用于控制增压系统的方法
阅读说明：本技术 用于控制增压系统的方法 (Method for controlling a supercharging system ) 是由 M.许布纳 S.格鲍尔 于 2019-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于控制增压系统的方法,具体而言涉及用于控制用于内燃机的带有增压级的增压系统的方法,其中增压级包括压缩机和涡轮且涡轮可借助于VTG操控器调整,其中方法包括：探测运行状态理论参量；通过提高增压压力调整最大VTG调整标准用于实现转矩提高,其中调整最大VTG调整标准包括：获取理论增压压力；取决于理论增压压力获取VTG理论状态；获取实际废气背压；获取最大废气背压；在考虑在实际废气背压和最大废气背压之间的差下确定VTG调整标准,其中VTG调整标准如此限制VTG理论状态,使得相对于在不考虑VTG调整标准下实际增压压力对于理论增压压力的匹配,实现实际增压压力对于理论增压压力的加速匹配。(The invention relates to a method for controlling a supercharging system, in particular for controlling a supercharging system for an internal combustion engine having a supercharging stage, wherein the supercharging stage comprises a compressor and a turbine and the turbine is adjustable by means of a VTG controller, wherein the method comprises: detecting theoretical parameters of the running state; adjusting a maximum VTG adjustment criteria for achieving torque enhancement by increasing boost pressure, wherein adjusting the maximum VTG adjustment criteria comprises: acquiring theoretical supercharging pressure; acquiring a VTG theoretical state depending on the theoretical boost pressure; acquiring actual exhaust gas backpressure; obtaining the maximum exhaust gas back pressure; the VTG adjustment criterion is determined taking into account the difference between the actual exhaust-gas back pressure and the maximum exhaust-gas back pressure, wherein the VTG adjustment criterion limits the VTG setpoint state in such a way that an accelerated adaptation of the actual charging pressure to the setpoint charging pressure is achieved in relation to an adaptation of the actual charging pressure to the setpoint charging pressure without taking into account the VTG adjustment criterion.)
技术领域
本发明涉及一种用于控制用于内燃机的增压系统的方法和控制器。
背景技术
通常，已知用于尤其在机动车领域中的内燃机的增压系统，以便于提高在内燃机的气缸中的增压压力，从而更多且更高的压缩空气供提高的燃料量的燃烧使用且如此实现内燃机(VKM)的功率提升。
为了提高增压压力，例如已知涡轮增压器和压缩机。涡轮增压器包括压缩机且其可或者设有机械地与压缩机(例如电动机)耦联的专门的驱动器，或者其机械地与以VKM的废气驱动的涡轮耦联。
这样的涡轮增压器在此期间是在机动车领域中的最广泛地传播的解决方案，以便提高增压压力。现代的废气涡轮增压器为了改善的功率控制装备有旁路阀、也称为“废气门(Waste Gate)”，且/或装备有可变的涡轮几何形状，其具有可调整的固定的导引叶片，利用其有效的流动横截面可降低或扩展。在调整导引叶片的攻角的情形中，气体通量可变化。典型地，导引叶片的攻角如此调节或控制，以至于在小气体通量和高功率需求的情形中涡轮增压器的功率通过降低流动横截面提高且在高气体通量和低功率需求的情形中通过增大流动横截面降低。因此，最终可提高或降低增压压力，利用其空气为了燃烧移动到气缸中。该增压压力是用于内燃机的可调取的功率潜力的决定性的因素。
从文件DE 10 2008 005 121 A1已知一种方法，在其中可变的涡轮几何形状(VTG；可调整的导引叶片)如此调整，以至于涡轮提供预设的通量。
从文件EP 1 178 192 A2中也已知，VTG取决于内燃机(例如柴油发动机)的其它的运行参数来控制。这样的参数可为转速、油耗或冷却水温度或其它的参量。文件DE 10 2008063 935 A1涉及一种方法，在其中对于瞬时的运行状态(主动的负荷跳跃)而言，用于增压压力和废气背压的预测的值与相应的理论值相比较且计算从属的缓冲脉冲，其得出初始缓冲脉冲，从其中获取用于调整VTG的操控信号(预控制占空比)。
从文件DE 10 2014 210 026 A1也已知，增压系统取决于理论增压压力和获取的增压压力构造匹配来控制。用于借助于调整涡轮几何形状(在此：转动叶片)将实际增压压力匹配于理论增压压力的另一方法从文件DE 10 2008 005 121 A1中已知。因此应阻止效率偏差。
在已知的解决方案中然而可出现如下问题，即，开动性能不可最优地调整。在该已知的解决方案中，使用涡轮调整机构(废气门阀和/或VTG)的操控，而对于在废气侧上(在涡轮前和后)的获取部分而言仅使用理论状态参量。该参量然而也可对于有效的发动机力矩或可用的功率的形成而言由于增压变换损失为重要的。
发明内容
即使从现有技术中基本上已知用于调整增压系统的方法和控制系统，本发明的任务也是，提供用于控制这样的增压系统的改善的方法和用于控制这样的增压系统的相应的控制器供使用。该任务通过根据权利要求1所述的根据本发明的方法、根据权利要求13所述的控制器、根据权利要求14所述的内燃机和根据权利要求15所述的机动车来解决。
根据第一方面，本发明呈现一种用于控制用于内燃机的带有增压级的增压系统的方法，其中增压级包括压缩机和涡轮且涡轮可借助于压力操控、尤其VTG操控调整，且方法包括：
-探测运行状态理论参量(
- 通过提高增压压力(
- 获取理论增压压力(
- 取决于理论增压压力(
- 获取实际废气背压(
- 获取最大废气背压(
- 在考虑在实际废气背压(
- VTG调整标准()如此限制VTG理论状态(
根据第二方面，本发明提供一种用于针对内燃机的增压系统的控制器，其中控制器设立用于实施根据第一方面的方法。
根据第三方面，本发明提供一种带有具有增压级的增压系统的内燃机，其中增压级具有压缩机和驱动器，且带有根据第二方面的控制器。
根据第四方面，本发明提供一种带有根据第三方面的内燃机的机动车。
本发明的另外的有利的设计方案从从属权利要求和本发明的优选的实施例的随后的描述中得出。
如开头提及的那样已知增压系统，尤其带有具有可变的涡轮几何形状(VTG)和/或具有废气门(至少一个旁路阀)的废气涡轮增压器。废气涡轮增压器的导引叶片可典型地以不同的速度改变。这意味着，当提供的增压压力应强烈地提高时，流动速度快速提高，以便例如使功率或转矩要求的跳跃(明显的加速期望)符合于内燃机。
在此已示出，导引叶片的强烈的(快速的)拉紧典型地同样导致高废气背压且因此导致增压变换损失，这又反作用于内燃机的有效的力矩构造。该关系可通过以下方式解释，即，有效的发动机力矩对于在车轮处的驱动力(且因此机动车的加速)而言是决定性的。有效的发动机力矩相应于在内部的发动机力矩和损失力矩之间的差。损失力矩包括增压变换损失、副机组消耗和摩擦。
在此，增压变换损失近似成比例于在离开侧处的废气背压和在机组的进入侧处的增压压力之间的扫气落差(Spülgefälle，有时称为扫气压差)(压力差)。这基于考虑真实的内燃机的循环过程来获取。
为了提高有效的发动机力矩或车辆加速度，两个部分处于安排，其可经由VTG位置的调整来影响：
- 在新鲜空气侧(在将新鲜空气供应到气缸中的情形中)，可实现快速的或高的增压压力构造。因此，可在更早的时间点释放提高的燃料喷入量。这导致内部的力矩的更快速的或更高的构造(由于在气缸中的燃烧的转矩)。
- 在废气侧，可降低或影响增压变换损失，通过VTG位置的走向共同决定废气背压的走向(例如通过废气背压的更低的构造)。
令人惊讶地已示出，VTG的长的且更强的闭合(最小的横截面积的降低，也就是说降低的所谓的最小流)虽然促使废气背压的更强的或更快速的构造。在此，然而对于增压压力走向(在新鲜空气侧)和车辆加速度的影响是相对低的。这对此意味着，废气背压构造的能量仅可非常限制地实现(umsetzen，有时称为转化)为提高的增压机转速和因此提高的增压压力构造。这通过涡轮增压器的效率特征来决定。在本发明中追求的方式处于损失力矩的限制中，更确切地说通过废气背压的限制。因此，优化增压压力的构造且因此更快地提高有效力矩。
用于限制废气背压的废气涡轮增压器几何形状(VTG)的根据本发明的调整部分地降低在涡轮前的不可使用的焓。该效应在使用带有降低的最小质量流(最小流)的废气涡轮增压器的情形中是特别明显的。通过降低焓，同时更快速地实现增压压力构造。废气背压的限制有利于两个期望的效应：
- 更快速的增压压力构造和因此内部的发动机力矩的更快速的构造(通过更高的喷入量)和
- 通过限制废气背压的更低的增压变换损失。
因此，车辆的有效力矩和对于加速而言重要的车轮加速力矩相比于传统的操控功能性提高。
根据本发明这通过以下方式解决，首先探测运行状态理论参量，在此可例如为理论转矩或同样所谓的驾驶员期望(全负荷要求)，其通过操纵油门给出到车辆控制器处。通过调整可调整的涡轮几何形状的调整标准(VTG-调整标准)，实现增压压力的提高以用于实现提高期望的转矩。
概念控制、调整、操控、控制、调节结合本发明不仅包括在基本的意义中的控制器(不带有反馈)而且包括调节器(带有一个或多个调节回路)。
用于借助于该最大的VTG调整标准调整或调准废气背压的步骤尤其包括如下：
首先，(例如从综合特性曲线)获取理论增压压力，其适合于或优化用于力求的加速度、期望的(全)负荷状态或力求的转矩增长。取决于此，可获取VTG理论状态，在其调整中然而通过过高的废气背压可产生在涡轮前的不期望的焓堵塞。为了限制该理论状态因此设置成：
实际废气背压的获取(通过测量、模型化、计算等)和最大的废气背压的获取。为了确定VTG调整标准，考虑在实际废气背压和最大的废气背压之间的差。基于此，获取最大的VTG调整标准，其如此限制已经存在的VTG理论状态，使得相对于在不考虑最大的VTG调整标准的情况下实际增压压力匹配于理论增压压力，实现增压压力加速匹配于理论增压压力。因此，在涡轮前的不期望的上面描述的焓堵塞可通过废气背压的合适的调整来阻止。通过经由确定合适的最大的VTG调整标准限制废气背压，除了有效力矩优化也可实现废气背压的统一的限制，其用于降低关于其最小流值的废气涡轮增压器的构件偏差。废气背压的限制也用于在废气歧管后或中的构件的构件保护。
因为经由废气背压也影响在气缸中的扫气落差，如此也可调节在气缸中的剩余气体部分(Restgasanteil，有时称为剩余气体份额)。因此可适宜地影响在柴油发动机的情形中的排放。在汽油发动机的情形中，燃烧条件可通过在气缸中的剩余气体部分的限制来确保。尤其，然而如此可实现改善的、平稳的、但是尽管如此迅速的力矩构造。避免力矩猛地一动或力矩跳跃，其可通过累积的废气焓到涡轮叶轮上的突然的传递出现。
存在如下实施方案，在其中最大的废气背压的获取进一步包括如下：在考虑运行状态参量(例如发动机转速)和运行状态理论参量(例如发动机理论转矩)以及周围环境压力的情况下的第一最大废气背压的参数化、在考虑运行状态参量和理论增压压力和实际增压压力之间的差的情况下的第二最大废气背压的参数化。最大的废气背压然后作为第一最大废气背压和第二最大废气背压的最小值来确定。在参数化第二最大废气背压的情形中的特点在于，增压压力实际值添加至相应的参数化的值，其取决于理论增压压力和实际增压压力之间的差以及运行状态参量来获取。
在此存在如下方法，在其中实际增压压力和/或实际废气背压借助于传感器确定或备选地是模型化的值，其由相应的运行状态参量可模型化、可计算或在合适的综合特性曲线中存储。
在如下方法中，在其中第二最大废气背压的参数化在考虑扫气落差的情况下实现，可在调整最大废气背压的情形中同样遵循允许的扫气落差。
在此存在如下方法，在其中扫气落差借助于综合特性曲线确定。这允许扫气落差的特别简单的取决于运行状态的确定。
通过如下方法，在其中VTG调整标准的确定在考虑最大废气背压改变的情况下实现，可进一步改善调整质量、尤其调节质量。因此连带考虑待调整的废气背压的调整速度，从而可优化其匹配。
在如下方法中，在其中最大废气背压改变从运行状态参量、尤其转速和运行状态理论参量、尤其理论转矩或负荷状态的参数化中确定，且其然后相应于实际废气背压和最大废气背压之间的差来加权(gewichten，有时称为衡量)，可进一步精细化该方法。
另一精细化通过以下方式实现，为了确定最大废气背压改变考虑校准因子，其由实际废气背压和最大废气背压之间的差来参数化(例如经由综合特性曲线、模型化或计算方法)。
因此，尤其可经由比例调节器(P调节器)实现的调整可装备有所谓的增益调度(Gain-Scheduling)。因此能够实现如下参数化，在其中闭合的调节回路的与其相关的调准速度和增强取决于发动机理论转矩(运行状态理论参量)和转速(运行状态参量)来调整。利用相应的调节偏差(在最大允许的废气背压和实际废气背压之间的差)实现加权(Gewichtung，有时称为衡量)。该方法也称为“增益调度”。
VTG调整标准的可靠的获取在考虑如下关系的情况下实现
对于其适用
连同
因此，可实现输入-输出线性化，其允许，从废气背压的最大允许的时间上的改变借助于调节段(Regelstrecke，有时称为受控系统)的回引的状态参量(如例如在增压器前和后的温度
上面说明的计算关系的推导如下得出：
为了推导调整规则，根据[1] Schollmeyer, Beitrag zur modellbasierten Ladedruckregelung für Pkw-Dieselmotoren采用用于描述废气背压的节流方程(方程1)且根据[2] Isidori, Nonlinear Control Systems, 1995应用输入/输出线性化(E/A线性化)的方法。
废气背压
参量
如E/A线性化的示意图规定的，该方程对于ρ3而言此时如此长地在如下时间后求导，直到调整参量(VTG位置)进入仿射地(eingangsaffin)出现。
对此，附加地可变涡轮几何形状(VTG)的(位置调节的)调整器特性作为PT1特性根据方程2来模型化。
参量
对于废气背压
此时，来自方程2的
在此变得明显的是，寻找的调整参量在
从方程4中在存在部分求导的情形中此时所需的(在局部的(hiesig，有时称为本地的)情况中)最大的调整参量u对于(在此最大允许的)废气背压改变
如果在限制调节的本任务下解释该方程，则涉及的参量
在此，根据方程组7，在同时使用比例调节器(带有其增强
连同
最终，通过使用P调节器以用于形成最大允许的废气背压改变来闭合调节回路。其它的状态参量的时间上的求导可或者经由借助于微分商的近似计算和其过滤或使用DT1划分实现，或者借助于在每个时间步骤中在状态观察器的范畴中计算第一级别的状态微分方程。由在控制器中存在的状态参量供应的DT1划分的使用在局部的使用情况中证实为可应用的和足够的以用于状态参量的时间上的求导的近似。
随后，为了完整性的目的，呈现了部分的求导，其在每个时间步骤中由在控制器中存在的时间变量的状态参量计算。
稳态(Stationär，有时称为静态)p3方程的部分求导
废气背压的稳态状态方程
部分求导
是应选择正的根式项还是选择负的根式项，取决于项
根据
根据
根据
根据的部分求导
在如下方法中，在其中运行状态参量是发动机转速且运行状态参量是发动机理论力矩，期望的调整/调节可以以特别简单地可获取的或可求导的状态参量来执行。
在如下方法中，在其中废气背压的确定经由调节技术上实现的输入/输出线性化实现，其尤其考虑下面的参量(如例如在涡轮后的温度、在涡轮前的实际压力
由此，应用耗费相对于其它的解决方案可降低。此外，涡轮侧的节流部位的非线性化名义上被补偿，从而参数化可借助于简单的P调节器实现。利用该线性化部分或线性化方法补偿调节段的非线性化。
对于线性化，如上面呈现的，时间上的废气背压改变的状态方程被求导直到达到相对的级或调整参量，从而可形成模型反演，在其中VTG调整标准(最大允许的VTG位置)取决于废气背压的最大允许的改变来获取。结合线性的P调节器，其计算或评估在可参数化的最大的废气背压和废气背压的实际模型或测量值之间的调节偏差且如此给出废气背压的每时间步骤最大允许的时间上的改变，对于在P调节器的恒定的参数化的情形中的限制的情况得出第一级别的线性的延缓特性。
一些实施例涉及用于针对内燃机的增压系统的控制器，其中控制器设立用于实施上面描述的方法。控制器可具有处理器和储存器，在其中方法和相应的特性线、综合特性曲线、模型、计算程序或类似物被储存。控制器可例如构造为发动机控制器。
一些实施例涉及带有如上面描述的增压系统和控制器的内燃机。
一些实施例也涉及带有这样的内燃机的机动车。
附图说明
此时示例性地且参考附图描述本发明的实施例。其中：
图1示意性地示出了带有增压系统和控制器的机动车的一个实施例；
图2示出了流程图，其示出了废气涡轮几何形状的关于时间的速度走向、增压压力走向、背压走向和状态走向且指出了根据本发明的方法与传统的方法的区别；
图3示出了根据本发明的废气背压限制调节的示意图；
图4示出了相应于根据本发明的方法的用于获取最大允许的废气背压的示意图，且
图5示出了用于在考虑增益调度方式的情况下调节的示意图。
参考符号列表
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
9 废气门
10 控制器
11 调整机构VTG
12 传感器(
v 根据本发明的速度走向
根据本发明的增压压力走向
20 调节器
21 线性化部分
ZG 状态参量
22 限制部分
23 增压压力调节部分
24 调节段
25 最大最小块
在涡轮后的废气压力
周围环境温度
在涡轮后的废气温度
26 参数化块
27 调节偏差校准块
具体实施方式
在图1中表明了带有发动机2和由控制器10控制的增压系统3的机动车1的一个实施例，该控制器设计为发动机控制器。
本发明不限于确定的发动机类型。其可为内燃机，其设计为汽油发动机或柴油发动机。
发动机2包括一个或多个气缸4，由其中在此呈现一个。气缸4由增压系统3供给以增压的(燃烧)空气。
增压系统3具有带有可变的涡轮几何形状的增压级。增压级5与控制器10耦联。
增压级5具有压缩机6，其经由轴7利用带有可变的涡轮几何形状(VTG)的涡轮(废气涡轮)8运行，其中涡轮8供给以来自发动机2的废气且因此被驱动。附加地，可选地设置有废气门9。可选地，也可设置有多级增压的机组。
在运行中，带有周围环境压力和周围环境温度
图2相叠地示出了多个图表，在其中描绘了关于时间的确定的控制和状态参量。
在上面的图表中，描绘了关于时间的车辆速度
车辆速度和加速度取决于其下布置的增压压力走向
在其下的图表中，描绘了废气背压
在下面的图表中，调整涡轮增压器几何形状的状态r。实线表明在不考虑废气背压限制的情况下的可调整的涡轮几何形状的走向
根据本发明的方法进一步可根据图2、3至5解释。
在图3中呈现了调节回路，其在考虑最大废气背压
图3示意性地示出了最大允许的废气背压
图4示出了在图2中呈现的调节器20的功能元件，其设计为比例调节器(P调节器)。图4示出了所谓的“增益调度”功能块，其输出废气背压(
除了上面呈现的实施方案以外，如下方法也是可能的，在其中控制VTG调整标准或VTG位置的限制。在此，VTG位置可在达到参数化的废气背压的情形中或在确定的时间走完后根据负荷改变要求(例如全负荷要求)和VTG位置的限定的开启以可参数化的斜坡斜率取决于负荷和转速相对于VTG理论状态的常规的操控值来调整。
也可实现带有典型的结构的简化的调节。在此，可使用稳态的预控制和并行的线性调节器，其调整部分被添加。在此然而不考虑在模型反演中的动态的增强效应。预控制在此可作为模型反演或作为带有自由的参数化(例如转速和负荷)的综合特性曲线实现。
也可使用其它的数学上的方法用于根据VTG调整标准
对于本领域技术人员而言在权利要求的范畴中得出本发明的另外的实施方案和变型方案。
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