合特征曲线之一的访问到对相应另一个组合特征曲线的访问的转变。在 此，过渡区域23为每个扭矩M确定了两个用于转速N的以滞后差隔开的阈值，其中实现了 这样的切换。
权利要求
用于对具有废气涡轮增压装置的内燃机的废气涡轮增压进行控制的装置，包括 估算参数单元(13)，该估算参数单元包括内燃机的物理模型， 用于根据额定增压压力(p2，sp)以及作为工作参数测量的或者从工作参数中导出的实际增压压力(p2)求得调节废气背压(p3，ctl)或者至少一个其它调节中间参数的调节单元， 用于为涡轮机系统(2)的至少一个调节元件产生至少一个调节信号(SVTG，HP、SVTG，LP、SWG，HP、SBYP，HP、SWG，LP；SVTG、SWG、SC)的调节信号产生单元(16)，其特征在于， 所述估算参数单元(13)包括用于确定涡轮机系统(2)的估算的整体效率(ηT)的涡轮机系统模型以及用于确定具有至少两个压缩机的废气涡轮增压装置的布置在内燃机进气侧中的压缩机系统(4)的估算的整体效率(ηC)的压缩机系统模型，其中设置所述调节单元用于在使用所述涡轮机系统(2)和所述压缩机系统(4)的估算的整体效率(ηT、ηC)的情况下求得所述调节废气背压(p3，ctl)或者所述至少一个其它调节中间参数，并且/或者 所述调节信号产生单元包括逆转的涡轮机系统模型，用于根据所述调节废气背压(p3，ctl)或者所述至少一个其它调节中间参数并且根据至少一个其它工作参数或者在所述估算参数单元(13)中求得的估算参数来产生所述至少一个调节信号(SVTG，HP、SVTG，LP、SWG，HP、SBYP，HP、SWG，LP；SVTG、SWG、SC)。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，设置所述估算参数单元(13)用于根据所述 内燃机的工作参数(BG)确定流过所述废气涡轮增压装置的布置在所述内燃机的排气侧中 的涡轮机系统(2)的质量流量(MFT,mdl)，其中设置所述调节信号产生单元(16)用于根据估 算的流过所述涡轮机系统(2)的质量流量(MFT, mdl)并且优选额外地根据所述涡轮机系统 (2)下游的废气压力(P4)以及所述涡轮机系统(2)上游的废气温度(T3)产生所述至少一个调 Tlf曰 5 (SvTG，HP、SvTG，LP、^WG, ΗΡΛ ^BYP, ΗΡΛ Swg，Lp ； SVTC、SwgΛ Sc) ο
3.按权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，通过所述压缩机系统模型模拟 的压缩机系统(4)包括低压压缩机(10)和在下游连接在所述低压压缩机(10)后面的高压 压缩机(11)，其中设置所述压缩机系统模型用于根据所述内燃机的工作参数(BG)和所述 低压压缩机(10)和所述高压压缩机(11)的通过组合特征曲线模拟的效率(ηcm、nc,HP) 确定所述压缩机系统(4)的整体效率(ηc)。
4.按权利要求3所述的装置，其特征在于，设置所述压缩机系统模型用以下公式或者 从中导出的参数来确定所述压缩机系统(4)的整体效率(nc)nc = nc,LP * nc,Hp * a/( nc,Hp * b+ nc,Lp * c+b ‘ c),其中、代表所述压缩机系统(4)的整体效率，η cm代表所述低压压缩机(10)的效 率并且、，ΗΡ代表所述高压压缩机(11)的效率，并且其中a、b和c代表变量，所述变量仅 仅取决于实际增压压力(P2)、在所述压缩机系统(4)的上游作为工作参数(BG)测量的吸入 压力(P1)以及在进气侧在所述低压压缩机(10)和所述高压压缩机(11)之间存在的中间 压力。
5.按权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节单元具有调节器 (15)以及用于根据所述内燃机的工作参数、额定增压压力(p2,SP)以及所述涡轮机系统⑵ 和所述压缩机系统(4)的估算的整体效率(nT、nc)确定预控制废气背压(p3,的预控制 装置(14)，其中设置所述调节器(15)用于在使用所述预控制废气背压(p3,PJ的情况下求得所述调节废气背压(P3,。tl)。
6.按权利要求5所述的装置，其特征在于，由所述用于确定预控制废气背压(p3,PJ的 预控制装置(14)使用的工作参数或者从中导出的参数包括所述压缩机系统(4)上游的吸 入压力(P1)、所述涡轮机系统(2)下游的废气压力(P4)、所述压缩机系统(4)上游的吸气温 度(T1)、所述涡轮机系统(2)上游的废气温度(T3)、流过所述压缩机系统(4)的质量流量 (MFc)以及流过所述涡轮机系统(2)的估算的质量流量(MFT,mdl)，但是不包括所述压缩机系 统(4)或者所述涡轮机系统(2)的内部的工作参数。
7.按权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，为了将所述废气涡轮增压装置 的调节回路与所述内燃机的废气再循环装置的调节回路脱耦，所述装置具有脱耦单元(7)， 设置该脱耦单元用于根据所述废气再循环装置的状态参数或控制参数(MFEeK,。tl)通过校正 流过所述涡轮机系统(2)的估算的质量流量(MFT, mdl)来求得脱耦质量流量(MFT,dJ，其中 所述逆转的涡轮机系统模型根据所述脱耦质量流量(MFT, dJ产生所述至少一个调节信号(SvTG，HP、SvTG，LP、^WG, ΗΡΛ ^BY , ΗΡΛ ^G, LP Svtgλ Swg Λ Sc) ο
8.按权利要求1到7中任一项所述的装置，其特征在于，由所述涡轮机系统模型和所述 逆转的涡轮机系统模型模拟的涡轮机系统(2)包括至少两个用于驱动所述至少两个压缩 机的涡轮机。
9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，在涡轮机下面是高压涡轮机(5)以及在下游 连接在高压涡轮机(5)后面的低压涡轮机(6)。
10.按权利要求8或9中任一项所述的装置，其特征在于，所述涡轮机系统不仅为了所 提到的涡轮机中的第一涡轮机而且为了所提到的涡轮机中的第二涡轮机分别具有至少一 个通过所述调节信号产生单元(16)触发的调节元件。
11.按权利要求10所述的装置，其特征在于，设置所述调节信号产生单元(16)不仅用 于产生用于所述第一涡轮机的至少一个调节元件的至少一个调节信号(SVTC, HP、SffG, HP, Sbyp, ΗΡ)，而且也用于产生用于所述第二涡轮机的至少一个调节元件的至少一个调节信号(Svtc, LP> SffG, lp)，从而根据是超过还是低于控制参数的阈值，要么仅仅改变配属于所述第一涡轮机 的至少一个调节信号，而所述第二涡轮机的至少一个调节元件占据恒定的极限位置，要么 仅仅改变配属于所述第二涡轮机的至少一个调节信号，而所述第一涡轮机的至少一个调节 元件占据恒定的极限位置，其中在超过或者低于阈值时，在两个不同的由所述逆转的涡轮 机系统模型包括的组合特征曲线之间进行切换。
12.按权利要求1到11中任一项所述的装置，其特征在于，所述逆转的涡轮机系统模 型为了求得所述至少一个调节信号(SVTC,HP、SVTC, u>、Swe,HP、SBYP,HP、SffGjLP ；Svtg, Swg, Sc)包括至少 一个组合特征曲线，该组合特征曲线依赖于由调节废气背压(P3,。tl)和所述涡轮机系统(2) 下游的作为工作参数测量或者计算的废气压力(P4)形成的压力商(PQt)以及压力和温度标 准化的质量流量(MFT,de。[R Τ』1/2/ 。』，其中所述压力和温度标准化的质量流量根据流过 所述涡轮机系统⑵的估算的质量流量(MFT,mdl)形成。
13.按权利要求12所述的装置，其特征在于，所述逆转的涡轮机系统模型的至少一个 组合特征曲线读出组合的调节信号(Sc)，该调节信号能够配属于至少一个第一调节元件和 第二调节元件，从而在所述组合的调节信号(S。)单调变化时首先在所述第二调节元件的第 一位置恒定时单调地将所述第一调节元件从所述第一调节元件的第一位置变换到第二位置中，其中在达到所述第一调节元件的第二位置时将所述第二调节元件单调地从所述第二 调节元件的第一位置变换到第二位置中。
14.按权利要求12或13中任一项所述的装置，其特征在于，设置所述调节信号产生单 元(16)用于根据所述调节废气背压(p3,。tl)以及在排气侧在所述涡轮机系统⑵的上游作 为工作参数测量的废气温度(T3)形成压力和温度标准化的质量流量(MFT,de。[R*T3]1/2/p3,cti) 0
15.按权利要求11到14中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个由逆转的涡 轮机系统模型使用的组合特征曲线不取决于所述涡轮机系统(2)的内部的工作参数。
16.按权利要求1到15中任一项所述的装置，其特征在于，在所述估算参数单元(13) 中借助于组合的调节信号(S。)求得所述涡轮机系统(2)的整体效率(ητ)。
17.按权利要求1到16中任一项所述的装置，其特征在于，在所述估算参数单元(13) 中借助于组合的调节信号(S。)求得所述涡轮机系统(2)上游的废气背压(P3)。
18.按权利要求1到17中任一项所述的装置，其特征在于，所述涡轮机系统模型为了求 得所述涡轮机系统(2)的整体效率(nc)包括至少一个组合特征曲线，该组合特征曲线依 赖于由所述调节废气背压(P3,。tl)和所述涡轮机系统(2)下游的作为工作参数(BG)测量的 废气压力(P4)形成的压力商(PQt)以及所述至少一个调节元件的当前位置。
19.按权利要求18所述的装置，其特征在于，所述至少一个由涡轮机系统模型使用的 组合特征曲线在给出所述涡轮机系统(2)的至少一个调节元件的位置时不取决于所述涡 轮机系统(2)的内部的工作参数。
20.内燃机，包括具有布置在所述内燃机排气侧中的涡轮机系统(2)以及布置在所述 内燃机进气侧中的并且带有至少两个压缩机的压缩机系统(4)的废气涡轮增压装置，其特 征在于，所述内燃机包括按权利要求1到19中任一项所述的用于控制废气涡轮增压的装 置。
全文摘要
本发明涉及一种用于对具有废气涡轮增压装置的内燃机的废气涡轮增压进行控制的装置，包括用于确定流过废气涡轮增压装置的涡轮机系统(2)的质量流量(MFT，mdl)的估算参数单元(13)、用于根据额定增压压力(p2，sp)以及实际增压压力(p2)求得调节废气背压(p3，ctl)的调节单元以及用于根据调节废气背压(p3，ctl)和流过涡轮机系统(2)的质量流量(MFT，mdl)为涡轮机系统(2)的至少一个调节元件产生至少一个调节信号(SVTG，HP、SVTG，LP、SWG，HP、SBYP，HP、SWG，LP)的调节信号产生单元(16)，其中所述估算参数单元(13)包括用于确定涡轮机系统(2)的估算的整体效率(ηT)的涡轮机系统模型以及用于确定具有至少两个压缩机的废气涡轮增压装置的压缩机系统(4)的估算的整体效率(ηC)的压缩机系统模型，并且其中设置所述调节单元用于在使用估算的整体效率(ηT、ηC)的情况下求得调节废气背压(p3，ctl)。此外，本发明涉及一种具有相应的控制装置的内燃机。
文档编号F02B37/013GK101983283SQ200980111914
公开日2011年3月2日 申请日期2009年3月2日 优先权日2008年4月3日
发明者A·施瓦特 申请人:欧陆汽车有限责任公司