СИСТЕМА И СПОСОБ ОЦЕНКИ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ДАВЛЕНИЕМ НА ВХОДЕ И ДАВЛЕНИЕМ НА ВЫХОДЕ ТУРБИНЫ ДВИГАТЕЛЯ С НАДДУВОМ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SYSTEM AND METHOD FOR EVALUATING RATIO BETWEEN INPUT PRESSURE AND OUTPUT PRESSURE OF ENGINE TURBINE OF SUPERCHARGED VEHICLE

Изобретение относится к технической области контроля впуска воздуха двигателей с дополнительным наддувом воздуха и, в частности, контроля давления на входе турбины дополнительного наддува воздуха.
Нормы по охране окружающей среды заставляют конструкторов постоянно усовершенствовать двигатели. Следствием этого являются удорожание этих двигателей, в частности дизельных двигателей, по причине включения в них новых узлов, таких как линии частичной рециркуляции выхлопных газов на впуск (EGR), системы постобработки (фильтры-улавливатели частиц, уловители оксидов азота и т.д.), и повышение сложности турбокомпрессоров. Эти системы взаимодействуют между собой и требуют очень высокого уровня контроля, чтобы не ухудшать работу всей установки. Среди всех величин, которые требуют точного контроля, следует упомянуть, в частности, давление наддува. Это давление наддува позволяет достигать требуемого уровня эффективности с точки зрения мощности и определять степень рециркуляции EGR, применяемую для различных точек работы двигателя. Это заданное значение давления наддува необходимо соблюдать как при стабилизированной работе, так и на неустановившихся режимах работы.
avt
Применяемые в настоящее время решения контроля являются удовлетворительными на относительно простых циклах проверки на соответствие техническим условиям, но очень быстро оказываются ограниченными на более сложных циклах, например, предусмотренных для нормы Евро-7, введение которой предусмотрено в 2017 году. В большинстве этих методов входными данными является измерение давления газов на входе турбины (P).
В настоящее время давление на входе турбины измеряют при помощи датчика давления, который, к сожалению, не отличается высокой надежностью. Кроме того, при некоторых условиях работы измерение становится невозможным. Для преодоления этой проблемы используют коэффициент расширения турбины, который соответствует отношению давления на входе и давления на выходе турбины. Этот коэффициент расширения вычисляют, используя характеристические картографии турбины и осуществляя приведение моделей.
Существуют потребность в надежном методе оценки давления газов на входе турбины, позволяющем гарантировать надежную оценку во всех рабочих точках, в частности, при работе в неустановившемся режиме.
В связи с этим предложен способ оценки соотношения между давлением на входе и давлением на выходе турбины турбокомпрессора автотранспортного средства. Способ содержит следующие этапы:
получают оценку массового расхода турбины, скорости вращения турбины и температуры на входе турбины и измерение положения лопаток турбины с изменяемой геометрией и давления на выходе турбины,
инициализируют устройство оценки,
определяют значение первой внутренней переменной в зависимости от оценки массового расхода турбины, скорости вращения турбины и температуры на входе турбины и от измерения положения лопаток турбины с изменяемой геометрией и давления на выходе турбины, а также от значения инициализации устройства оценки,
определяют значение второй внутренней переменной в зависимости от оценки массового расхода турбины, скорости вращения турбины и температуры на входе турбины и от измерения положения лопаток турбины с изменяемой геометрией и давления на выходе турбины, от значения инициализации устройства оценки и от изменения соотношения давлений,
определяют производную внутренних переменных в зависимости от значений внутренних переменных и от изменения соотношения давлений и
получают оценочное значение соотношения давлений в зависимости от производной внутренних переменных, от значения первой внутренней переменной и от значения инициализации устройства оценки.
Устройство оценки можно инициализировать с оценочным значением соотношения давлений в предыдущий момент вычисления.
Устройство оценки можно инициализировать с измерением давления на входе турбины.
Устройство оценки можно инициализировать с заранее определенным значением, полученным из картографии.
Можно определить указанное изменение соотношения давлений.
Можно извлечь сохраненное в памяти значение указанного изменения соотношения давлений.
Предложена также система оценки соотношения между давлением на входе и давлением на выходе турбины турбокомпрессора автотранспортного средства. Система содержит средство инициализации устройства оценки, средство оценки значения первой внутренней переменной, связанное на входе со средствами определения значений массового расхода турбины, скорости вращения турбины и температуры на входе турбины, положения лопаток турбины с изменяемой геометрией и давления на выходе турбины и со средством инициализации устройства оценки, средство оценки значения второй внутренней переменной, связанное на входе со средствами определения значений массового расхода турбины, скорости вращения турбины и температуры на входе турбины, положения лопаток турбины с изменяемой геометрией и давления на выходе турбины и со средством инициализации устройства оценки, а также со средством инициализации значения изменения соотношения давлений, средство оценки производной внутренних переменных, связанное на входе со средством оценки значения первой внутренней переменной и со средством оценки значения второй внутренней переменной, и средство оценки значения соотношения давлений, связанное на входе со средством оценки производной внутренних переменных, со средством инициализации устройства оценки и со средством оценки значения первой внутренней переменной.
Средство инициализации устройства оценки может содержать по меньшей мере один элемент среди памяти, содержащей оценочное значение соотношения давлений в предыдущий момент вычисления, соединения с датчиком давления на входе турбины или картографии значения инициализации.
Средство инициализации значения указанного изменения соотношения давлений может содержать память, содержащую указанное значение изменения соотношения давлений.
Средство инициализации значения указанного изменения соотношения давлений может содержать средство оценки в зависимости от оценочного значения соотношения давлений в предыдущий момент вычисления и от заранее определенного отношения.
Способ и система оценки имеют следующие преимущества. Оценка давления газов на входе турбины позволяет лучше контролировать системы наддува, в частности, на сугубо неустановившихся режимах работы. Действительно, эта информация позволяет избегать превышения заданных значений с вытекающим отсюда риском поломки турбокомпрессора, а также отслеживать траектории давления газов на входе турбины вместо отслеживания давления наддува (со стороны впуска) в некоторых частных случаях.
Другим преимуществом является возможность доступа к противодавлению выхлопа и, следовательно, возможность лучшего вычисления замкнутых масс (масса свежих газов, газов рециркуляции EGR и остаточных газов).
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором единственная фигура иллюстрирует способ оценки соотношения давлений между входом и выходом турбины.
Для оценки давления перед турбиной можно применять различные стратегии. Среди этих стратегий существуют динамический подход и статический подход.
Динамический подход не годится для этого варианта применения по причине слишком быстрых изменений по отношению к частоте дискретизации бортовой системы. Поэтому предпочтительным является статический подход. Действительно, статический подход позволяет использовать уже имеющиеся в двигателе измерения или оценки, чтобы найти значение давления перед турбиной независимо от частоты дискретизации. Основная проблема при статической оценке давления выхлопа связана с сильной корреляцией между массовым расходом и коэффициентом расширения турбины. Действительно, следующее уравнение дает отношение между этими двумя величинами.
где
tur
N: скорость вращения турбины;
avt
P: давление на выхлопе;
avt
T: температура перед турбиной;
t
Q: массовый расход турбины;
xvgt: положение лопаток турбины;
t
PR: соотношение давлений турбины;
ref
P: базовое давление;
ref
T: базовая температура.
Уравнение 1 показывает, что, имея значения соотношения давлений, скорости вращения турбины, положения лопаток и условий на входе турбины, можно найти значение массового расхода в турбине. Однако, если известен только массовый расход, решить аналитически уравнение 1 невозможно. Для решения этой проблемы существуют определенные процедуры. Обычно они состоят в использовании итеративных алгоритмов, которые, к сожалению, могут требовать больших ресурсов (времени ЦПУ) и которые, кроме того, часто приводят к проблемам стабильности.
Для оценки давления на входе турбины, чтобы решить уравнение 1, применяют алгоритм Ньютона-Рафсона. Однако вместо итерации на каждом временном шаге алгоритм изменяют таким образом, чтобы производить итерацию в течение времени. Иначе говоря, предполагают, что алгоритм Ньютона-Рафсона позволяет достичь сходимости решения уравнения 1 быстрее, чем происходит динамическое изменение системы, управляющей давлением на входе турбины. Этот алгоритм имеет следующие преимущества:
- на каждом временном шаге оценивать уравнение 1 необходимо только два раза и
- он позволяет контролировать скорость, с которой получают решение, что значительно повышает надежность.
Алгоритм Ньютона-Рафсона представлен следующим уравнением:
t
t
tur
avt
apt
в котором α соответствует константе 0<α≤1, позволяющей замедлять скорость сходимости решения. Целью является получение PR, имея только оценку Q, N и T и измерение xvgt и P.
Кроме того, определяют следующую функцию f:
где
где
i: наступление i события;
carto(): картография в зависимости от переменных;
<mrow><mi>P</mi><msubsup><mi>R</mi><mi>t</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
: соотношение давления в течение времени t для наступления i события.
В этом случае критерий сходимости записывают следующим образом:
|f|<е, где e: порог критерия сходимости.
Расход турбины оценивают на основании расхода двигателя и расхода EGR. Этот расход двигателя может быть, например, представлен в виде картографии в зависимости от скорости вращения двигателя и от давления во впускном коллекторе. Расход EGR можно рассчитать как разность между расходом двигателя и расходом воздуха, измеренным расходомером на впуске.
apt
<mrow><mi>P</mi><msubsup><mi>R</mi><mi>t</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
В уравнении 4 P характеризует измерение давления за турбиной. Чтобы применить уравнение 2, необходимо знать производную f по отношению к . Получить эту производную достаточно сложно по причине картографии турбины, которая является исключительно нелинейной картографией, зависящей, в частности, от скорости вращения, от расхода, от положения лопаток. Для решения этой проблемы обычно используют данные с временным шагом n-1, как в алгоритмах типа «квазиньютоновского» или типа «секанса». Однако использование таких данных требует применения буфера данных, недостатком которого является задержка результата оценки и придание инерции системе. Чтобы избежать этой проблемы, данную производную вычисляют цифровым методом следующим образом:
Принимая значение ΔPR очень малым, можно получить приближенное значение производной. Член ΔPR соответствует очень слабому изменению PR, которое позволяет лишь аппроксимировать производную по временному шагу n.
Как видно уравнения 5, оценку f предпочтительно производят два раза на каждом временном шаге: один раз для получения f(PR) и один раз для получения f(PR+ΔPR). Оригинальный алгоритм Ньютона-Рафсона (уравнение 2) повторяют путем последовательных итераций до момента, когда f<e. При методе Ньютона-Рафсона алгоритм может реализовать несколько итераций для обеспечения сходимости с этим критерием, что представляло бы проблему в бортовой системе, которая работает в режиме реального времени. Кроме того, сходимость алгоритма Ньютона-Рафсона не обеспечивается, если исходная точка не является достаточно близкой к решению. Поэтому от этого итеративного подхода отказываются в пользу следующего решения.
n+1
Вместо оригинального алгоритма вычисляют значение PR, применяя уравнение 2 следующим образом:
n+1
В уравнении 6 PR является значением соотношения давлений для временного шага n+1, следующего за временным шагом n. Этот подход можно реализовать, так как инерция системы не допускает более быстрых изменений массового расхода или температуры выхлопа, чем скорость сходимости алгоритма. С другой стороны, инерция системы позволяет алгоритму приблизиться к решению во время интервала между двумя временными шагами вычисления. Кроме того, чем больше значение α, тем быстрее алгоритм приближается к решению, но при этом он является менее робастным.
Включенный выше член α позволяет регулировать скорость сходимости и, следовательно, контролировать надежность оценки. Член α должен находиться в пределах между 0 и 1.
avt
avt
n
Это устройство оценки позволяет вычислять давление на входе турбины P на временном шаге n+1, используя данные на временном шаге n. Традиционные методы позволяют вычислять решение при нескольких итерациях (недетерминистическое решение) на каждом временном шаге вплоть до достижения критерия сходимости. Эти методы используют информацию временного шага n для нахождения решения за время n. Весь смысл этого неитеративного метода состоит в способе вычисления производной функции "f". Для инициализации устройства оценки (то есть PR при n=0) берут либо измерение датчика давления на входе турбины P, если такое измерение доступно и достоверно, либо заранее определенное значение, которое зависит от условий работы (например, картографию в зависимости от скорости вращения и от нагрузки двигателя). После инициализации устройство оценки работает автономно.
Способ оценки представлен на единственной фигуре.
t
tur
avt
apt
Здесь показан первый этап 1 сбора данных транспортного средства, во время которого получают оценку массового расхода турбины Q, скорости вращения N турбины и температуры T перед турбиной и измерение положения xvgt лопаток турбины с изменяемой геометрией и давления P за турбиной.
n
n
avt
На этапе 2 инициализируют устройство оценки при значении PR соотношения давлений за время n. Если устройство оценки не располагает ранее вычисленным значением PR, в него вводят либо измерение давления на входе турбины P, если такое значение имеется и является достоверным, либо заранее определенное значение.
n
n
t
tur
avt
apt
На этапе 3 определяют значение f(PR) первой внутренней переменной в зависимости от значений Q, N, T, xvgt и P и от значения PR, применяя уравнения 3 и 4.
n
n
t
tur
avt
apt
На этапе 4 определяют значение f(PR+ΔPR) второй внутренней переменной в зависимости от значений Q, N, T, xvgt и P и от значения PR, а также от заранее определенного отклонения ΔPR, тоже применяя уравнения 3 и 4.
n
n
На этапе 5 определяют производную функции f по отношению к значению PR в зависимости от значения f(PR) первой внутренней переменной и от значения f(PR+ΔPR) второй внутренней переменной, применяя уравнение 5.
n+1
n
n
На этапе 6 получают значение PR в зависимости от производной функции f по отношению к значению PR, от значения f(PR) первой внутренней переменной и от значения PR, применяя уравнение 6.
n
t
tur
avt
apt
Система оценки, применяющая такой способ, содержит средство оценки значения f(PR) первой внутренней переменной, связанное на входе со средствами определения значений Q, N, T, xvgt и P и со средством инициализации устройства оценки.
n
Средство инициализации устройства оценки может содержать по меньшей мере один элемент среди памяти с ранее определенным значением PR, соединения с датчиком давления на выходе турбины или картографии значения инициализации.
n
n
t
tur
avt
apt
Система оценки содержит также средство оценки значения f(PR+ΔPR) второй внутренней переменной, связанное на входе со средствами определения значений Q, N, T, xvgt и P и со средством инициализации устройства оценки, а также с памятью, содержащей значение DPR. В альтернативном варианте значение ΔPR можно оценить при помощи средства оценки в зависимости от значения PR и от заранее определенного отношения.
n
n
Система оценки содержит средство оценки производной функции f, связанное на входе со средством оценки значения f(PR) первой внутренней переменной и со средством оценки значения f(PR+ΔPR) второй внутренней переменной.
n+1
n
n+1
Средство оценки значения PR связано на входе со средством оценки производной функции f, со средством инициализации устройства оценки и со средством оценки значения f(PR) первой внутренней переменной. Средство оценки значения PR связано на выходе с выходом системы оценки.
Способ и система оценки позволяют определять соотношение давлений между входом и выходом турбины, что позволяет вычислить давление на входе турбины в зависимости от измерения давления на выходе турбины. Оценка быстро сходится между двумя шагами вычисления, что обеспечивает эффективное определение даже при работе на неустановившемся режиме.