用于对阻止流动的组件上的压力降进行计算的方法

摘要

本发明涉及一种用于对尤其是用废气来驱动的增压装置的涡轮的、阻止流动的第一组件（4）和与该第一组件并联地布置的阻止流动的第二组件（5）上面的压力降（

说明书

技术领域

本发明一般涉及对具有阻止流动的组件的气体导送系统中的状态参量的计算，所述气体导送系统尤其是用于具有用废气来驱动的增压装置的内燃机。此外，本发明涉及对于用于内燃机的增压装置的增压器调节器进行的操控的领域。

背景技术

为了对增压的内燃机中、尤其是柴油机中的增压压力进行调节，要使用用废气来驱动的增压装置、例如涡轮增压器。增压装置的效率或者从废气焓中所获取的机械功率的、被用来驱动压缩机的份额能够借助于增压器调节器来调节。尤其用于对所述增压装置的效率进行可变的调节的、用废气来驱动的增压装置可以具有能够控制的可变的涡轮几何形状、能够控制的废气门-阀或者它们的组合。目前对于机动车来说使用不同的增压拓扑结构，所述增压拓扑结构例如设置了单级的增压、具有两个串联的涡轮增压器的双级的增压或者具有两个并联的涡轮增压器的双级的增压（分级增压）。

对于增压装置的可变的调节例如可以通过具有可变的几何形状的的涡轮（VTG-调节器、可变的涡轮几何形状）来实现。用VTG来表示所有类型的涡轮，其效率可以通过在运行中可变的壳体几何形状来改变。这例如可以通过可变的导向叶片来进行。

目前主要使用多级的增压系统，用于改善车辆的动态的行驶特性。例如，两个增压装置的串联允许使用具有较低的功率的增压装置和具有较高的功率的增压装置，其中具有较低的功率的增压装置由于较低的惯性矩而较快地得到加速并且由此能够较快地形成马达力矩。对于较高的马达转速来说，这个增压装置由于较高的质量流量而通过旁路来避开，以便仅仅用具有较高的功率的增压装置来形成所述增压压力。在此，目前对于VTG涡轮来说总是在所述涡轮由于所述较高的质量流量而不再能通过所述VTG来调节时才调节地打开涡轮旁路。

目前的调节策略掌握所有上面所描述的增压拓扑结构。一种新开发方案描述了一种具有VTG涡轮的单级的增压装置，所述VTG涡轮额外地具有旁通管路。所述旁通管路将所述增压装置与以往常见的单级的增压装置区分开来。这条旁通管路中的旁通阀门应该在未调节的情况下运行。换而言之，所述旁路应该仅在受控制的情况下来打开，而对于所述增压装置的调节则在每个时刻通过所述VTG涡轮来进行。

对于用废气驱动的增压装置来说并且在内燃机中的气体导送系统的其他部件中，可以在气体导送机构中并联地布置作为节流阀起作用的、阻止流动的组件。因为要经常调节所述气体导送系统的状态参量，所以有必要了解整个并联的布置结构上面的、从两个阻止流动的组件中产生的压力降。

发明内容

按照本发明，设置了按权利要求1所述的、用于确定尤其是用废气来驱动的增压装置的涡轮的两个并联地连接的阻止流动的组件上面的压力降的方法，其中所述涡轮具有可变的涡轮几何形状和一带有能够控制的横截面的旁通管路，并且设置了按并列权利要求所述的装置和调节系统。

其他的设计方案在从属权利要求中得到了说明。

按照第一方面，设置了一种用于对尤其是用废气来驱动的增压装置的涡轮的、阻止流动的第一组件和与该第一组件并联地布置的阻止流动的第二组件上面的压力降数据进行确定的方法，所述涡轮具有可变的涡轮几何形状和一带有能够控制的横截面的旁通管路，所述方法具有以下步骤：

-提供用于所述第一组件的第一流量函数的临界的第一压力降和用于所述第二组件的第二流量函数的临界的第二压力降；

-在所述第一和第二流量函数以及临界的第一和第二压力降的基础上预先给定压力降函数；

-通过运用近似法根据所述压力降函数来确定所述压力降。

尤其对于具有涡轮的用废气来驱动的增压装置来说—所述涡轮具有可变的涡轮几何形状以及使所述涡轮短路的旁通管路—新颖的用于对所述涡轮进行操控的调节策略是可行的。对于这样的布置结构来说，不是调节地运行所述旁通管路，而是可以仅仅控制所述旁通管路，而对于所述增压装置的调节则在每个时刻通过对于涡轮几何形状的调节来进行。尤其对于具有旁通管路的、用废气来驱动的增压装置的情况来说，为了调节所述用废气来驱动的增压装置的涡轮的涡轮几何形状有必要确定并联布置结构上面的压力降。在知道压力降的情况下，可以确定所述涡轮的功率，可以将所述涡轮的功率用于描述所述增压装置的动态的特性。从所述压力降中可以确定流过所述并联布置结构的支路的质量流量的分配并且由此确定所述涡轮功率以及所述涡轮的下游的废气温度。因此，在预先给定有效的涡轮面积和旁路面积的情况下可以计算增压器转速的轨迹。

尤其对于具有旁通管路的、用废气来驱动的增压装置来说，在打开旁通管路的情况下压力降仅仅取决于有效的涡轮面积，所述有效的涡轮面积则取决于所设定的涡轮几何形状。

根据上面所描述的方法来求得组件的并联布置结构上面的压力降或者压力比，这一点可以加以运用，如果要根据这些组件的有效的横截面积来计算所述压力降的话。

在使用对具有可变的涡轮几何形状而无旁通管路的、用废气来驱动的增压装置进行的传统调节的情况下，将所述涡轮旁路的效应忽略。在这种情况下，这样的方案虽然也可以静止地调节所期望的增压压力，但是在动态方面则会出现增压压力下冲和过冲，因为所述调节只会对由于旁路位置的变化而已经出现的增压压力偏差作出反应。在知道在所述并联布置结构上面存在的压力降的情况下，可以前瞻性地求得所述旁通管路的打开对压力降的影响，并且可以相应地确定对于所述涡轮几何形状的调节情况。尤其由此可以抑制由于所述旁通管路中的有效的孔口横截面的变化而引起的增压压力扰动，因为基于模型的预控制已经可以对所述旁通管路中的有效的孔口横截面的变化作出反应。

尤其可以预先给定其他的状态参量，尤其是质量流量、所述组件的上游的温度、所述组件的下游的压力、有效的第一流动横截面和/或有效的第二流动横截面，其中通过运用近似法根据所述其他的状态参量来确定所述压力降。

此外，所述近似法可以相当于内插法，所述内插法使用预先给定的内插函数。

尤其可以为所述压力降函数的解给出上极限值和下极限值，方法是：使标准化的第一流量函数等于标准化的第二流量函数并且使标准化的第二流量函数等于标准化的第一流量函数，其中在所述上极限值与所述下极限值之间实施所述内插法。

可以规定，将所述内插函数选择为相对于项单调的函数，其中相当于流经并联地布置的组件的总质量流量，T_Us相当于入口侧的温度，p_Ds相当于出口侧的输出压力，R相当于特定的气体常数，A₁相当于流经所述第一组件的有效的第一流动横截面并且A₂相当于流经所述第二组件的有效的第二流动横截面。

此外，所述内插函数可以相当于

或者例如作为替代方案可以相当于

其中，对于有待内插的数值的加权取决于函数变量x和y并且w相当于所述内插函数的宽度（Breite）的预先给定的恒定的缩放，tanh是双曲正切，erf相当于误差函数。

按照一种实施方式，当尤其仅当所述组件上面的输出压力相对于所述输入压力的比例作为实际上的压力降的数据大于临界的第一和第二压力降时才能运用所述近似法。

此外，可以借助于迭代的解法来求得所述压力降，方法是：将所述内插法的结果用作用于按照的固定点迭代的起始值并且根据斜率将其内插在与之间。

此外，如果所述压力降处于临界的第一与第二压力降之间，为了求得所述压力降可以使用尤其是以下形式

的近似函数，其中相当于关于作为所述输出压力相对于输入压力的比例的压力降的数据（Angabe），并且相当于所述第一组件的、具有流量函数的较小的临界值的临界的第一压力比。

按照另一方面，设置了一种用于实施上述方法之一的装置。特别地，所述装置被构造用于：

-提供用于所述第一组件的第一流量函数的临界的第一压力降以及用于所述第二组件的第二流量函数的临界的第二压力降；

-在所述标准化的第一及第二流量函数以及临界的第一及第二压力降的基础上预先给定所述压力降函数；

-通过运用近似法根据所述压力降函数来确定所述压力降。

附图说明

下面借助于附图对实施方式进行详细解释。附图示出：

图1是气体导送机构中两个作为节流阀起作用的组件的并联布置结构的示意图；

图2是用于对用来求取图1的并联布置结构上面的压力比的方法进行说明的流程图；并且

图3是用于对用来确定图1的并联布置结构上面的压力比的近似法进行说明的图表。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了由管路构成的并联布置结构1，所述管路用于利用第一分支管路2和第二分支管路3来导送气态的介质。所述两条分支管路2、3彼此并联并且分别具有一个组件，也就是处于所述第一分支管路2中的阻止流动的第一组件4和处于所述第二分支管路3中的阻止流动的第二组件5。所述阻止流动的组件4、5例如可以包括简单的调节阀、可变的能够控制的调节阀或者具有能够可变地调节的涡轮几何形状的涡轮。

以质量流量、以温度T_Us以及输入压力p_Us向所述并联布置结构输送气态的介质，并且以相同的质量流量、输出温度T_Ds和输出压力p_Ds将所述气态的介质从所述并联布置结构中导出。从中在所述分支管路2、3中产生的质量流量相当于第一质量流量和第二质量流量。

尤其在一种应用情况中—在该应用情况中VTG涡轮的第一组件4相当于用废气来驱动的增压装置—可以从所述压力降中确定在“流经具有有效的第一流动横截面A₁的第一组件4或者流经具有有效的第二流动横截面A₂的第二组件5的第一和第二部分质量流量、”方面的划分情况，并且从所述第一部分质量流量中确定所输出的涡轮功率P_Trb和所述涡轮之后的废气温度T_Ds。所述压力降在此被规定为压力比，从而在输出压力与输入压力之间的压差较高时所述压力降的数值比在所述压差较小时小。

下面结合图2的流程图对用于确定压力比的方法进行描述。

首先以如下的质量流量方程式为出发点：

其中、相当于所述第一和第二部分管路2、3的预先给定的流量函数，所述流量函数是不同的。

在降低所述并联布置结构上的压力的情况下，在气体流经阻止流动的组件时自临界的压力比起，可能会出现超声流。在该点上，流量特性曲线典型地变得恒定并且具有数值。这两个临界的数值取决于贯穿流过的气体的比热量c_P和特定的气体常数R。

通过所述方程的变换得出：

其中使用标准化的流量函数，并且其中，其中、是在所述临界的第一或者第二压力比、的情况下流经所述第一或者第二组件的流量的数值。因此，对于这种情况，适用。

对于在贯穿流过所述用废气来驱动的增压装置的涡轮时的压力损失来说，可以假设质量流量与压力比之间的函数上的关联与在流经其他种类的节流阀时的情况相同，其中适当地对所述临界的数值和进行校准。一般来说，在步骤S1中为所述第一和第二组件4、5预先给定临界的数值、和、。

此外，在步骤S2中提供所述状态参量、尤其是质量流量、组件4、5的上游的温度T_Us、组件4、5的下游的压力p_Ds、有效的第一流动横截面A₁和有效的第二流动横截面A₂。

对于具有设有可变的涡轮几何形状（具有流量函数的临界的数值）和旁通管路的涡轮的、用废气来运行的增压装置来说，在所述旁通管路中有能够调节的旁通阀（具有流量函数的临界的数值），对于涡轮（第一组件）的临界的压力比和旁通阀（第二组件）的临界的压力比来说，得出：

在下述假设：

下，可以在步骤S3中将情况区分为三种情况：

情况1：

情况2：

情况3：

可以以如下方式实施所述情况区分：

一旦大于所述两个临界的压力比、之一，所述函数就严格地单调递减。这一点源自所述两条流量特性曲线的单调特性，所述两条流量特性曲线在亚临界的范围内（也就是）同样严格地单调递减。在范围和内，所述两个恒定地是1，因而也是恒定的。

从固定点迭代中得出：只要起始值在物理上有意义（也就是说），那么所有对包括的贡献都是取实数值的（reelwertig）。也就是说，要么大于要么小于要么等于。

对于所述固定点方程式的所假设的解来说，可以根据所述函数的单调递减的走向得出以下结论：对于任意的具有的物理的起始值来说，，并且对于具有的情况来说， 。

由此，现在可以实施情况区分，方法是：作为使用所述临界的第一压力比和所述临界的第二压力比并且由此可以识别出在所述情况区分中不同的、用于的范围。所述迭代步骤的数值因此确定，处于上述范围中的哪个范围内。

在第一种情况中，所述两条流量特性曲线不取决于。由此在步骤S4中可以容易地计算，因为和都变为1。在此适用：

这一点同样适用于第二种情况，只要在步骤S5中假设所述流量特性曲线，在该流量特性曲线的非临界的范围内近似地为椭圆的形状：

用于所述流量特性曲线的椭圆形的近似法是常见的近似法。由此上述公式可以在步骤S6中以简单的方式作为二次方程式来解。

对于第三种情况来说不存在代数上的解，并且因此要选择近似的方案。因为上述函数能够求微分并且严格地单调递减，所以不仅可以运用迭代的解法而且可以运用内插的解法。但是，所述内插的解法具有以下优点：它引起的计算开销较少。

通过上述方程式可以为所述解给出一个上极限和一个下极限，方法是：在步骤S7中用来取代并且在接下来的步骤S8中用来取代，由此在这两种情况中通过由括弧内提出来得到方程式：

由此可以在步骤S9中为上述方程式给出两个近似解，在这两个近似解中相应地一个解在精确解之上并且一个解在所述精确解之下。这一点在图3中示出，其中曲线K1相当于

并且曲线K2相当于：

。

固定点方程式（Fixpunktgleichung）

的解相当于所述曲线K1与标准直线的第一交点SP1并且固定点方程式

的解相当于所述曲线K2与标准直线的第二交点SP2。所述解现在也可以通过在所述交点SP1与SP2之间的内插来得到。

现在，在步骤S10中使用合适的内插法的情况下可以在所述两个极限之间进行内插。在此，所述内插应该在始终能够求微分的情况下取决于所述两个、的前因数、并且应该如此加以选择，从而在所述两个前因数X₁、X₂之一比另一个前因数小很多的极限情况中，使所述插值一直接近于精确解。此外，所述内插函数应该严格单调地取决于所述两个前因数X₁、X₂的差。从这些要求中得出：所述内插函数在所述两个前因数X₁和X₂的间距相对大的极限情况中具有数值0或者数值1，如果所述插值通过以下表达式

来表述的话（相当于内插的解）。因此，必须在步骤S11中选择相应的函数。这些要求例如通过下述类型的内插函数来满足：

。

所述函数变量x和y确定，所述极限值和以何种权重进入到所述内插中。在此，w相当于所述内插函数的宽度的缩放并且可以适当地加以选择。这种近似法的精度可以用数字来检查，方法是：将内插的解与精确解进行比较，所述精确解例如可以用迭代的方法在使用足够大的数目的迭代步骤的情况下任意精确地加以确定。

此外可以规定，将所述内插的结果用作用于合适的迭代的方法的起始值，以便改进所述解的精度。作为替代方案，上述方程式的固定点特性可以在与所述函数的斜率的组合中加以使用（相当于所述函数的导数）。通过来定义固定点迭代。因为在非临界的范围内总是得到满足，所以通过

和

又以为上述方程的解给出上极限和下极限。用所述斜率来得到上述方程式的解相对于与之间的的相对位置的范围（Maß）。越大，就越接近于。越接近于零，就越接近于。如果具有数值-1，则就大致在中心。

因此，用合适的内插法又可以在所述数值与之间进行内插。适当地意味着在这种情况下用内插函数的有偏差的参数化满足上述要求：

。