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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks vor dem Verdichter eines Turboladers sowie des Umgebungsdrucks, wobei diese Drücke weiter zu einer Diagnose der Verschmutzung eines Luftfilters genutzt werden können.
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Im Allgemeinen weisen Turbolader eine Abgasturbine auf, die in einem Abgasstrom angeordnet ist und über eine Rotorwelle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Im Betrieb treibt der Abgasstrom, der durch einen Abgaskrümmer in das Turbinengehäuse der Turbine geleitet wird, deren Turbinenrad an. Das Turbinenrad treibt wiederum das Verdichterrad an, wo durch den Verdichter der Druck im Ansaugtrakt des Motors erhöht wird. Während des Ansaugtaktes gelangt daher eine größere Menge Luft in den Zylinder. Dies führt dazu, dass mehr Sauerstoff zur Verfügung steht und eine entsprechend größere Kraftstoffmenge verbrannt werden kann. Dadurch kann die Leistungsabgabe des Motors erhöht werden.
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Der Verdichter des Abgasturboladers zeichnet sich normalerweise durch ein Kennfeld aus, in welchem sich bei gewissen Turboladerdrehzahlen und Massenströmen ein eindeutig zuzuordnender Druck erzeugen lässt. Dieses Kennfeld wird bei großen Massenströmen durch die sog. Stopfgrenze limitiert. Bei kleinen Massenströmen wird das Kennfeld wiederum durch die sog. Pumpgrenze limitiert.
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Somit lässt sich, ausgehend von einem bestimmten Massenstrom und einer bestimmten Turbolader-Rotordrehzahl, ein eindeutiges Druckverhältnis PQ zuordnen. Dieses Druckverhältnis PQ ist eine dimensionslose Größe und ist definiert durch das Verhältnis P2, d. h. dem Druck nach dem Verdichter, zu P1, d. h. dem vor dem Verdichter.
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Der Druck P1 und der Druck P2 werden nicht direkt über Sensoren bestimmt, sondern müssen berechnet werden. Da die Luftmasse bekannt ist, die in den Motor fließt, und somit auch durch den Ladeluftkühler, ist es einfach den Druckverlust über diesen zu berechnen. Der Druckverlust über den Luftfilter ist jedoch sehr stark von dessen Verschmutzung abhängig, so dass eine genaue Bestimmung des Drucks direkt vor dem Verdichter nicht zuverlässig möglich ist.
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Die
EP 1 323 927 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung von Druckstößen in einem Kompressor eines Turboladers, wobei der Druck nach dem Verdichter und ein Druckverhältnis aus den Druck nach dem Verdichter und dem Druck vor dem Verdichter ermittelt und daraus der Druck vor dem Verdichter bestimmt wird.
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Aus der
US 2008/0149077 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader bekannt, in dem ein Umgebungsdruck oder Ladedruck stromab und stromauf des Kompressors mittels der Turboladerdrehzahl ermittelt wird.
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Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung bereitzustellen, mit der der Druck (P1) vor dem Verdichter eines Turboladers zur Ermittlung des Verschmutzungsgrades eines Luftfilters, vor dem Verdichter des Turboladers angeordnet ist, zuverlässiger bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks vor dem Verdichter eines Turboladers, zur Ermittlung des Verschmutzungsgrades eines Luftfilters, welcher vor dem Verdichter (16) des Turboladers angeordnet ist, bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- – Bestimmen des Drucks nach dem Verdichter, wobei der Druck nach dem Verdichter in Abhängigkeit von dem Druck vor der Drosselklappe und dem Druckabfall über den Ladeluftkühler bestimmt wird,
- – Bestimmen eines Druckverhältnisses aus dem Druck nach dem Verdichter geteilt durch den Druck vor dem Verdichter anhand der Drehzahl des Turboladers und einem Luftmassenstrom,
- – Berechnen des Drucks vor dem Verdichter aus dem Druckverhältnis und dem Druck nach dem Verdichter,
- – Bestimmen eines Druckabfalls an einem Luftfilter, wobei der Druckabfall an dem Luftfilter aus der Differenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck vor dem Verdichter bestimmt wird, und
- – Bestimmung des Verschmutzungsgrades des Luftfilters aus dem Druckabfall.
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In der erfindungsgemäßen Ausführungsform kann eine Auswerteeinrichtung zusätzlich einen Druckabfall an einem Luftfilter bestimmen unter Verwendung des zuvor bestimmten Drucks P1 vor dem Verdichter und des Umgebungsdrucks. Auf diese Weise kann verhältnismäßig gut der Verschmutzungsgrad des Luftfilters bestimmt werden und z. B. ermittelt werden, ob dieser gewechselt werden muss oder nicht.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Druck P1 vor dem Verdichter einfacher und genauer bestimmt werden kann, indem der Druck mittels der Drehzahl des Turboladers und des Luftmassenstroms, der in den Motor fließt und damit über den Ladeluftkühler, bestimmt wird. Dabei können beispielsweise die Signale eines bereits vorhandenen Drehzahlsensors genutzt werden. Des Weiteren kann der Druck vor dem Verdichter darüber hinaus dazu genutzt werden, den Verschmutzungsgrad eines Luftfilters zu diagnostizieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bestimmt eine Druckverhältnis-Bestimmungseinrichtung das Druckverhältnis (PQ) anhand eines Verdichterkennfelds, welches in einer Speichereinrichtung beispielsweise der Motorsteuerung abgespeichert ist. In dem Verdichterkennfeld ist beispielsweise für verschiedene Drehzahlen des Turboladers in Abhängigkeit von dem Luftmassenstrom der in den Motor fließt das Druckverhältnis PQ vorgegeben. Auf diese Weise kann sehr einfach das Druckverhältnis ermittelt werden und daraus anschließend der Druck vor dem Verdichter berechnet werden.
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In einer anderen Ausführungsform weist eine Druckbestimmungseinrichtung zur Bestimmung des Drucks P2 nach dem Verdichter einen Luftmengenmesser auf. Der Luftmengenmesser ist dabei zwischen einem Verdichter des Turboladers und einem Luftfilter angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Luftmassenstrom, der in den Motor fließt bzw. durch den Ladeluftkühler, in Abhängigkeit von einem Saugrohrdruck, einer Motordrehzahl und/oder einem Schluckgrad bzw. einem Wert für die Menge an Luft im Zylinder bei dem entsprechenden Saugrohrdruck bestimmt. Der Saugrohrdruck wird dabei z. B. mittels einem Drucksensor im Saugrohr bestimmt. Zur Bestimmung der Drehzahl des Turboladers kann ein Drehzahlsensor z. B. am Rotor des Turboladers vorgesehen werden. Die Werte für verschiedene Schluckgraden können wiederum in einer Speichereinrichtung, beispielsweise der Motorsteuerung abgelegt sein. Dabei kann bei der Bestimmung des Luftmassenstroms vorzugsweise auf Signale der bereits vorhandenen Sensoren zurückgegriffen werden, so dass auf die Anordnung zusätzlicher Sensoren verzichtet werden kann, um den Luftmassenstrom zu bestimmen.
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In einer anderen Ausführungsform bestimmt die Druckbestimmungseinrichtung den Druck P2 nach dem Verdichter beispielsweise in Abhängigkeit von dem Druck vor der Drosselklappe und dem Druckabfall über den Ladeluftkühler. Der Druck vor der Drosselklappe kann beispielsweise über einen entsprechenden, vorzugsweise bereits vorhandenen, Drucksensor vor der Drosselklappe bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein Ladedrucksensor und/oder ein Saugrohrdrucksensor genutzt werden, um den Umgebungsdruck zu bestimmen. Dabei wird der Umgebungsdruck kurz nach dem Starten des Motors bestimmt, da angenommen werden kann, dass das Fahrzeug sich dann im Wesentlichen noch auf der selben Höhe befindet. Auf diese Weise kann ebenfalls ein bereits vorhandener Sensor genutzt werden, was zusätzliche Kosten einspart.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Auswerteeinrichtung bei einem Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes für den Druckabfall in Abhängigkeit des Volumenstroms, ein Auswechseln des Luftfilters bestimmen, wobei beispielsweise ein Signal zum Auswechseln des Luftfilters an den Fahrzeugführer ausgebbar ist und/oder eine Information, dass der Luftfilter auszuwechseln ist beispielsweise in der Motorsteuerung abrufbar abgespeichert werden. Der Grenzwert für den Druckabfall gibt dabei an, ab wann der Luftfilter ausgewechselt werden sollte.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Auswerteeinrichtung, die Druckbestimmungseinrichtung und/oder die Druckverhältnis-Bestimmungseinrichtung oder zumindest ein Teil davon Teil der Motorsteuerung oder mit dieser zumindest koppelbar. So können beispielsweise einzelne Teile der zuvor genannten Einrichtungen, wie z. B. Sensoren usw., direkt an der Motorsteuerung vorgesehen sein oder mit dieser verbunden sein, wie z. B. der Luftmengenmesser, der Drehzahlsensor, der Ladedrucksensor, der Saugrohrdrucksensor usw., um von der Auswerteeinrichtung, der Druckbestimmungseinrichtung bzw. der Druckverhältnis-Bestimmungseinrichtung, die Teil der Motorsteuerung sind, ausgewertet zu werden. Entsprechendes gilt auch für die Speichereinrichtungen zum Abspeichern von Verdichterkennfeldern und Schluckgraden. Diese Speichereinrichtungen können ebenfalls ein Teil der Motorsteuerung sein oder mit dieser koppelbar sein, um von der jeweiligen zuvor genannten Einrichtung abgerufen und ausgewertet zu werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Diagramm in welchem ein Verdichterkennfeld eines Turboladers dargestellt ist;
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2 eine schematische Darstellung des Ansaugtraktes eines Fahrzeugs mit einem Turbolader;
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3 ein Diagramm zur Bestimmung des Drucks (P1) vor dem Verdichter eines Turboladers; und
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4 ein Diagramm zur Diagnose des Grads der Verschmutzung eines Luftfilters eines Motors;
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In 1 ist zunächst ein Diagramm eines Verdichterkennfeldes eines Turboladers dargestellt. In dem Diagramm sind verschiedene Drehzahllinien in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis PQ = P2/P1 am Verdichter und dem Massenstrom am Verdichter angegeben. Das Kennfeld wird dabei, wie zuvor beschrieben, einmal durch die sog. Stopfgrenze und einmal durch die sog. Pumpgrenze begrenzt. Ein solches Verdichterkennfeld, kann wie nachfolgend näher beschrieben wird, zur Bestimmung des Drucks P1 vor dem Verdichter verwendet werden.
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2 zeigt des Weiteren eine Anordnung von Komponenten und Sensoren in einer Frischluftzuführung für einen Motor, wie sie in heutigen Fahrzeugen häufig zu finden ist.
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Die Luft für die Verbrennung wird normalerweise aus der Umgebung angesaugt. Anschließend wird diese durch einen Luftfilter 14 geleitet, um die Luft von Verschmutzungen zu reinigen. Dahinter ist häufig ein Luftmengenmesser 20 angeordnet, zur Erfassung des Luftmassenstroms. Wenn der Verbrennungsmotor 10 mit einem Turbolader ausgerüstet ist, fließt die Ansaugluft anschließend zunächst durch den Verdichter 16 des Turboladers.
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Der Druck vor dem Verdichter 16 wird hierbei als der Druck P1 bezeichnet und der Druck hinter dem Verdichter 16 als der Druck P2. Durch das Komprimieren wird die Luft erwärmt. Daher wird die Luft nach dem Verdichter 16 normalerweise durch einen nach geordneten Ladeluftkühler 12 geleitet. Wenn der Motor 10 aufgeladen ist, so ist er in der Regel auch mit einem Ladedrucksensor 22 ausgestattet. Dieser liegt im Allgemeinen kurz vor der Drosselklappe 24. Hinter der Drosselklappe 24 ist ein Saugrohr 26 angeordnet, durch das der Luftmassenstrom in den Motor 10 gesaugt wird. In dem Saugrohr 26 ist meist ebenfalls ein Drucksensor 28 verbaut. Je nach Konfiguration verfügt ein Motor 10 meist entweder über einen Luftmengenmesser 20, der beispielsweise nach dem Luftfilter 14 angeordnet ist, oder über einen Saugrohrdrucksensor 28. In einigen wenigen Fällen sind auch beide Sensoren verbaut.
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An einigen Turboladern ist ebenfalls ein Sensor verbaut, mit dem die Drehzahl des Rotors bzw. der Rotorwelle direkt gemessen werden kann. Der Umgebungsdruck wird meist durch einen weiteren Drucksensor ermittelt. Ein solcher Drucksensor ist häufig direkt auf der Platine des Motorsteuergeräts angebracht.
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Im Folgenden soll nun näher auf den Fall eingegangen werden, wenn der Abgasturbolader mit einem Drehzahlsensor für den Rotor bzw. die Rotorwelle ausgestattet ist.
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Wie in 2 zu sehen ist, wird der Druck P1 und der Druck P2 nicht direkt durch die Sensoren bestimmt, sondern muss erst berechnet werden. Da die Luftmasse bekannt ist, die in den Motor 10 fließt, und somit auch durch den Ladeluftkühler 12, ist es einfach den Druckverlust über den Luftmassenstrom zu berechnen.
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Der Druckverlust über den Luftfilter 14 ist wiederum, wie zuvor beschrieben, stark von der Verschmutzung desselben abhängig. Eine genaue Bestimmung des Drucks direkt vor dem Verdichter 16, d. h. des Drucks P1, ist somit nicht zuverlässig möglich.
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Aus dem Stand der Technik ist bisher bekannt, dass der Luftfilter 14 unabhängig von dem Verschmutzungsgrad nach einer gewissen Laufleistung oder einer gewissen Zeit im Rahmen der Inspektion von Werkstätten ausgetauscht wird.
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Gemäß der Erfindung wird nun die Drehzahl des Abgasturboladers und die Luftmasse verwendet, um den Druck P1, d. h. den Druck vor dem Verdichter 16 zu berechnen. Der Druck P1 vor dem Verdichter 16 kann nun weiter genutzt werden für eine Diagnose, beispielsweise eine Diagnose des Verschmutzungsgrads des Luftfilters 14. Indem der Verschmutzungsgrad des Luftfilters 14 bestimmt werden kann, können die Wechsel-Intervalle des Luftfilters 14 beispielsweise länger gewählt werden bzw. der Luftfilter 14 kann kleiner ausgelegt werden und wird dadurch kostengünstiger. Des Weiteren kann auf einen Sensor zur Messung des Umgebungsdrucks verzichtet werden, was zu einer zusätzlichen Kostenersparnis führt.
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Bisher wurde ein Sensor für die Drehzahl 18 des Abgasturboladers meist nicht verbaut. Aus unterschiedlichen Gründen ist in Zukunft damit zu rechnen, dass ein solcher Turbolader-Drehzahlsensor 18 verbaut wird, beispielsweise um den Abgasturbolader zu diagnostizieren oder um ihn vor Überdrehzahlen zu schützen.
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Gemäß der Erfindung kann daher entweder ein Turbolader-Drehzahlsensor 18 zusätzlich vorgesehen werden, wenn es bisher in einem Fahrzeug keinen entsprechenden gab. Alternativ kann auch ein bereits vorhandener Drehzahlsensor genutzt werden, beispielsweise um eine Diagnose eines anderen Bauteils durchzuführen oder einen anderen Sensor überflüssig zu machen, so dass dieser entfallen kann.
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Wie in 3 in einem Diagramm vereinfacht dargestellt ist, wird zur Bestimmung des Drucks P1 vor dem Verdichter zunächst der Druckverhältnis PQ = P1/P2 bestimmt. Der Druckverhältnis PQ wird dabei beispielsweise durch die Drehzahl des Abgasturboladers und die Luftmasse bzw. den Luftmassenstrom bestimmt. Hierzu können beispielsweise ein oder mehrere Kennfelder, zum Beispiel in der Motorsteuerung oder einer mit der Motorsteuerung gekoppelten Speichereinrichtung abgespeichert sein. Anhand eines solchen Kennfeldes, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist, kann mittels der Drehzahl des Abgasturboladers und dem Luftmassenstrom der Druckverhältnis PQ bestimmt werden.
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Zur Bestimmung der Luftmenge haben sich zwei Verfahren etabliert:
In einem ersten Verfahren wird die Luftmenge durch den Luftmengenmesser direkt gemessen. In einem zweiten, alternativen Verfahren kann die Luftmenge, die in den Motor geht, aus dem Saugrohrdruck, der Motordrehzahl und dem sog. ”Schluckgrad” berechnet werden. Die Schluckgrade bilden dabei Erfahrungswerte die in entsprechenden Versuchen ermittelt werden können, die besagen bei welchem Druck im Saugrohr sich ungefähr wieviel Luft im Zylinder befindet.
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Die Drehzahl des Turboladers lässt sich beispielsweise über einen vorhandenen Drehzahlsensor bestimmen. Ist kein Drehzahlsensor bereits vorhanden dessen Signale genutzt werden können, so kann ein zusätzlicher Drehzahlsensor vorgesehen werden.
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Neben dem Druckverhältnis PQ wird zur Bestimmung des Drucks P1 vor dem Verdichter zunächst der Druck P2 nach dem Verdichter bestimmt.
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Der Druck P2 hinter dem Verdichter lässt sich dabei zuverlässig bestimmen durch den Ladedruck-Sensor vor der Drosselklappe und der Möglichkeit den Druckverlust über den Ladeluftkühler zuverlässig zu berechnen. Genauer gesagt, lässt sich der Druck P2 hinter dem Verdichter beispielsweise mittels der folgenden Gleichung bestimmen: P2 = PUT + ΔP = PUT + (C·(V .)2)
- PUT
- = Druck vor der Drosselklappe
- ΔP
- = Druckabfall über den Ladeluftkühler
- C
- = Koeffizient für den Druckverlust
- V .
- = Luftvolumenstrom
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Nachdem der Druckverhältnis PQ bekannt ist bzw. ermittelt wurde und außerdem der Druck P2 nach dem Verdichter bekannt ist, lässt sich sehr einfach der Druck P1 vor dem Verdichter berechnen. Dabei gilt: PQ = P2/P1 bzw. P1 = P2/PQ
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Wird beispielsweise in einem ersten Schritt der Umgebungsdruck als bekannt angenommen, so lässt sich nun sehr gut der Druckabfall über den Luftfilter und somit dessen Verschmutzungsgrad bestimmen, wie mit Bezug auf 4 näher beschrieben wird.
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Wie in 4 dargestellt ist, wird zur Bestimmung des Verschmutzungsgrads des Luftfilters der Druck P1 vor dem Verdichter bestimmt bzw. herangezogen. Der Druck P1 vor dem Verdichter hängt dabei von dem Luftmassenstrom ab, wie zuvor beschrieben wurde.
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Des Weiteren wird der Umgebungsdruck PUmgebung wie folgt bestimmt, um den Druckabfall PUmgebung – P1 in Abhängigkeit von dem Luftvolumenstrom zu bestimmen und daraus auf den Verschmutzungsgrad des Luftfilters zu schließen.
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Wenn das Steuergerät eingeschaltet wird, so kann direkt im ersten Moment, noch bevor der Motor gestartet wird, der Umgebungsdruck durch den Ladedrucksensor und/oder durch den Saugrohrdrucksensor gemessen werden, da hier bei Motorstillstand ebenfalls Umgebungsdruck vorherrscht. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich der Umgebungsdruck in den ersten Sekunden nach dem Motorstart nicht ändert, da das Fahrzeug sich ja immer noch fast an demselben Ort und damit noch auf derselben Höhe befindet.
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In diesen ersten Sekunden des Motorbetriebs kann beispielsweise nun die oben beschriebene Diagnose über den Verschmutzungsgrad des Luftfilters durchgeführt werden. Der Grad der Verschmutzung und somit auch dessen Drosselverhalten kann für diesen Fahrzyklus zusätzlich gespeichert werden. Auf diese Weise kann nun im weiteren Verlauf der Fahrt der aktuelle Umgebungsdruck berechnet werden.
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Verfügt das Fahrzeug zusätzlich über einen Neigungssensor, was beispielsweise bei Fahrzeugen mit Stop/Start-Automatik häufig der Fall ist, so kann erfasst werden, wenn das Fahrzeug direkt nach dem Start bergauf oder bergab fährt. Somit muss die Diagnose der Beladung des Luftfilters nicht zwingend in den ersten Sekunden nach dem Motorlauf erfolgen. Es kann länger gewartet werden, bis die Diagnose durchgeführt wird, zum Beispiel bis der Motor bei größeren Lasten und höheren Drehzahlen betrieben wurde. Dadurch wirkt sich der Druckabfall über den Luftfilter stärker aus und somit kann der Grad der Verschmutzung auch genauer bestimmt werden.
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Wird dabei festgestellt, dass beispielsweise der Druckabfall am Verdichter sehr hoch ist d. h. PUmgebung – P1 > Grenzwert G (G ist abhängig vom Volumenstrom)
so wird festgestellt, dass der Verschmutzungsgrad zu hoch ist bzw. einen vorbestimmten Grenzwert G überschritten hat. In diesem Fall kann in einem nächsten Schritt beispielsweise eine entsprechende Meldung über ein Informationsdisplay im Fahrzeug an den Fahrer ausgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Meldung beispielsweise im Motorsteuergerät abgelegt werden, die beim nächsten Werkstattbesuch ausgelesen werden kann. Somit kann erzielt werden, dass der Luftfilter nur dann ausgetauscht wird, wenn es wirklich erforderlich ist.
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Wird dagegen festgestellt, dass beispielsweise der Druckabfall am Verdichter innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, bzw. den kritischen Grenzwert G noch nicht erreicht oder überschritten hat d. h. PUmgebung – P1 ≤ Grenzwert G
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So kann festgestellt werden, dass der Luftfilter noch nicht ausgetauscht werden muss.
