DE10215361B4

DE10215361B4 - Method for modeling a mass flow through a bypass to an exhaust gas turbocharger

Info

Publication number: DE10215361B4
Application number: DE2002115361
Authority: DE
Inventors: Markus Teiner
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: DE10215361A1

Abstract

Verfahren zur Berechnung eines Massenstroms (10) durch ein Stellelement in einer Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem der Massenstrom in der Umgehungsleitung des Stellelements von einer reduzierten Querschnittsfläche abhängt, die durch die Position des Stellelements bestimmt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
– aus dem Quotienten (18) Druck vor und hinter dem Stellelement (12, 14) wird ein erster Faktor (12) bestimmt derart, daß der erste Faktor (28) für überkritische Druckverhältnisse, bei denen ein Wert für den Quotienten aus Druck nach Stellelement durch Druck vor Stellelement kleiner als ein kritisches Druckverhältnis von etwa 0,53 ist, auf einen konstanten Wert von ungefähr 0,2588 gesetzt wird,
– aus der Temperatur (30) vor dem Stellelement wird ein zweiter Faktor (34) bestimmt,
– aus der Position des Stellelements (24) wird die reduzierte Durchtrittfläche (28) für den Durchfluß berechnet und
– das Produkt aus Druck (12) vor dem Stellelement, den...Method for calculating a mass flow (10) by an actuator in a bypass line to an exhaust gas turbocharger in the exhaust tract of an internal combustion engine, wherein the mass flow in the bypass line of the actuating element depends on a reduced cross-sectional area, which is determined by the position of the actuating element, with the following method steps:
- From the quotient (18) pressure in front of and behind the actuator (12, 14), a first factor (12) is determined such that the first factor (28) for supercritical pressure conditions in which a value for the quotient of pressure after actuator by pressure before actuator is less than a critical pressure ratio of about 0.53, set to a constant value of about 0.2588,
A second factor (34) is determined from the temperature (30) in front of the control element,
- From the position of the adjusting element (24), the reduced passage area (28) is calculated for the flow and
- the product of pressure (12) in front of the actuator, the ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines Massenstroms durch ein Stellelement in einer Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Das Verfahren betrifft insbesondere eine Modellierung des Wastegate eines Abgasturboladers.The The invention relates to a method for calculating a mass flow by an actuating element in a bypass line to an exhaust gas turbocharger in the exhaust system of an internal combustion engine. The method particularly concerns a modeling of the wastegate of an exhaust gas turbocharger.

Für die Ladedruckregelung bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader (ATL) sowie für die Modellierung des Abgasdrucks und für die Diagnose durch eine Motorsteuerung (ECU) ist ein Modell des Wastegates (WG) erforderlich. Das Wastegate ist eine Umgehungsleitung, auch als Bypass bezeichnet, im Abgastrakt des Motors. Über das Wastegate werden Abgase an der Turbine des Abgasturboladers vorbeigeleitet, um dessen Antriebsleistung zu reduzieren. Der Bypass ist mit einem Stellelement versehen, mit dem der Massenstrom durch das Wastegate steuerbar ist. Ein Wastegate mit Stellelement ist beispielsweise aus DE 198 12 843 A1 bekannt.For charge pressure control in internal combustion engines with turbocharger (ATL) as well as for the modeling of the exhaust pressure and for the diagnosis by an engine control unit (ECU) a model of the wastegate (WG) is required. The wastegate is a bypass, also referred to as a bypass, in the exhaust tract of the engine. Exhaust gases are conducted past the turbine of the exhaust gas turbocharger via the wastegate in order to reduce its drive power. The bypass is provided with an actuating element with which the mass flow through the wastegate can be controlled. A wastegate with actuator is for example off DE 198 12 843 A1 known.

Bisher sind keine Modelle zur Beschreibung der Strömungs- und Massenstromverhältnisse an einem Wastegate bekannt.So far are not models for describing the flow and mass flow conditions known on a wastegate.

Aus dem Lehrbuch "Technische Strömungslehre", Willi Bohl, 4., erweiterte Auflage, Vogel-Verlag Würzburg wird der Zusammenhang eines aus einer Behälteröffnung austretenden Massenstroms zwischen Druck und Dichte erläutert. Hierbei handelt es sich um ein eindimensionales Modell, das isentrope, verlustfreie Zustandsänderungen im Strömungsquerschnitt bei ei ner quasi stationär durchströmten Behälteröffnung voraussetzt.Out the textbook "Technical Fluid Mechanics ", Willi Bohl, 4th, extended edition, Vogel-Verlag Würzburg becomes the context one emerging from a container opening Mass flow between pressure and density explained. This is it a one-dimensional model, the isentropic, lossless state changes in the flow cross-section at a quasi stationary perfused Container opening requires.

Das Lehrbuch "Turbocharging the Internal Combustion Engine", 1982, The Macmillan Press Ltd., Hong Kong beschreibt ein eindimensionales Modell für den Fluß durch eine Öffnung unter Verwendung der reduzierten Querschnittsfläche. Demnach ist der Massenstrom abhängig von den Druckverhältnissen vor und in der Drosselstelle sowie der Temperatur, der Austrittsfläche und einem Ausstoß-Koeffizienten. Das Lehrbuch wendet diesen Zusammenhang auf das Auslaßventil des Zylinders einer Brennkraftmaschine an.The Textbook "Turbocharging the Internal Combustion Engine ", 1982, The Macmillan Press Ltd., Hong Kong describes a one-dimensional Model for through the river an opening using the reduced cross-sectional area. Accordingly, the mass flow dependent from the pressure ratios before and in the throttle and the temperature, the exit area and an ejection coefficient. The textbook applies this relationship to the exhaust valve of the cylinder of an internal combustion engine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das auf zuverlässige Weise die Strömungsverhältnisse an einem Stellelement in der Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader ohne großen Rechenaufwand wiedergibt.Of the Invention is based on the object, a method of the initially to provide said type, which reliably the flow conditions at an actuator in the bypass line to an exhaust gas turbocharger without big ones Computing effort reproduces.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren an.According to the invention Problem solved by the method according to claim 1. The subclaims give preferred embodiments of the inventive method.

Das Verfahren nach Anspruch 1 betrifft ein sogenanntes Vorwärtsmodell, bei dem aus Istwerten für Betriebszustände ein Istwert für den Massenstrom durch ein Stellelement berechnet wird. Der Massenstrom hängt hierbei von einer reduzierten Querschnittsfläche in der Umgehungsleitung ab. Die reduzierte Querschnittsfläche wird durch die Position des Stellelements festgelegt. Die reduzierte Querschnittsfläche gibt hierbei nicht die geometrische Durchtrittsfläche in der Umgehungsleitung an, sondern ist in der Regel kleiner als diese. Die reduzierte Querschnittsfläche läßt sich anschaulich definieren, als die minimale Fläche im Querschnitt, die ein durch die Umgehungsleitung tretendes Bündel von Stromlinien besitzt. Die durch das Stellelement strömenden Abgase treffen an dem Stellelement auf eine Drosselstelle, an der die durchströmte Fläche sich verkleinert. Stromabwärts von der Drosselstelle ist die durchströmte Fläche kleiner. Die minimale Fläche wird als reduzierte Querschnittsfläche bezeichnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus dem Quotienten von Druck vor und hinter dem Stellelement ein erster Faktor bestimmt. Aus der Temperatur vor dem Stellelement wird ein zweiter Faktor bestimmt. Die Istposition des Stellelements legt die reduzierte Querschnittsfläche fest. Diese wird bei dem vorliegenden Verfahren bevorzugt lediglich aus der Position des Stellelements bestimmt. Das Produkt aus Druck vor Stellelement, den Faktoren und der reduzierten Querschnittsfläche ergibt den Massenstrom durch das Stellelement. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich der Massenstrom durch das Stellelement in der Umgehungsleitung beschreiben läßt wie das Durchflußverhalten eines Gases durch eine Drosselstelle.The Method according to claim 1 relates to a so-called forward model, in the case of actual values for operating states Actual value for the mass flow is calculated by an actuator. The mass flow depends here from a reduced cross-sectional area in the bypass line from. The reduced cross-sectional area is determined by the position set the actuating element. The reduced cross-sectional area gives in this case not the geometric passage area in the bypass line but is usually smaller than this. The reduced cross-sectional area can be clearly define, as the minimum area in cross section, the one has passing through the bypass line passing streamlines. The flowing through the actuator Exhaust gases meet at the actuator to a throttle point at the which flowed through Surface yourself reduced. downstream from the throttle point, the area flowed through is smaller. The minimum area becomes as a reduced cross-sectional area designated. In the method according to the invention is from the Quotients of pressure before and after the actuator a first Factor determined. From the temperature before the actuator is a second factor determined. The actual position of the control element sets the reduced cross-sectional area firmly. This is preferred in the present method only determined from the position of the control element. The product of pressure before actuator, the factors and the reduced cross-sectional area results the mass flow through the actuator. The method according to the invention is based on the knowledge that the mass flow through describe the actuator in the bypass line like that flow behavior a gas through a throttle point.

Der erste Faktor wird abhängig von dem Quotienten aus Druck nach Turbine dividiert durch Druck vor Turbine bestimmt. Ist dieser Druckquotient kleiner als ein kritisches Druckverhältnis mit einem Wert von etwa 0,53, so ist der erste Faktor konstant, bevorzugt mit einem Wert von etwa 0,2588. Der zweite Faktor ist bevorzugt proportional zur Wurzel aus dem Kehrwert der Temperatur, also der Wurzel aus 1 durch den Temperaturwert. Beide Faktoren können in Form von Kennlinien abgespeichert sein, so daß eine Bestimmung der Faktoren mit geringem Aufwand erfolgen kann.Of the first factor becomes dependent from the quotient of pressure to turbine divided by pressure determined before turbine. Is this pressure quotient smaller than a critical one? pressure ratio with a value of about 0.53, the first factor is constant, preferably with a value of about 0.2588. The second factor is preferably proportional to the root of the reciprocal of the temperature, So the root of 1 by the temperature value. Both factors can be found in Form of characteristics to be stored, so that a determination of the factors can be done with little effort.

Bevorzugt ist das Stellelement als ein stufenlos verstellbares Klappenelement ausgebildet. Das Klappenelement ist an einer Lagerungswelle gehalten, und über eine Drehung der Lagerungswelle wird die Position des Klappenelements eingestellt.Prefers is the actuator as a continuously adjustable flap element educated. The flap element is held on a bearing shaft, and over a rotation of the bearing shaft becomes the position of the flap element set.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:preferred Embodiments of the method according to the invention are described below closer to the figures described. Show it:

1 ein Vorwärtsmodell für das Wastegate, 1 a forward model for the wastegate,

2 eine schematische Ansicht des Wastegates. 2 a schematic view of the wastegate.

1 zeigt die Berechnung des Massenstroms durch ein Wastegate (FLOW_WG) 10. Als Eingangsgrößen dienen der Abgasdruck vor Turbine (P3) 12 und der Abgasdruck nach Turbine (P4) 14. Die Abgasdrücke sind hier bezogen auf die Turbine angegeben. Da der Bypass parallel zur Turbine angeordnet ist, beziehen sich diese Druckangaben auch auf das Wastegate. Da es jedoch üblich ist, Abgasdrücke als Abgasdrücke vor und nach der Turbine zu bezeichnen, werden nachfolgend die Abgasdrücke auf die Turbine bezogen und nicht auf das Wastegate. Der Quotient aus Abgasdruck nach Turbine dividiert durch den Abgasdruck vor Turbine wird in Verfahrensschritt 16 berechnet. Das Ergebnis (PQ) 18 bildet die Eingangsgröße für die Kennlinie (IP_PSI_WG) 20. 1 shows the calculation of the mass flow through a wastegate (FLOW_WG) 10 , The input parameters are the exhaust gas pressure upstream of the turbine (P3) 12 and exhaust pressure after turbine (P4) 14 , The exhaust pressures are given here relative to the turbine. Since the bypass is arranged parallel to the turbine, these pressures also refer to the wastegate. However, since it is common to refer to exhaust pressures as exhaust pressures before and after the turbine, the exhaust pressures are referred to the turbine and not to the wastegate below. The quotient from exhaust pressure to turbine divided by the exhaust pressure before turbine is in process step 16 calculated. The result (PQ) 18 forms the input variable for the characteristic curve (IP_PSI_WG) 20 ,

Die Kennlinie berechnet den Faktor (PSI_WG) 22. Der Kennlinie 20 liegt hierbei der folgende Ausdruck für den Faktor zugrunde:

wobei κ den Adiabatenexponenten bezeichnet. Hierbei wird ein Druckverhältnis größer als 0,53 als unterkritisches Druckverhältnis bezeichnet und ein Druckverhältnis kleiner oder gleich 0,53 als überkritisches Druckverhältnis.The characteristic calculates the factor (PSI_WG) 22 , The characteristic 20 this is based on the following expression for the factor:

where κ denotes the adiabatic exponent. Here, a pressure ratio greater than 0.53 is called a subcritical pressure ratio and a pressure ratio is less than or equal to 0.53 as a supercritical pressure ratio.

Abhängig von der Stellung des Wastegates (PSN_WG) 24 wird über eine Kennlinie 26 die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegates bestimmt. Bei dem vorliegend beschriebenen Modell ist die reduzierte Querschnittsfläche unabhängig von physikalischen Parametern des strömenden Gases, sondern lediglich von der Stellung des Wastegates abhängig.Depending on the position of the wastegate (PSN_WG) 24 is over a characteristic 26 determines the reduced cross-sectional area of the wastegate. In the model described herein, the reduced cross-sectional area is independent of physical parameters of the flowing gas, but only depends on the position of the wastegate.

Abhängig von der Abgastemperatur vor Turbine 30 wird über eine Kennlinie 32 (IP_FLOW_WG_CON_1) ein weiterer Faktor zur Berechnung des Massenstroms bestimmt. Der Kennlinie 32 liegt abhängig von der Abgastemperatur vor Turbine (T3) der folgende Ausdruck zugrunde:

wobei R_Abgas die Gaskonstante für Abgas bezeichnet.Depending on the exhaust gas temperature upstream of the turbine 30 is over a characteristic 32 (IP_FLOW_WG_CON_1) determines another factor for calculating the mass flow. The characteristic 32 Depending on the exhaust gas temperature before turbine (T3), the following expression is used:

where R _exhaust gas refers to the gas constant for exhaust gas.

In Verfahrensschritt 46 werden die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegates 28, der Faktor 34, der Faktor 22 und der Druck vor Turbine miteinander multipliziert.In process step 46 become the reduced cross-sectional area of the wastegate 28 , the factor 34 , the factor 22 and the pressure before turbine multiplied together.

Dem Schritt 46 liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Strömungsverhalten an einem Wastegate durch die Gleichung von St. Venant modelliert werden kann. Diese Gleichung lautet:

wobei m den Massenstrom durch das Wastegate, A_red die reduzierte Querschnittsfläche des Wastegate, κ den Adiabatenexponenten für Abgas, R_Abgas die Gaskonstante für Abgas, T3 Temperatur vor Turbine, p3 Abgasdruck vor Turbine und Ψ den Faktor PSI_WG gemäß Formel 1 bezeichnet.The step 46 is based on the knowledge that the flow behavior on a wastegate can be modeled by the equation of St. Venant. This equation is:

where m denotes the mass flow through the wastegate, A _red the reduced cross-sectional area of the wastegate, κ the adiabatic exponent for exhaust gas, R _exhaust the gas constant for exhaust gas, T3 temperature before turbine, p3 exhaust gas pressure before turbine and Ψ the factor PSI_WG according to formula 1.

2 zeigt schematisch eine Ansicht einer Klappe 84 eines Wastegates. Die Klappe 84 ist über einen Hebel 86 um einen Drehpunkt 88 einer Antriebswelle 90 gelagert. Das Abgas strömt in Richtung des Pfeils A. Eine Trennwand 92 ist mit einer Durchgangsöffnung 94 versehen, die im geschlossenen Zustand durch die Klappe 84 abgedichtet wird. 2 schematically shows a view of a flap 84 a wastegate. The flap 84 is over a lever 86 around a pivot 88 a drive shaft 90 stored. The exhaust flows in the direction of arrow A. A partition 92 is with a through hole 94 provided in the closed state by the flap 84 is sealed.

Claims

Method for calculating a mass flow ( 10 ) by an actuator in a bypass line to an exhaust gas turbocharger in the exhaust tract of an internal combustion engine, wherein the mass flow in the bypass line of the actuating element depends on a reduced cross-sectional area, which is determined by the position of the actuating element, with the following method steps: - from the quotient ( 18 ) Pressure in front of and behind the actuator ( 12 . 14 ) becomes a first factor ( 12 ) determines such that the first factor ( 28 ) for supercritical pressure conditions where a value for the pressure-actuator actuator pressure is less than a critical pressure ratio of approximately 0.53, set to a constant value of approximately 0.2588, 30 ) in front of the actuator becomes a second factor ( 34 ), - from the position of the actuating element ( 24 ), the reduced passage area ( 28 ) for the flow and - the product of pressure ( 12 ) in front of the actuator, the factors ( 22 . 34 ) and the reduced cross-sectional area ( 28 ) gives the mass flow through the actuator.

Method according to Claim 1, characterized in that the second factor ( 34 ) proportional to the root of the reciprocal of the temperature ( 30 ) is in front of the actuator.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the actuating element has a continuously adjustable flap element ( 84 ) having.

Method according to claim 3, characterized in that the flap element ( 84 ) on a bearing shaft ( 90 ) and via a rotation of the bearing shaft ( 90 ) the position of the flap element ( 84 ) is set.