DE102004029857A1 - Driving method for turbocharger in internal combustion engine involves analyzing sensory signal to detect pumping limit of compressor - Google Patents

Driving method for turbocharger in internal combustion engine involves analyzing sensory signal to detect pumping limit of compressor Download PDF

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Abstract

A signal from an air mass sensor is analyzed to detect the pumping limit of a compressor in the turbocharger and thereby detect an error in the operation of the turbocharger. The air mass sensor is arranged in a siphon of the internal combustion engine. An error status is detected if the amplitude of the signal is larger by at least 50 percent than the noise in the signal. An independent claim is also included for a driving arrangement for a turbocharger.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers sowie eine Anordnung zum Betreiben eines Turboladers gemäß den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 7.The The invention relates to a method for operating a turbocharger and an arrangement for operating a turbocharger according to the preambles of patent claim 1 and claim 7.

Nahe der Pumpgrenze eines Verdichters ist dessen Wirkungsgrad bekanntermaßen ungünstig. Aus der DE 101 60 934 A1 ist ein Turbolader bekannt, bei dem ein Regelkreis vorgesehen ist, um diesen in einem optimalen Betriebspunkt mit optimalem Abstand zur Pumpgrenze zu betreiben. Dazu ist ein Sensor in der Gehäusewand im Turboladerkanal vorgesehen, der einen kritischen Betriebspunkt vor Erreichen der Pumpgrenze des Turboladers erfasst und an den Regelkreis weitergibt.Near the surge limit of a compressor, its efficiency is known to be unfavorable. From the DE 101 60 934 A1 a turbocharger is known in which a control circuit is provided to operate it at an optimum operating point with optimal distance from the surge line. For this purpose, a sensor is provided in the housing wall in the turbocharger channel, which detects a critical operating point before reaching the surge line of the turbocharger and passes it on to the control loop.

Bei hochaufgeladenen Motoren, beispielsweise Dieselmotoren, sind die Turbolader im unteren Drehzahlbereich üblicherweise dicht an der Pumpgrenze des Verdichters ausgelegt. Schon bei leichten Abweichungen von einem Normalbetrieb, z.B. durch verschmutzte Luftfilter, kann es zum Strömungsabriss am Verdichter kommen. Im folgenden instabilen Betrieb kann der Turbolader und auch der Motor beschädigt werden.at supercharged engines, such as diesel engines, are the Turbocharger in the lower speed range usually close to the surge line designed the compressor. Even with slight deviations from one Normal operation, e.g. due to dirty air filters, it can cause stall come on the compressor. In the following unstable operation, the turbocharger and also the engine is damaged become.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben eines Turboladers anzugeben, mit dem die Betriebssicherheit des Turboladers bei Erreichen der Pumpgrenze des Turboladers erhöht ist.task It is the object of the present invention to provide a method and an arrangement to indicate the operation of a turbocharger, with the reliability of the turbocharger is increased upon reaching the surge line of the turbocharger.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 7 gelöst.The Task is according to the invention with the features of claim 1 and claim 7 solved.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Turboladers einer Brennkraftmaschine wird ein Signal eines Luftmassensensors im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine zum Erkennen einer Pumpgrenze eines Verdichters des Turboladers ausgewertet. Es ist kein zusätzlicher Sensor notwendig, sondern es kann der übliche Luftmassensensor zur Fehlerdetektion verwendet werden. Ferner entfällt eine aufwändige Fehlerdetektionsschaltung, da eine einfache Modifikation eines üblichen Motorsteuergeräts ausreichend ist, um den Fehlerzustand zu erkennen und geeignete Maßnahmen zum Schutz des Turboladers einzuleiten. Die Fehlererkennung ist schnell und sicher. Eine unerwünschte Beeinträchtigung des Laufverhaltens der Brennkraftmaschine wie Ruckeln, laute Geräusche, Durchschlagen der Motorlagerung durch starken Lastwechsel, werden durch Schutzmaßnahmen sicher vermieden und Schäden am Turbolader und auch an der Brennkraftmaschine verhindert.at the method according to the invention for operating a turbocharger of an internal combustion engine is a Signal of an air mass sensor in the intake pipe of the internal combustion engine evaluated to detect a surge line of a compressor of the turbocharger. It is not an additional one Sensor necessary, but it can be the usual air mass sensor for Error detection can be used. Furthermore, a complex error detection circuit is eliminated, as a simple modification of a conventional engine control unit is sufficient is to detect the fault condition and appropriate action to protect the turbocharger. Error detection is fast and sure. An undesirable impairment the running behavior of the internal combustion engine such as jerking, loud noises, strike through The engine storage due to heavy load changes, are protected by protective measures safely avoided and damage on the turbocharger and also on the internal combustion engine prevented.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in subclaims.

Vorzugsweise wird als Pumpgrenze des Verdichters bewertet, wenn ein Oszillieren des Signals des Luftmassensensors um einen Mittelwert beobachtet wird, das größer ist als ein übliches Rauschen des Signals. Bei einem Einsetzen des Verdichterpumpens, d.h. bei Erreichen oder Unterschreiten der Pumpgrenze gibt es wegen der zusammenbrechenden und sich wieder aufbauenden Luftsäule im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine starke Änderungen im Signal des üblichen Luftmassensensors. Vorzugsweise ist der Luftmassensensor ein so genannter Heißfilm-Luftmassensensor. Mit einer entsprechenden Ergänzung einer Software des Motorsteuergeräts kann dieser Zustand sicher vom Motorsteuergerät erkannt werden. Günstig wird dabei als Fehlerzustand erkannt, wenn die Amplitude des Signals um mindestens 50% größer ist als das Rauschen des Signals, bevorzugt größer als 100% des Rauschens.Preferably is rated as the pumping limit of the compressor when oscillating the signal of the air mass sensor is observed around an average value that's bigger as a usual Noise of the signal. At an onset of compressor pumping, i.e. when reaching or falling below the surge limit, there are the collapsing and reconstructing column of air in the intake manifold the internal combustion engine changes greatly in the signal of the usual Air mass sensor. Preferably, the air mass sensor is one called hot film air mass sensor. With an appropriate supplement Software of the engine control unit, this state can be safe from the engine control unit be recognized. Cheap is recognized as an error condition when the amplitude of the signal is at least 50% larger as the noise of the signal, preferably greater than 100% of the noise.

Es ist vorteilhaft, bei Erkennen der Pumpgrenze Schutzmaßnahmen zum Schutz des Turboladers einzuleiten. Ein günstige Maßnahme besteht darin, den Ladedruck des Turboladers zu reduzieren, bis wieder ein normaler Betrieb möglich ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einspritzmenge von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine reduziert werden. Eine Überlastung des Turboladers, insbesondere seiner Wellenlagerung, wird vermieden.It is advantageous in detecting the surge limit protective measures to protect the turbocharger. A favorable measure is the boost pressure reduce the turbocharger until normal operation is possible again. Alternatively or in addition can inject an amount of fuel into the internal combustion engine be reduced. An overload the turbocharger, in particular its shaft bearing is avoided.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben eines Turboladers einer Brennkraftmaschine sieht vor, dass ein Signal eines Luftmassensensors im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine zum Erkennen einer Pumpgrenze eines Verdichters des Turboladers auswertbar ist. Bevorzugt ist ein Motorsteuergerät zur Erkennung des Fehlerzustands durch Beobachten des Signals des Luftmassensensors ausgelegt. Vorzugsweise ist ein Mittel vorgesehen, um bei Erreichen oder Unterschreiten der Pumpgrenze einen Ladedruck des Turboladers und/oder eine Einspritzmenge von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine zu reduzieren. Es sind keine zusätzlichen Bauteile nötig, sondern es kann mit üblicherweise bereits vorhandenen Komponenten, nämlich einem Luftmassensensor, der bei einer Lambdaregelung obligatorisch ist und einem Motorsteuergerät, das geeignet angepasst ist, insbesondere dessen Software an die Messaufgabe adaptiert ist, ein sicherer Betrieb des Turboladers auch an der Pumpgrenze ermöglicht werden.The inventive device to carry out the method of operating a turbocharger of an internal combustion engine provides that a signal of an air mass sensor in the intake manifold the internal combustion engine for detecting a surge line of a compressor the turbocharger is evaluable. Preferred is an engine control unit for detection the fault condition by observing the signal of the air mass sensor designed. Preferably, a means is provided for upon reaching or below the pumping limit a boost pressure of the turbocharger and / or an injection amount of fuel in the internal combustion engine to reduce. There are no additional ones Components needed, but it can be done with usually already existing components, namely an air mass sensor, which is mandatory in a lambda control and an engine control unit, the appropriate is adapted, in particular its software adapted to the measurement task is a safe operation of the turbocharger also at the surge line allows become.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigenFurther Embodiments and aspects of the invention will be independent of a summary in the claims without limitation of the Generality explained in more detail below with reference to a drawing. there demonstrate

1a, b; ein Sensorsignal im Betriebszustand „Verdichterpumpen" des Turboladers (a) und ein Sensorsignal im Normalbetrieb (b); 1a , b; a sensor signal in the operating state "compressor pumps" of the turbocharger (a) and a sensor signal in normal operation (b);

2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung mit einem Luftmassensensor. 2 a schematic representation of a preferred arrangement with an air mass sensor.

1a, b verdeutlicht den unterschiedlichen Verlauf eines Signals SLMS eines Luftmassensensors im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine im Normalbetrieb (1b) und im Zustand Verdichterpumpen (1a), bei dem es zum Strömungsabriss an einem Verdichter eines Turboladers kommt. Im Normalbetrieb schwankt das Signal SLMS mit üblichem Rauschpegel um einen dem aktuellen Luftmassenwert entsprechenden Mittelwert. Sobald die Pumpgrenze des Verdichters erreicht wird, ändert sich das Verhalten des Signals SLMS signifikant. Es setzt eine schnelle Oszillation um den Signalwert ein, wobei die Oszillationsamplitude deutlich gegenüber dem üblichen Rauschpegel erhöht ist, insbesondere beträgt sie ein Mehrfaches des Rauschens. 1a , b illustrates the different course of a signal S LMS of an air mass sensor in the intake pipe of an internal combustion engine in normal operation ( 1b ) and in the state of compressor pumps ( 1a ), in which there is a stall in a compressor of a turbocharger. In normal operation, the normal noise level signal S LMS fluctuates around a mean value corresponding to the current air mass value. As soon as the surge limit of the compressor is reached, the behavior of the signal S LMS changes significantly. It uses a fast oscillation around the signal value, the oscillation amplitude being increased significantly compared to the usual noise level, in particular it is a multiple of the noise.

Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist aus 2 ersichtlich. Im Ausführungsbeispiel wird von einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken 1, 2 ausgegangen. Selbstverständlich kann auch nur eine Zylinderbank vorgesehen sein. Jeder dieser beiden Zylinderbänke 1, 2 ist mit einem Turbolader 3 und 4 ausgestattet. Der Turbolader 3 weist eine Turbine 5 im Abgaskanal der ersten Zylinderbank 1 und einen damit gekoppelten Verdichter 6 im Ansaugtrakt auf. In gleicher Weise ist eine Turbine 7 des zweiten Turboladers 4 im Abgaskanal einer zweiten Zylinderbank 2 und ein damit gekoppelter Verdichter 7 im Ansaugtrakt angeordnet. Die Turbinen 5 und 7 der beiden Turbolader 3, 4 sind jeweils in bekannter Weise mit einem Bypass-Ventil 9 und 10 ausgestattet, über die die Möglichkeit besteht, den von jedem Turbolader 3, 4 erzeugten Ladedruck auf einen gewünschten Wert zu regeln. Die Verdichter 6 und 8 der beiden Turbolader 3 und 4 speisen ihre Ladeluft in einen gemeinsamen Ansaugkanal 11 ein, in dem sich eine übliche Drosselklappe 12 und ein üblicher Luftdrucksensor 13 für die Messung des Ladedrucks befinden. Am Ausgang der Drosselklappe 12 verzweigt sich der Ansaugkanal 11 auf die beiden Zylinderbänke 1 und 2. Der Ladedruck der beiden Turbolader 3 und 4 lässt sich anstelle der Bypass-Ventile 9 und 10 auch über die Geometrie der Turbinen 5 und 7 regeln. In einem Ansaugrohr 15 der Brennkraftmaschine ist ein Luftmassensensor 16 angeordnet, der Messdaten für eine nicht dargestellte Lambdaregelung liefert. Ferner werden Signale SLMS des Luftmassensensors 16 an ein vereinfacht dargestelltes Motorsteuergerät 14 geliefert, welches unter Berücksichtigung weiterer nicht näher dargestellter Eingangsgrößen den Betrieb der Brennkraftmaschine steuert. Wird ein signifikantes Signal des Luftmassensensors 16 entsprechend 1a detektiert, erkennt das Motorsteuergerät 14 das Erreichen bzw. Unterschreiten der Pumpgrenze des oder der Verdichter 6, 8. Das Motorsteuergerät 14, insbesondere dessen Software, ist zur Erkennung des Fehlerzustands aus dem Signal SLMS des Luftmassensensors 16 ausgelegt und kann bei Erkennen der Pumpgrenze Schutzmaßnahmen zum Schutz der beiden Turbolader 3 und 4 einleiten, indem beispielsweise der Ladedruck und/oder eine Einspritzmenge von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine reduziert wird, bis ein normaler Betrieb wieder möglich ist. Dazu kann ein Drehzahlsignal beobachtet werden und, sobald eine kritische Drehzahlgrenze überschritten ist, wieder auf Normalbetrieb umgeschaltet werden und/oder es kann auch die reduzierte Größe, Ladedruck und/oder Einspritzmenge, angehoben werden und die Signalantwort des Luftmassensensors 16 überprüft werden. Tritt eine das Verdichterpumpen anzeigende Signalform nicht auf, kann die reduzierte Größe bis zum Normalwert angehoben werden. Dies kann auch in mehreren Schritten erfolgen.A preferred arrangement for carrying out the method is made of 2 seen. In the embodiment of an internal combustion engine with two cylinder banks 1 . 2 went out. Of course, only one cylinder bank can be provided. Each of these two cylinder banks 1 . 2 is with a turbocharger 3 and 4 fitted. The turbocharger 3 has a turbine 5 in the exhaust duct of the first cylinder bank 1 and a compressor coupled thereto 6 in the intake tract. In the same way is a turbine 7 of the second turbocharger 4 in the exhaust passage of a second cylinder bank 2 and a compressor coupled thereto 7 arranged in the intake tract. The turbines 5 and 7 the two turbochargers 3 . 4 are each in a known manner with a bypass valve 9 and 10 equipped with the possibility of each turbocharger 3 . 4 generated boost pressure to a desired value. The compressors 6 and 8th the two turbochargers 3 and 4 feed their charge air into a common intake duct 11 one in which is a usual throttle 12 and a common air pressure sensor 13 for measuring the boost pressure. At the exit of the throttle 12 branches the intake duct 11 on the two cylinder banks 1 and 2 , The boost pressure of the two turbochargers 3 and 4 can be used instead of the bypass valves 9 and 10 also about the geometry of the turbines 5 and 7 regulate. In an intake pipe 15 the internal combustion engine is an air mass sensor 16 arranged, which provides measurement data for a lambda control, not shown. Further, signals S LMS of the air mass sensor 16 to a simplified illustrated engine control unit 14 delivered, which controls the operation of the internal combustion engine, taking into account further input variables not shown. Will be a significant signal from the air mass sensor 16 corresponding 1a detected detects the engine control unit 14 reaching or falling below the surge limit of the compressor or compressors 6 . 8th , The engine control unit 14 , in particular its software, is for detecting the error state from the signal S LMS of the air mass sensor 16 Designed to protect the two turbochargers when detecting the surge limit 3 and 4 initiate by, for example, the boost pressure and / or an injection quantity of fuel is reduced in the internal combustion engine until normal operation is possible again. For this purpose, a speed signal can be observed and, as soon as a critical speed limit is exceeded, are switched back to normal operation and / or it can also be the reduced size, boost pressure and / or injection quantity, raised and the signal response of the air mass sensor 16 be checked. If a waveform indicating compressor pumping does not occur, the reduced size can be raised to normal. This can also be done in several steps.

Claims (11)

Verfahren zum Betreiben eines Turboladers (3, 4) einer Brennkraftmaschine, wobei ein Signal eines Sensors (16) zum Erkennen eines Fehlerzustands des Turboladers (3, 4) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal (SLMS) eines Luftmassensensors (16) im Ansaugrohr (15) der Brennkraftmaschine zum Erkennen einer Pumpgrenze eines Verdichters (6, 8) des Turboladers (3, 4) ausgewertet wird.Method for operating a turbocharger ( 3 . 4 ) of an internal combustion engine, wherein a signal of a sensor ( 16 ) for detecting a fault condition of the turbocharger ( 3 . 4 ), characterized in that a signal (S LMS ) of an air mass sensor ( 16 ) in the intake pipe ( 15 ) of the internal combustion engine for detecting a surge limit of a compressor ( 6 . 8th ) of the turbocharger ( 3 . 4 ) is evaluated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumpgrenze des Verdichters (6, 8) bewertet wird, wenn ein Oszillieren des Signals (SLMS) des Luftmassensensors (16) um einen Mittelwert beobachtet wird, das größer ist als ein Rauschen des Signals (SLMS)A method according to claim 1, characterized in that as the surge limit of the compressor ( 6 . 8th ) is evaluated when an oscillation of the signal (S LMS ) of the air mass sensor ( 16 ) is observed around a mean greater than a noise of the signal (S LMS ) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fehlerzustand erkannt wird, wenn die Amplitude des Signals (SLMS) um mindestens 50% größer ist als das Rauschen des Signals (SLMS)A method according to claim 2, characterized in that is recognized as a fault condition, when the amplitude of the signal (S LMS ) is greater by at least 50% than the noise of the signal (S LMS ) Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen der Pumpgrenze Schutzmaßnahmen zum Schutz des Turboladers (3, 4) eingeleitet werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that upon detection of the surge limit protective measures for the protection of the turbocharger ( 3 . 4 ) be initiated. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck des Turboladers (3, 4) reduziert wird.A method according to claim 4, characterized in that the boost pressure of the turbocharger ( 3 . 4 ) is reduced. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzmenge von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine reduziert wird.Method according to claim 4 or 5, characterized that an injection quantity of fuel into the internal combustion engine is reduced. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens um Betreiben eines Turboladers (3, 4) einer Brennkraftmaschine, wobei ein Signal eines Sensors (16) zum Erkennen eines Fehlerzustands des Turboladers (3, 4) auswertbar ist, nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal eines Luftmassensensors (16) im Ansaugrohr (15) der Brennkraftmaschine zum Erkennen einer Pumpgrenze eines Verdichters (6, 8) des Turboladers (3, 4) auswertbar ist.Device for carrying out the method for operating a turbocharger ( 3 . 4 ) of an internal combustion engine, wherein a signal of a sensor ( 16 ) for detecting a fault condition of the turbocharger ( 3 . 4 ) is evaluable, according to at least one of the preceding claims, characterized in that a signal of an air mass sensor ( 16 ) in the intake pipe ( 15 ) of the internal combustion engine for detecting a surge limit of a compressor ( 6 . 8th ) of the turbocharger ( 3 . 4 ) is evaluable. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorsteuergerät (14) zur Erkennung des Fehlerzustands aus einem Signal (SLMS) des Luftmassensensors (16) ausgelegt ist.Apparatus according to claim 7, characterized in that an engine control unit ( 14 ) for detecting the error state from a signal (S LMS ) of the air mass sensor ( 16 ) is designed. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel vorgesehen ist, um bei Erreichen oder Unterschreiten der Pumpgrenze einen Ladedruck des Turboladers (3, 4) zu reduzieren.Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that a means is provided for upon reaching or falling below the surge line a boost pressure of the turbocharger ( 3 . 4 ) to reduce. Vorrichtung nach zumindest einem der Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel vorgesehen ist, um bei Erreichen oder Unterschreiten der Pumpgrenze eine Einspritzmenge von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine zu reduzieren.Device according to at least one of claim 7 to 9, characterized in that a means is provided to upon reaching or falling below the surge limit an injection quantity to reduce fuel into the internal combustion engine. Brennkraftmaschine mit einem Luftmassensensor (16), dessen Signal zum Erkennen der Pumpgrenze eines Verdichters (5, 7) eines Turboladers (3, 4) verwendet ist.Internal combustion engine with an air mass sensor ( 16 ) whose signal for detecting the surge limit of a compressor ( 5 . 7 ) of a turbocharger ( 3 . 4 ) is used.
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