CN110821647B - 用于运行具有增压压力调节的内燃机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行具有增压式内燃机（2）的马达***（1）的方法，马达***（1）具有带压缩机（62）的废气驱动的增压装置（6），方法有以下步骤：根据预先给定的额定‑增压压力（p21，des）相应于增压压力调节来调节增压器调整器（64），增压压力调节包括预控制（21）和调节部分（22），且增压压力调节的预控制基于预先给定的额定‑增压压力（p21，des）预先给定额定‑压缩机转速（nkomp，des）；根据至少一个预先给定的调整量极限值通过限制额定‑压缩机转速（nkomp，des）的各个压缩机转速梯度（
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
）来限制额定‑压缩机转速（nkomp，des），调整量极限值（DCmin，cor，DCmax，cor）说明了用于增压器调整器（64）的预先给定的最大调整量和/或预先给定的最小调整量。

Description

用于运行具有增压压力调节的内燃机的方法和设备
技术领域
本发明涉及内燃机并且涉及特别是利用被调节的增压压力来运行该内燃机的方法。特别地，本发明涉及对用于增压装置的增压器调整器的调整量进行限制的措施。
背景技术
增压式内燃机在升高的压力下提供新鲜空气，以便提高输送到内燃机中的空气量。这通常借助于废气驱动的增压装置、例如废气涡轮增压器来实现，所述废气涡轮增压器在废气侧具有能够可变地控制的涡轮机。所述涡轮机机械地与压缩机相耦联，所述压缩机抽吸新鲜空气并且在增压压力下提供新鲜空气。
所述涡轮机通过增压器调整器能可变地控制，利用所述增压器调整器可以调整在涡轮机中待转化成机械能的废气焓的尺度。所述增压器调整器为此利用增压压力调节的调整量来操控，所述增压压力调节用于将增压压力调整到期望的、由马达控制器所预先给定的额定-增压压力上。通过机械地限制或者通过调节的功能限制将调整量限制在上极限和下极限之间。
用于增压压力调节的调节模式是基于模型的并且使用预控制，所述预控制通过逆转的涡轮机模型以及逆转的调整器来实现并且具有相应的调整量限制。但是遵守调整量限制显著地取决于所使用的涡轮机模型的品质，因为对于转速梯度的限制的计算特别地取决于所述品质。
发明内容
根据本发明设置了一种根据本发明所述的用于利用增压压力调节来运行内燃机的方法以及根据本发明所述的设备和马达***。
另外的构造方案在本发明中说明。
根据第一方面设置了一种用于运行具有增压式内燃机的马达***的方法，其中所述马达***具有废气驱动的、带有压缩机的增压装置，所述方法具有以下步骤：
–根据预先给定的额定-增压压力相应于增压压力调节来调节增压器调整器，其中所述增压压力调节包括预控制和调节部分，并且增压压力调节的预控制基于预先给定的额定-增压压力预先给定额定-压缩机转速，
–根据至少一个预先给定的调整量极限值通过限制额定-压缩机转速的各个压缩机转速梯度来限制额定-压缩机转速，其中所述调整量极限值说明了用于增压器调整器的预先给定的最大的和/或预先给定的最小的调整量。
在基于模型的增压压力调节中，在预控制中借助于压缩机模型从预先给定的额定-增压压力获知达到额定-增压压力所必须的稳定的压缩机转速，所述增压压力调节具有预控制部分和调节部分。所述必须的稳定的压缩机转速通过轨迹规划（Trajektorienplanung）转换成额定-压缩机转速和额定-压缩机转速梯度。在所述轨迹规划中考虑用于增压器调整器的调整量限制，所述调整量限制描摹了允许的压缩机转速梯度的范围。在该调整极限之内然后实现额定-压缩机转速的以及额定-转速梯度的轨迹的规划。
观察器同样使用压缩机综合特性曲线用于估计压缩机转速和压缩机转速梯度并且基于所测量的实际-增压压力使用涡轮机面积的涡轮机模型。借助于增压压力调节来补偿模型偏差，其中以调整量-偏量来移动预控制调整量，直到有效的涡轮机面积的面积偏差被抵消。基于调节单元的介入，接着对于所产生的调整量的限制是必要的，因为利用调整量-偏量的加载可能导致低于或者超过调整量限制。因为所述调节单元经常具有I-份额，此外在后置的调整量限制中，抗饱和限制是必须的。
上述方法的构思现在是：这样地进行对于调整量的限制，使得在获知所述额定-压缩机转速时在用于后置的转速限制的预控制中就已经考虑该限制，用于操控所述增压器调整器。
此外可以在轨迹模块中执行对于额定-压缩机转速的压缩机转速梯度的限制。
可以设置的是，对于额定-压缩机转速的限制基于最小的转速梯度和/或最大的转速梯度来进行，其中所述最小的转速梯度和/或最大的转速梯度根据修正了的最大的调整量极限值和最小的调整量极限值来获知，其中所述最大的调整量极限值和最小的调整量极限值根据调整量-偏量从增压压力调节的调节部分来获知。
因此可以这样地使用调整量-偏量用于轨迹规划，以使得在轨迹规划中设置的调整量限制通过调整量-偏量来修正或者利用其来进行加载。这样可以例如排除的是，通过调整量-偏量的介入，所产生的调整量超过至少一个调整量限制。这使得以下情况成为可能，放弃相应的、后置的、对于所产生的调整量的限制并且特别地放弃后置的转速调节的抗饱和功能。
特别地，可以通过在轨迹规划中考虑调整量-偏量（通过给预先给定的调整量限制相加地加载调整量-偏量），来相应地考虑转速调节的介入。这具有以下优点，即使在涡轮机模型的模型品质不够的情况下，也可以通过所产生的调整量使用完全允许的调整量范围，以使得同样地在轨迹规划中能够预先给定轨迹，其使得更快速地达到增压压力成为可能。
因为所述模型偏差通过转速调节来补偿，所述调整量-偏量示出了对于当前的模型偏差的尺度。因此同样可以在对用于增压器调整器的所产生的调整量进行限制期间，通过增益排程（Gain-Scheduling）在整个运行范围上使用被优化了的调节特性（Regelverhalten）。通过取消到调节单元中的抗饱和介入（Anti-Windup-Eingriff）保证了在调整量限制中的运行和没有通过调整量限制的运行之间的稳定的过渡。
特别地可以将修正了的最大的调整量极限值和最小的调整量极限值借助于逆转的调整器综合特性曲线和逆转的（invers）涡轮机模型换算成相应的最大的转速梯度和/或最小的转速梯度。
根据一种实施方式可以借助于涡轮机模型和调整器综合特性曲线从被限制的额定-压缩机转速来计算预控制调整量。该计算基于额定-压缩机转速和额定-转速梯度借助于预先给定的涡轮机模型来实现，其中获知有效的涡轮机面积。从有效的涡轮机面积借助于预先给定的调整器综合特性曲线确定对此匹配的预控制调整量。在考虑到转速梯度限制的情况下在轨迹规划中确保，预控制调整量位于通过至少一个预先给定的调整量极限值所预先给定的调整量范围之内。
可以设置的是，增压压力调节的调节部分预先给定用于修正额定-压缩机转速的转速差，其中调整量-偏量从利用转速差加载的、限制的额定-压缩机转速借助于涡轮机模型和转速调节来获知。
特别地可以作为调整量-偏量和预控制调整量的总和来获知用于增压器调整器的调整量，其中特别地通过至少一个调整量极限值限制所述调整量。
此外，增压压力调节的调节部分可以具有观察器，所述观察器基于预先给定的压缩机综合特性曲线并且根据之前所获知的观察器-压缩机转速来提供观察器-增压压力。
根据另一方面设置一种设备，特别是马达控制器，用来运行具有增压式内燃机的马达***，其中马达***具有带有压缩机的、废气驱动的增压装置，其中所述设备构造用于：
–根据预先给定的额定-增压压力相应于增压压力调节来调节增压器调整器，其中所述增压压力调节包括预控制和调节部分，并且增压压力调节的预控制基于预先给定的额定-增压压力来预先给定额定-压缩机转速，
–根据至少一个预先给定的调整量极限值通过限制额定-压缩机转速的各个压缩机转速梯度来限制额定-压缩机转速，其中所述调整量极限值说明了预先给定的最大的和/或预先给定的最小的调整量。
附图说明
以下借助于附加的附图进一步解释实施方式。附图示出了：
图1 具有增压式内燃机的马达***的示意图；以及
图2 用于增压压力调节功能的功能线路图，所述增压压力调节在图1的马达控制器中执行。
具体实施方式
图1示出了具有内燃机2的马达***1的示意图。所述内燃机可以构造成四冲程马达并且以输送燃料的内燃机（柴油机）或者输送空气的内燃机（汽油机）的形式来构造。
所述内燃机2可以具有数个气缸3，在当前情况下具有四个气缸。空气通过空气输送***4被输送给所述内燃机2。在所述空气输送***4中此外布置了节气门7，利用该节气门可以调整被输送给气缸3的空气量。在内燃机2的运行时产生的燃烧废气从内燃机2的气缸3通过废气***5导出。
为了改善功率，马达***1设置了废气驱动的增压装置6，所述增压装置在废气***5中具有涡轮机61并且在空气输送***4中具有压缩机62。所述涡轮机61布置在废气***5中，以使得在内燃机2运行时排出的燃烧废气驱动所述涡轮机，其中燃烧废气的废气焓被转化成机械的旋转能。
涡轮机61与压缩机62通过耦联轴63机械地连接，以便将通过涡轮机61所提供的机械能提供给压缩机62使用并且用于压缩从环境获取的新鲜空气。为此，压缩机62从马达***1的环境抽吸新鲜空气，并且将该新鲜空气在压缩机62的出口侧通过增压空气冷却器8在增压压力区段41中在增压压力p21下提供使用。空气输送***的抽吸管区段42从节气门7在下游连接到增压压力区段41上。所述抽吸管区段42直接与气缸3的进入阀（未示出）相连接。
可以在涡轮机61上或中设置增压器调整器64，利用该增压器调整器能够调整废气焓中转化成机械能的份额。由此可以调整增压的效率。所述增压器调整器64可以以废气门阀的形式、VTG-调整器的形式等等来构造。
在运行中，由增压装置6的涡轮机61所提供的机械功率由在涡轮机61的入口侧和出口侧之间的压力差、通过涡轮机61的废气质量流量以及增压器调整器64的调整来确定。在涡轮机61的入口侧的压力被称为排气背压，并且如果紧接着设置用于废气处理的装置、例如催化器，那么空气在出口侧基本上处于环境压力或者接近环境压力。
通常可以给增压装置6设置转速传感器，利用该转速传感器可以检测轴63的转速，以使得能够以简单的方式限制该转速。但是为了节省费用，经常设置没有压力传感器的增压装置。然而必须有效地限制耦联轴63的压缩机转速，以便避免增压装置6的部件损坏。对于压缩机转速的限制通常通过增压调节将增压压力限制到最大允许的额定-增压压力上来实现。
此外设置了控制单元10，该控制单元相应于负载要求来运行马达***1。所述控制单元10为此检测在马达***1中的状态量并且获得预先给定量，所述预先给定量可以说明负载要求、例如驾驶员期望力矩或者加速踏板调整。基于内燃机2的运行状态以及所述预先给定量然后调整在内燃机2中的调整器、例如增压器调整器64、（未示出的）燃料喷射装置、节气门7等等，以便提供内燃机2的期望的驱动功率。
通常从预先给定量确定额定-增压压力，所述额定-增压压力借助于增压压力调节来调整，所述增压压力调节影响增压器调整器64的和/或节气门7的调整。所述调整基于一种调节来实现，所述调节将增压压力调节到额定-增压压力。额定-增压压力的确定以已知的方式基于内燃机2的预先给定量和另外的运行状态量来实现。
为了描述废气驱动的增压装置6的压缩机62的特性，压缩机综合特性曲线通常可供使用，所述压缩机综合特性曲线说明了在压缩机62上的压力比、通过压缩机62的压缩机质量流量以及压缩机转速之间的关系。所述在压缩机62上的压力比相应于出口侧的压力p2（压缩机出口压力）和入口侧的压力p1（压缩机入口压力）的商，所述出口侧的压力可以相应于增压压力p21或者当设置增压空气冷却器8时可以由增压压力计算出来，所述入口侧的压力基本上相应于环境压力或者当设置空气过滤器时可以由环境压力计算出来。
图2示出了用于增压压力调节功能20的示意图，增压压力调节在图1的控制单元10中被执行。
所述增压压力调节功能20具有预控制部分21和调节部分22。
所述预控制部分21接收额定-增压压力p21，des作为输入量，所述额定-增压压力通过在求和模块211中以增压空气冷却器8上（测量到或者以已知的方式模型化）的压力下降Δpcac进行相加的加载来获知额定-压缩机输出压力p20，des。由此通过除法在除法模块212中通过除以环境压力p1来获知额定-压力比πdes，作为用于压缩机综合特性曲线的输入量，所述压缩机综合特性曲线在压缩机综合特性曲线模块213中执行。
借助于压缩机综合特性曲线获知临时的额定-压缩机转速nkomp，des，用来通过压缩机62在给定的压缩机质量流量m’komp时达到相应的压力比。从这样预先给定的临时的额定-压缩机转速nkomp，des借助于轨迹规划在轨迹规划模块214中获知额定-压缩机转速ndes以及额定-压缩机转速梯度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
。/>
从预先给定的、在涡轮机模型模块215中执行的涡轮机模型由额定-压缩机转速ndes获知有效的额定-涡轮机面积Atrb，des。所述涡轮机模型说明了根据增压机转速n的有效的涡轮机面积A。所述有效的涡轮机面积A说明了用于涡轮机调整器（废气门、VTG、滑套等）的位置的尺度，所述尺度相应于燃烧废气的能够转化的废气焓的尺度。
从有效的额定-涡轮机面积Atrb，des借助于预先给定的调整器特性曲线在调整器综合特性曲线模块216中获知预控制调整量DCdes。所述预控制调整量DCdes通常是无单位量，该无单位量预先给定了用于操控增压器调整器64的百分比值，特别是针对通过脉宽调制能够操控的增压器调整器64以占空比（Tastverhaeltnis）的形式来预先给定。
调节部分22包括观察器221，所述观察器基于测量的或者模型化的实际-增压压力p21，sens获知观察器-涡轮机转速nobs以及观察器-压缩机转速梯度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，并且由此借助于在涡轮机模型模块225中的涡轮机综合特性曲线来获知有效的观察器-涡轮机面积Atrb，obs。这个涡轮机模型模块优选地与涡轮机模型模块215相同地构造。
在差模块226中获知在有效的额定-涡轮机面积Atrb，des和有效的观察器-涡轮机面积Atrb，obs之间的调节偏差，并且将有效的涡轮机面积差ΔA作为输入输送到转速-调节模块227中。
所述转速-调节模块227优选地实施成PID-调整器并且提供调整量-偏量ΔDC，所述调整量-偏量在求和模块23中添加至预控制调整量DCdes。获得所产生的调整量DCctl，该调整量必要时、也就是说可选地能够通过限制模块24被限制到预先给定的最小的调整量值DCmin和预先给定的最大的调整量值DCmax之间的范围上。
所述观察器221具有差模块222，所述差模块从实际-增压压力p21，sens减去观察器-增压压力p21，obs，以便获得压力差Δp。所述观察器-增压压力p21，obs从在逆转-压缩机综合特性曲线模块223中的逆转的压缩机综合特性曲线获知，所述逆转-压缩机综合特性曲线模块输出产生的压缩比πobs。对此将产生的压力比与压缩机输入压力p1在乘法模块224中相乘并且接着添加在增压空气冷却器8上的压力下降，以便获得观察器-增压压力p21，obs。
从压力差Δp（调节偏差）在增压压力调节模块228中获知转速差Δn，在增压压力调节模块中例如以PI调整器的形式执行所述增压压力调节，所述转速差相加地在求和模块229中添加至由预控制所获知的额定-压缩机转速ndes以及额定-压缩机转速梯度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，以便获得观察器-涡轮机转速nobs以及观察器-压缩机转速梯度/>
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
。
所述轨迹规划模块214从梯度限制模块25获得最小的转速梯度或者最大的转速梯度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，它们分别从预先给定的调整量限制借助于预先给定的最小调整量值DCmin以及预先给定的最大调整量值DCmax关于各个当前的调整量-偏量ΔDC来获知。
从相应的差形成得出被修正的最大的调整量极限值DCmax，cor以及最小的调整量极限值DCmin，kor，将它们在逆转-调整器综合特性曲线-模块251中分别输送给预先给定的逆转的调整器综合特性曲线，用来获知相应的最小的有效涡轮机面积Atrb，min和最大的有效涡轮机面积Atrb，max，所述逆转的调整器综合特性曲线相应于上述的调整器综合特性曲线的逆转情况。相应的最小的有效涡轮机面积和最大的有效涡轮机面积在逆转-涡轮机模型模块252中分别被输送给逆转的涡轮机模型，以便产生用于轨迹规划模块214的最小的转速梯度和最大的转速梯度
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，所述逆转的涡轮机模型相应于上述的涡轮机模型的逆转情况。
即便在实际上限制所述额定-转速梯度的期间，通过使用调整量-偏量ΔDC，可以通过增益排程在整个运行范围上使用优化了的调节特性，调整量-偏量用来计算用于限制的最大和最小的转速梯度
Figure 901303DEST_PATH_IMAGE005
。在求和环节23之后对于所产生的调整量的限制因此是不必要的，但是可以此外作为安全特征设置用于进行确保。
不管怎样都可以放弃设置转速-调节模块227的I-份额的抗饱和功能。对于转速梯度限制的修正因此持续地起作用，但是只要所述轨迹规划没有通过最小或者最大的转速梯度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
进行限制，那么所述修正对于调整器输出就没有影响。一旦转速梯度限制被激活，所产生的调整量保留在限制处，而转速-调节模块227将当前起作用的转速梯度限制朝着被观察的转速梯度进行修正。/>

Claims (13)

1.用于运行具有增压式内燃机（2）的马达***（1）的方法，其中所述马达***（1）具有废气驱动的、带有压缩机（62）的增压装置（6），所述方法具有以下步骤：
–根据预先给定的额定-增压压力（p21，des）相应于增压压力调节来调节增压器调整器（64），其中所述增压压力调节包括预控制（21）和调节部分（22），并且所述增压压力调节的预控制基于所述预先给定的额定-增压压力（p21，des）来预先给定额定-压缩机转速（nkomp，des），
–根据至少一个预先给定的调整量极限值（DCmin，cor，DCmax，cor）通过限制所述额定-压缩机转速（nkomp，des）的各个压缩机转速梯度（
Figure DEST_PATH_IMAGE001
）来限制所述额定-压缩机转速（nkomp，des），其中所述调整量极限值（DCmin，cor，DCmax，cor）说明了用于所述增压器调整器（64）的预先给定的最大调整量和/或预先给定的最小调整量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对于所述额定-压缩机转速（nkomp，des）的压缩机转速梯度（
Figure 310940DEST_PATH_IMAGE001
）的限制在轨迹模块中执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于所述额定-压缩机转速（nkomp，des）的限制基于最小的转速梯度（
Figure DEST_PATH_IMAGE002
）和/或最大的转速梯度（/>
Figure DEST_PATH_IMAGE003
）来进行，其中所述最小的转速梯度（
Figure 165763DEST_PATH_IMAGE002
）和/或所述最大的转速梯度（/>
Figure DEST_PATH_IMAGE004
）根据修正了的最大的调整量极限值（DCmax，cor）和最小的调整量极限值（DCmin，cor）来获知，其中所述最大的调整量极限值（DCmax，cor）和所述最小的调整量极限值（DCmin，cor）根据调整量-偏量（ΔDC）从所述增压压力调节的调节部分（22）来获知。
4.根据权利要求3所述的方法，其中修正了的最大的调整量极限值DCmax，cor和修正了的最小的调整量极限值DCmin，cor借助于逆转的调整器综合特性曲线和逆转的涡轮机模型换算成相应的最大的转速梯度（
Figure 866872DEST_PATH_IMAGE003
）和/或最小的转速梯度（/>
Figure 668606DEST_PATH_IMAGE002
）。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中借助于涡轮机模型和调整器综合特性曲线从被限制的额定-压缩机转速（nkomp，des）来计算预控制调整量（DCdes）。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述增压压力调节的调节部分（22）预先给定用于修正所述额定-压缩机转速（nkomp，des）的转速差，其中调整量-偏量（ΔDC）从利用所述转速差加载的、被限制的所述额定-压缩机转速（nkomp，des）借助于涡轮机模型和转速调节来获知。
7.根据权利要求5所述的方法，其中作为所述调整量-偏量（ΔDC）和所述预控制调整量（DCdes）的总和来获知用于增压器调整器（64）的调整量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过至少一个调整量极限值来限制所述调整量。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述增压压力调节的调节部分具有观察器（221），所述观察器基于预先给定的压缩机综合特性曲线并且根据之前获知的观察器-压缩机转速来提供观察器-增压压力（p21，obs）。
10.用于运行具有增压式内燃机（2）的马达***（1）的设备，其中所述马达***（1）具有废气驱动的、带有压缩机（62）的增压装置（6），其中所述设备构造用于：
–根据预先给定的额定-增压压力（p21，des）相应于增压压力调节来调节增压器调整器（64），其中所述增压压力调节包括预控制和调节部分，并且所述增压压力调节的预控制基于所述预先给定的额定-增压压力（p21，des）来预先给定额定-压缩机转速（nkomp，des），
–根据至少一个预先给定的调整量极限值通过限制额定-压缩机转速（nkomp，des）的各个压缩机转速梯度来限制所述额定-压缩机转速（nkomp，des），其中所述调整量极限值说明了用于所述增压器调整器（64）的预先给定的最大调整量和/或预先给定的最小调整量。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述设备是马达控制器（10）。
12.计算机程序，该计算机程序被设置用于，执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的所有步骤。
13.机器能够读取的存储介质，在其上存储根据权利要求12所述的计算机程序。
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