AT515716A2

AT515716A2 - METHOD FOR THE DYNAMIC CALCULATION OF GAS FLOWS

Info

Publication number: AT515716A2
Application number: ATA50324/2014A
Authority: AT
Inventors: Martin Dr Schüssler; Ingo Dr Allmer
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2015-11-15
Also published as: EP2942514A2; EP2942514A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Berechnung von Gasströmungen in einem Leitungsstrang (1), insbesondere in Einlass- oder Auslassleitungen von Brennkraftmaschinen, wobei Bauteile (B1, B2, B3, Bi) und Rohrteile (R1, R2, R3, Ri) durch eine Abfolge von Modellvolumina (V1, V2, Vi) und Modelldrosseln (D1, D2, D3, Di) modelliert werden. Um eine Echtzeitberechnung mit geringem Aufwand zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass mehrere Bauteile (B1, B2, B3, Bi) und/oder Rohrteile (R1, R2, R3, Ri) im Leitungsstrang (1) zu einer Komponentengruppen (KG1, KG2, KG3, KGi) zusammengefasst werden, wobei der Komponentengruppe (KG1, KG2, KG3, KGi) ein einziges Modellvolumen (V1, V2, Vi) und/oder eine einzigen Modelldrossel (D1, D2, D3, Di) zugeordnet wird. Auf Basis dieser Zusammenfassung werden dann die Massenströme berechnet.The invention relates to a method for the dynamic calculation of gas flows in a wiring harness (1), in particular in intake or exhaust ducts of internal combustion engines, wherein components (B1, B2, B3, Bi) and pipe parts (R1, R2, R3, Ri) by a Sequence of model volumes (V1, V2, Vi) and model throttles (D1, D2, D3, Di) are modeled. In order to enable a real-time calculation with little effort, it is provided that a plurality of components (B1, B2, B3, Bi) and / or pipe parts (R1, R2, R3, Ri) in the wiring harness (1) to a component groups (KG1, KG2, KG3, KGi), wherein the component group (KG1, KG2, KG3, KGi) is assigned a single model volume (V1, V2, Vi) and / or a single model throttle (D1, D2, D3, Di). Based on this summary, the mass flows are calculated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Berechnung von Gasströmungen in einem Leitungsstrang, insbesondere in Einlass- oder Auslassleitungen von Brennkraftmaschinen, wobei Bauteile und Rohrteile durch eine Abfolge von Modellvolumina und Modelldrosseln modelliert werden.The invention relates to a method for the dynamic calculation of gas flows in a wiring harness, in particular in intake or exhaust ducts of internal combustion engines, wherein components and pipe parts are modeled by a series of model volumes and model throttles.

Alle Komponenten-Modelle eines Leitungsstranges weisen eine Volumen- und Druckverlustberechnung auf. Es ist bekannt, in eindimensionalen Ladungswechselprogrammen zur dynamischen Berechnung von Massenströmen eine Abfolge von Modellvolumina Modelldrosseln zu verwenden. Dabei wird in üblichen Ansätzen zur schnellen_Berechnung von Gasströmungen im Bereich des automotiven Ladungswechsels die Gasdynamik während eines Arbeitsspiels nicht aufgelöst, sondern die Massenströme werden über die Zeitskala eines Arbeitsspiels gemittelt („mean value models"). Die einzelnen Bauteile und Rohrstücke werden vereinfacht durch eine Abfolge von Modellvolumina und Modelldrosseln repräsentiert (Fig. 1). Dieser - beispielsweise in Guzella L. ; Onder C. H, „Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems",Springer Verlag, 2004, S21-118 beschriebene - Ansatz wird üblicherweise auch verwendet, wenn Abgasnachbehandlungssysteme in Echtzeit simuliert werden sollen. Insbesondere bei komplexeren Leitungssträngen mit einer Vielzahl an Komponenten ist allerdings ein hoher Rechenaufwand erforderlich, welche eine Echtzeitauswertung erschwert oder nur mit sehr leistungsstarken Prozessoren möglich macht.All component models of a wiring harness have a volume and pressure loss calculation. It is known to use a sequence of model chokes model volumes in one-dimensional charge exchange programs for the dynamic calculation of mass flows. In this case, in conventional approaches for the fast calculation of gas flows in the area of the automotive charge cycle, the gas dynamics are not resolved during a work cycle, but the mass flows are averaged over the time scale of a working cycle ("mean value models"). The individual components and pipe sections are represented in a simplified manner by a sequence of model volumes and model throttles (FIG. 1). This one - for example in Guzella L.; Onder C.H., "Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems", Springer Verlag, 2004, S21-118, is also commonly used to simulate exhaust aftertreatment systems in real time. In particular, in complex line strands with a large number of components, however, a high computational effort is required, which makes a real-time evaluation difficult or only possible with very powerful processors.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Echtzeitberechnung mit geringem Aufwand zu ermöglichen.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to enable a real-time calculation with little effort.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass mehrere Bauteile und/oder Rohrteile im Leitungsstrang zu einer Komponentengruppe zusammengefasst werden, wobei der Komponentengruppe ein einziges Modellvolumen und/oder eine einzigen Modelldrossel zugeordnet wird.According to the invention this is achieved in that several components and / or pipe parts are summarized in the wiring harness to a component group, wherein the component group is assigned a single model volume and / or a single model throttle.

Vorzugsweise wird der Leitungsstrang durch mehrere hintereinander gereihte Komponentengruppen modelliert, wobei jeder Komponentengruppe jeweils nur ein Modellvolumen und/oder nur eine Modelldrossel zugeordnet wird.Preferably, the wiring harness is modeled by a plurality of successively arranged component groups, wherein each component group is assigned only one model volume and / or only one model throttle.

Somit können die Gasmassenströme im Leitungsstrang und/oder der Komponentengruppen auf der Basis der Modellvolumina und/oder der Modelldrosseln berechnet werden. Die Zahl der Modelldrosseln und Modellvolumina ist dabei wesentlich geringer, als bei bekannten Verfahren. Dies ermöglicht es, den Rechenaufwand und somit die Rechenzeit im Vergleich zu bekannten Verfahren wesentlich zu reduzieren, wodurch mit vergleichsweise einfacher Hardware eine Echtzeitberechnung möglich wird.Thus, the gas mass flows in the wiring harness and / or component groups may be calculated based on model volumes and / or model throttles. The number of model throttles and model volumes is much lower than in known methods. This makes it possible to significantly reduce the computational effort and thus the computation time in comparison to known methods, whereby real-time computation becomes possible with comparatively simple hardware.

An Verzweigungsknoten, Mündungsknoten und/oder Kreuzungsknoten des Leitungsstranges muss jeweils eine Grenze von hintereinanderfolgenden Komponentengruppen definiert werden.At branching nodes, muzzle nodes and / or crossing nodes of the wiring harness, respectively, a boundary of successive component groups must be defined.

Bei einer Ein- und Auslassleitung werden statt eines weiteren Modellvolumens Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur gesetzt. Damit bildet die Umgebung das erste (im Fall einer Einlassleitung) bzw. letzte (im Fall einer Auslassleitung) Modellvolumen.In the case of an inlet and outlet line, the ambient pressure and ambient temperature are set instead of another model volume. Thus, the environment forms the first (in the case of an inlet line) and the last (in the case of an outlet line) model volume.

Besonders wichtig für eine ausreichend hohe Genauigkeit des Verfahrens ist eine Abstimmung zwischen den Modelldrosseln bzw. Modellvolumina der abstrahierten Komponentengruppen und den realen Komponenten.Particularly important for a sufficiently high accuracy of the method is a coordination between the model throttles or model volumes of the abstracted component groups and the real components.

Nachdem der Gasmassenstrom und der Enthalpiestrom im jeweiligen Berechnungszeitschritt in die Komponentengruppe wie oben beschrieben ermittelt wurden, dienen sie somit als Eingangsgrößen in detaillierte Modelle der Komponenten. In diesen detaillierten Modellen jeder Komponente der Komponentengruppe wird der Druckverlust, der Wärmeverlust bzw. die Wärmebilanz und/oder der Reaktionsumsatz berechnet und als Eingangsgrößen an die jeweils nächste Komponente der Komponentengruppe übergeben. Hierbei bleibt der Massenstrom in jeder Komponente der Komponentengruppe im betrachteten Berechnungszeitschritt gleich. Schließlich wird die Summe aller berechneten Druckverluste der einzelnen Komponenten der Komponentengruppe mit dem Druckverlust der Modelldrossel der Komponentengruppe verglichen und im Falle einer Abweichung die Modelldrossel bzw. die der Modelldrossel zu Grunde liegende Drosselgleichung anhand einer Parameteranpassung korrigiert. Bei den angepassten Parametern kann es sich beispielsweise um Abstimmungsparameter handeln, um die Modelldrossel an die Komponenten der jeweiligen Modellkomponenten anzupassen.After the gas mass flow and the enthalpy flow have been determined in the respective calculation time step in the component group as described above, they are thus used as input variables in detailed models of the components. In these detailed models of each component of the component group, the pressure loss, the heat loss or the heat balance and / or the reaction conversion is calculated and transferred as input variables to the next component of the component group. In this case, the mass flow in each component of the component group remains the same in the considered calculation time step. Finally, the sum of all calculated pressure losses of the individual components of the component group is compared with the pressure loss of the model throttle of the component group and corrected in the event of a deviation, the model throttle or the model throttle throttle equation based on a parameter adjustment. For example, the adjusted parameters may be tuning parameters to match the model throttle to the components of the respective model components.

Weiters wird die Summe der Wärmebilanzen der Komponenten der Komponentengruppe zum Enthalpiestrom hinter der Modelldrossel hinzuaddiert.Furthermore, the sum of the heat balances of the components of the component group is added to the enthalpy flow behind the model choke.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden an Hand der Fig. näher erläutert.The method according to the invention is explained in more detail below with reference to FIG.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine nach einem bekannten Verfahren erfolgende Modellierung eines Leitungsstranges, Fig. 2 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgende Modellierung dieses Leitungsstranges, Fig. 3 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgende Modellierung eines weiteren Leitungsstranges und Fig. 4 eine Zusammenfassung von Komponenten zu Komponentengruppen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und die in den zugehörigen Komponentenmodellen berechneten Größen.1 shows a modeling of a cable line according to a known method, FIG. 2 a modeling of this cable line according to the invention, FIG. 3 a modeling of a further cable line according to the invention, and FIG. 4 a summary of components to component groups according to the method of the invention and the calculated in the associated component models sizes.

Fig. la zeigt einen Leitungsstrang 1, beispielsweise einer Auslassleitung einer Brennkraftmaschine, wobei der Leitungsstrang 1 aus mehreren Komponenten, und zwar Bauteile B - beispielsweise Oxidationskatalysator DOC, Dieselpartikelfilter DPF und SCR-Katalysator SCR - und Rohrteile R, besteht. Zur schnellen dynamischen Berechnung der Gasmassenströme mittels eindimensionaler Ladungswechselprogramme wird üblicherweise der Leitungsstrang 1 modelliert, indem jeder Komponente ein Modellvolumen V und eine Modelldrossel D zugeordnet wird, wie im in Fig. lb dargestellten Ersatzschaltbild gezeigt ist. Für den in Fig. la dargestellten Leitungsstrang mit insgesamt sieben aus Rohrteilen B und Bauteilen R bestehenden Komponenten sind im Ersatzschaltbild der Fig. lb somit sieben Modellvolumina V und sieben Modelldrosseln D erforderlich, welche nacheinander durchgerechnet werden müssen. Insbesondere bei komplexeren Leitungssystemen stößt die Echtzeitberechnung an durch die eingesetzte Hardware limitierte Grenzen.Fig. La shows a wiring harness 1, for example, an exhaust duct of an internal combustion engine, wherein the wiring harness 1 of several components, namely components B - for example, oxidation catalyst DOC, diesel particulate filter DPF and SCR catalyst SCR - and pipe parts R consists. For rapid dynamic calculation of the gas mass flows by means of one-dimensional charge exchange programs, the wiring harness 1 is usually modeled by assigning a model volume V and a model throttle D to each component, as shown in the equivalent circuit diagram shown in FIG. 1b. For the wiring harness shown in Fig. La with a total of seven components consisting of pipe parts B and components R in the equivalent circuit diagram of Fig. Lb thus seven model volumes V and seven model throttles D are required, which must be consecutively calculated. Especially with complex line systems, the real-time calculation encounters limits limited by the hardware used.

Fig. 2a zeigt den gleichen Leitungsstrang 1 samt Komponenten wie in Fig. la, wobei zur schnellen dynamischen Berechnung der Gasmassenströme Bauteile Bl, B2 und Rohrteile RI, R2 zu Komponentengruppen KG1 und KG2 zusammengefasst werden. Im vorliegenden Fall sind einerseits die Bauteile Bl Oxidationskatalysator DOC und Dieselpartikelfilter DPF, samt den zu- oder abführenden Rohrteilen RI zu einer ersten Komponentengruppe KG1, und andererseits der Bauteil B2 SCR-Katalysator SCR sowie die angrenzenden Rohrteile R2 zu einer zweiten Komponentengruppe KG2 zusammengefasst. Wie im in Fig. 2b gezeigten Ersatzschaltbild gezeigt ist, wird der ersten Komponentengruppe KG1 eine ersteFig. 2a shows the same wiring harness 1, including components as in Fig. La, wherein for rapid dynamic calculation of the gas mass flows components Bl, B2 and pipe parts RI, R2 are combined to form component groups KG1 and KG2. In the present case, on the one hand the components Bl oxidation catalyst DOC and diesel particulate filter DPF, together with the incoming or outgoing pipe parts RI to a first component group KG1, and on the other hand the component B2 SCR catalyst SCR and the adjacent pipe parts R2 combined to form a second component group KG2. As shown in the equivalent circuit shown in Fig. 2b, the first component group KG1 becomes a first one

Modelldrossel Dl und ein erstes Modellvolumen VI, und der zweiten Komponentengruppe KG2 eine zweite Modelldrossel D2 zugeordnet. Das Modellvolumen der zweiten Komponentengruppe KG2 wird durch die Umgebung U ersetzt, indem Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur herangezogen werden.Model throttle Dl and a first model volume VI, and the second component group KG2 assigned a second model throttle D2. The model volume of the second component group KG2 is replaced by the environment U, using ambient pressure and ambient temperature.

Fig. 3a zeigt einen anderen Leitungsstrang 1 mit Bauteilen B und Rohrteilen R, wobei vom Leitungsstrang 1 in einem Zweigknoten 2 eine Leitung 3 abzweigt. Die erste Komponentengruppe KG1 beinhaltet die ersten drei Bauteile Bl samt angrenzenden Rohrteilen RI. Die zweite Komponentengruppe KG2 setzt sich aus den Bauteilen B2 und den angrenzenden Rohrteilen R2 zusammen. Die dritte Komponentengruppe KG3 wird durch die Bauteile B3 samt angrenzenden Rohrteilen R3 gebildet. Die Grenze zwischen erster Komponentengruppe KG1 und zweiter Komponentengruppe KG2 wird durch den Zweigknoten 2 bestimmt. Beim Bauteil B3 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Bauteil mit besonders temperatursensitiven Eigenschaften, weshalb die Grenze zwischen der zweiten Komponentengruppe KG2 und der dritten Komponentengruppe KG3 stromaufwärts des Bauteils B3 gelegt wird. In Fig. 3b ist das Ersatzschaltbild der Komponentengruppen KG1, KG2, und KG3 dargestellt. Der ersten Komponentengruppe KG1 sind Modelldrossel Dl und Modellvolumen VI, der zweiten Komponentengruppe KG2 Modelldrossel D2 und Modellvolumen V2, und der dritten Komponentengruppe KG3 ist die Modelldrossel D3 zugeordnet. Das Modellvolumen der dritten Komponentengruppe KG3 wird durch die Umgebung U ersetzt.Fig. 3a shows another wiring harness 1 with components B and pipe parts R, wherein a line 3 branches off from the wiring harness 1 in a branch node 2. The first component group KG1 includes the first three components Bl together with adjacent pipe parts RI. The second component group KG2 is composed of the components B2 and the adjacent pipe parts R2. The third component group KG3 is formed by the components B3 together with adjoining pipe parts R3. The boundary between the first component group KG1 and the second component group KG2 is determined by the branch node 2. The component B3 in the exemplary embodiment is a component with particularly temperature-sensitive properties, for which reason the boundary between the second component group KG2 and the third component group KG3 is placed upstream of the component B3. In Fig. 3b, the equivalent circuit of the component groups KG1, KG2, and KG3 is shown. The first component group KG1 is model throttle Dl and model volume VI, the second component group KG2 model throttle D2 and model volume V2, and the third component group KG3 is the model throttle D3 assigned. The model volume of the third component group KG3 is replaced by the environment U.

Fig. 4 zeigt im Detail die Modellierung von Bauteilen B und Rohrteilen R gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. Von der in Fig. 4 nicht dargestellten vorhergehenden Komponentengruppe werden die Eingangsgrößen Gasmassenstrom m und Enthalpiestrom H übernommen. Der Enthalphiestrom H wird dabei beispielsweise wie folgt berechnet:Fig. 4 shows in detail the modeling of components B and pipe parts R according to the proposed method. Of the preceding component group, not shown in Fig. 4, the input quantities of gas mass flow m and enthalpy flow H are adopted. The enthalpy flow H is calculated, for example, as follows:

Dabei steht i für die jeweilige Spezies in der molekularen Zusammensetzung des Abgases, für den Molenstrom der i-ten Spezies und cp,, für die molare Wärmekapazität der i-ten Spezies.I stands for the respective species in the molecular composition of the exhaust gas, for the molar flow of the ith species and cp ,, for the molar heat capacity of the ith species.

Jeder Bauteil Bi und jeden Rohrteil Ri weisen einen bestimmten Druckverlust Δρ und eine bestimmte Wärmebilanz Q auf, welche berechnet werden. Die Modelldrossel Di ist dann richtig gewählt, wenn die Summe der einzelnen Druckverluste Δρ dem Druckverlust Δρ0 der Modelldrossel Di entspricht. Als Druckverlustgleichung der Modelldrossel Di kann beispielsweise eine empirische Funktion des Druckverlustes ApD in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit v verwendet werden, zum Beispiel:Each component Bi and each pipe part Ri have a certain pressure loss Δρ and a certain heat balance Q, which are calculated. The model throttle Di is then correctly selected if the sum of the individual pressure losses Δρ corresponds to the pressure loss Δρ0 of the model throttle Di. As a pressure loss equation of the model throttle Di, for example, an empirical function of the pressure loss ApD can be used as a function of the flow velocity v, for example:

wobei k und x Abstimmungsparameter darstellen, um die Modelldrossel Di an die Komponenten der Komponentengruppe KGi anzupassen. Die Summe der Wärmebilanzen Q der Bauteile Bi und Rohrteile Ri wird zum Enthalpiestrom H stromabwärts der Modelldrossel Dl addiert.where k and x represent tuning parameters to match the model throttle Di to the components of the component group KGi. The sum of the heat balances Q of the components Bi and pipe parts Ri is added to the enthalpy flow H downstream of the model throttle Dl.

Dadurch, dass hintereinander angeordnete Komponenten zu Komponentengruppen KGI, KG2, KG3, KGi zusammengefasst werden und jeder Komponentengruppe KGI, KG2, KG3, KGi jeweils eine Modelldrossel Dl, D2, D3, Di und/oderein Modellvolumen VI, V2, Vi zugeordnet wird, kann der Rechenaufwand und somit die Rechenzeit im Vergleich zu bekannten Verfahren wesentlich reduziert werden, wodurch mit vergleichsweise einfacher Hardware eine Echtzeitberechnung möglich wird.Characterized in that components arranged one behind the other are combined to form component groups KGI, KG2, KG3, KGi and each component group KGI, KG2, KG3, KGi is assigned a model throttle Dl, D2, D3, Di and / or a model volume VI, V2, Vi the computational effort and thus the computing time are significantly reduced in comparison to known methods, whereby real-time computation becomes possible with comparatively simple hardware.

Claims

1. Method for the dynamic calculation of gas flows in a pipeline (1), in particular in intake or exhaust lines of internal combustion engines, wherein components (Bl, B2, B3, Bi) and pipe parts (RI, R2, R3, Ri) by a sequence model volumes (VI, V2, Vi) and model throttles (D1, D2, D3, Di) are modeled, characterized in that a plurality of components (Bl, B2, B3, Bi) and / or pipe parts (RI, R2, R3, Ri ) in the wiring harness (1) to a component groups (KG1, KG2, KG3, KGi) are summarized, wherein the component group (KGI, KG2, KG3, KGi) a single model volume (VI, V2, Vi) and / or a single model throttle ( Dl, D2, D3, Di) is assigned.

2. The method according to claim 1, characterized in that the wiring harness (1) is modeled by a plurality of sequentially ranked component groups (KGI, KG2, KG3, KGi), each component group (KGI, KG2, KG3, KGi) each having only one model volume ( VI, V2, Vi) and / or only one model throttle (Dl, D2, D3, Di) is assigned.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that branching node (2), muzzle node and / or crossing node of the wiring harness (1) in each case a boundary of successive component groups (KGI, KG2, KG3, KGi) is defined.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is the wiring harness to an inlet or outlet and the model volumes (VI, V2, Vi) of the first or last component group (KG2, KG3) by the environment (U) is replaced.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the gas mass flows (m) in the wiring harness (1) and / or the component groups (KGI, KG2, KG3, KGi) on the basis of model volumes (VI, V2, Vi ) and / or model throttles (Dl, D2, D3, Di).

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the gas mass flow (m), preferably also the Enthalpiestrom (//), by the model throttle (Dl, D2, D3, Di) a component group (KG1, KG2, KG3 , KGi) as an input variable in the sequence of components of these component groups (KGI, KG2, KG3, KGi) is metered, wherein preferably the gas mass flow is assumed to be constant in the calculation step.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the component groups (KGI, KG2, KG3, KGi) are each split for further calculation of heat flows and substance conversions in single component models and in each component of the component group (KGI, KG2, KG3 , KGi) pressure loss (Δρ), heat balance (ß) and / or reaction conversion calculated and passed as input to the next component of the component group (KGI, KG2, KG3, KGi).

8. The method according to claim 7, characterized in that the sum of all calculated pressure losses (Δρ) of the individual components of the component group (KGI, KG2, KG3, KGi) with the pressure drop (Δρ0) of the model throttle (Dl, D2, D3, Di) the component group (KGI, KG2, KG3, KGi) and in the case of a deviation, the model throttle (Dl, D2, D3, Di) is corrected by a parameter adjustment.

9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the sum of the heat balances (ß) of the components of the component group (KGI, KG2, KG3, KGi) to the enthalpy flow H behind the model throttle (Dl, D2, D3, Di) is added , 2014 05 09 Fu