DE102016220543B3

DE102016220543B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016220543B3
Application number: DE102016220543.9A
Authority: DE
Inventors: Karthik Neelappanavara; Alexander Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2036-10-21

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters (8) einer Brennkraftmaschine (14), wobei das Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) basierend auf einem Vergleich einer Phaseninformation eines Signals eines ersten Druckaufbaus (ΠSens) und einer Phaseninformation eines zweiten Signals der Brennkraftmaschine (14) erkannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Zur Regelung des Ladedrucks bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren, werden Aufladeeinrichtungen, wie z. B. ein abgasgetriebener Turbolader, oder ein elektrisch betriebener Turboverdichter, verwendet. Unter einem Turboverdichter wird auch ein Turbokompressor verstanden. Bei der Verwendung von Turbomaschinen zur Verdichtung der Frischluft, und insbesondere bei Verwendung von Radialverdichtern oder Axialverdichtern, sind bauteiltypische Einschränkungen des Betriebsbereichs zu beachten. Beispielsweise sinkt der Verdichterwirkungsgrad stark ab, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Luft am Verdichtereinlass die Schallgeschwindigkeit erreicht (Stopfen). Unterschreitet die Strömungsgeschwindigkeit einen bestimmten, bauteil- und betriebspunktabhängigen Wert, kann es am Verdichterauslass (genauer: am Verdichterrad bzw. den Verdichterschaufeln) zu einem Strömungsabriss kommen, was einen plötzlichen Zusammenbruch des vom Turboverdichter erzeugten Druckanstiegs zur Folge hat. Dieser Vorgang kann sich periodisch wiederholen, was zu einem hörbaren Geräusch (Verdichterpumpen) und im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Verdichterrads führen kann. Im Folgenden wird ein Verdichterpumpen auch als Pumpereignis verstanden. Insbesondere ein Strömungsabriss mit Verdichterpumpen ist daher als kritischer Ausnahmezustand des Systems zu betrachten, welcher durch geeignete Maßnahmen verhindert, oder, wenn bereits eingetreten, erkannt werden muss, damit Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Gegenwärtige Verfahren zur Erkennung von Verdichterpumpen basieren auf der Fourieranalyse von Sensorsignalen, die geeignete Information enthalten, z. B. Sensoren zur Messung des Luftmassenstroms, oder Sensoren zur Druckmessung. Da Verdichterpumpen für gewöhnlich in einem engen Frequenzbereich stattfindet (z. B. 5 Hz), ist Fourieranalyse ein geeignetes Verfahren, solange der Turboverdichter quasistationär betrieben wird. Soll die Erkennung auch in nichtstationären Situationen zuverlässig funktionieren (Beispiel: Lastwechsel, hohe Drehzahlgradienten des Verbrennungsmotors und damit hohe Gradienten der den Turboverdichter durchströmenden Luftmasse), ist die Fourieranalyse weniger geeignet, da auch in diesen Situationen – ohne Verdichterpumpen – hohe Amplituden im für Verdichterpumpen charakteristischen Frequenzbereich zu erwarten sind.
Das hier vorgestellte Verfahren geht über eine Fourieranalyse zur Erkennung einer für das Verdichterpumpen charakteristischen Frequenz hinaus, indem es ein physikalisches Modell zur Abbildung des Systemverhaltens verwendet. Es ist daher in der Lage, einen instationären Systemzustand mit Frequenzbeiträgen im für Verdichterpumpen typischen Frequenzbereich von einem Verdichterpumpereignis zu unterscheiden. Weiterhin erlaubt das Verfahren eine Erkennung innerhalb eines Zeitfensters, das erheblich kleiner ist als eine Schwingungsperiode.
Die DE 102 41 892 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Verdichter (5), insbesondere einem Turbolader, das eine Aktualisierung einer Pumpgrenze des Verdichters (5) ermöglicht. Dabei ist ein Druckverhältnis über dem Verdichter (5) in Abhängigkeit eines Massenstroms durch den Verdichter (5) mittels der Pumpgrenze begrenzt, um ein Pumpen des Verdichters (5) zu verhindern. In mindestens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) wird geprüft, ob ein Pumpen des Verdichters (5) auftritt. Die Pumpgrenze wird in Abhängigkeit des Prüfergebnisses korrigiert.
Die DE 10 2012 209 357 A1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose eines Schubumluftventils (64) in einem Motorsystem (1) mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor (2), wobei das Schubumluftventil (64) in einer Schubumluftleitung (63) um einen Verdichter (61) einer Aufladeeinrichtung (6) angeordnet ist, mit folgenden Schritten:

– Erfassen einer Verdichterdrehzahlangabe der Aufladeeinrichtung (6);
– Feststellen einer Fehlfunktion des Schubumluftventils (64), wenn nach einer Ansteuerung des Schubumluftventils (64) zum Öffnen des Schubumluftventils (64), die Verdichterdrehzahlangabe ein Schwingen aufweist.

Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine und ein Computerprogramm auf einem Speichermedium zur Ausführung des Verfahrens.
In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei das Verdichterpumpen des Turboverdichters der Brennkraftmaschine basierend auf einem Vergleich einer Phaseninformation eines Signals eines ersten Druckaufbaus und einer Phaseninformation eines zweiten Signals der Brennkraftmaschine erkannt wird. Das Verfahren hat den Vorteil, dass kein spezielles Frequenzband festgelegt werden muss, da man nur die Phaseninformation der Signale betrachtet. Weiterhin kann somit auch in einem instationären Systemzustand ein Verdichterpumpen erkannt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn das zweite Signal der Brennkraftmaschine ein Signal eines zweiten Druckaufbaus ist, wobei der zweite Druckaufbau in Abhängigkeit eines Luftmassenstroms der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
Dies hat den Vorteil, dass der zweite Druckaufbau in einfacher Weise über den Luftmassenstrom zu ermitteln ist.
Besonders Vorteilhaft ist es, wenn der erste Druckaufbau in Abhängigkeit eines Drucks stromaufwärts des Turboverdichters und eines Drucks stromabwärts des Turboverdichters ermittelt wird. Durch diese Wahl lässt sich der erste Druckaufbau in einfacher Weise ermitteln.
Vorteilhaft ist es, wenn der erste Druckaufbau mittels Sensorwerten und/oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen ermittelt wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der erste Druckaufbau im Falle eines Ausfall eines Sensors, welcher den ersten Druckaufbau direkt bestimmt, auch über einen anderen Sensorwert abgeleitet werden kann. Weiterhin von Vorteil ist, dass somit eine Überwachung bzw. eine Redundanz für das Signal des ersten Druckaufbaus möglich ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Luftmassenstrom mittels eines Heißfilmluftmassensensors oder mittels eines Pressure Based Air Flow Meter Sensors (PFM) ermittelt wird oder aus Sensorwerten und/oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen ermittelt wird. Dies ist von besonderem Vorteil, da somit im Falle eines Ausfall des Luftmassensensors oder des PFM-Sensors über andere Sensoren bzw. Modelle ein Ersatzwert für den ausgefallenen Sensor bereitsteht. Dies ist weiterhin von Vorteil, da mindestens einer dieser Sensoren im vorgeschlagenen System verbaut ist.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der zweite Druckaufbau in Abhängigkeit eines Drehzahlmodells bestimmt wird. Mittels des Drehzahlmodells lässt sich der zweite Druckaufbau besonders einfach in Abhängigkeit des Luftmassenstroms bestimmen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn beim Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellenwerts, durch ein Ergebnis einer Cosinusfunktion einer Phasendifferenz zwischen dem Signal des ersten Druckaufbaus und dem Signal des zweiten Druckaufbaus, ein Verdichterpumpen des Turboverdichters der Brennkraftmaschine erkannt wird. Ein besonderer Vorteil ergibt sich hier dadurch, dass ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters basierend auf einer Phaseninformation der beiden Signale erkannt wird. Störsignale, wie z. B. durch vibrierende Bauteile, z. B. während eines Beschleunigungsvorgangs, haben somit einen geringeren Einfluss auf die Phaseninformation der verwendeten Signale und somit ist das beschriebene Verfahren besonders gut geeignet, ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters zu erkennen.
Weiterhin kann in Abhängigkeit eines Betrags, eines Realteils und eines Imaginärteils des Signals des ersten Druckaufbaus und des Signals des zweiten Druckaufbaus ein Verdichterpumpen erkannt werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Berechnung aus den oben genannten Größen besonders ressourcenschonend als Berechnungsverfahren, z. B. für ein Steuergerät, umgesetzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist auch hier, dass ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters basierend auf einer Phaseninformation der beiden Signale erkannt wird. Störsignale, wie z. B. durch vibrierende Bauteile, z. B. während eines Beschleunigungsvorgangs, haben somit einen geringeren Einfluss auf die Phaseninformation der verwendeten Signale und somit ist das beschriebene Verfahren besonders gut geeignet, ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters zu erkennen.
Wenn das Signal des ersten Druckaufbaus und das Signal des zweiten Druckaufbaus gegenphasig zueinander sind, liegt ein Verdichterpumpen des Turboverdichters vor.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das zweite Signal der Brennkraftmaschine ein Signal eines Luftmassenstroms ist, da mittels des Signals des Luftmassenstroms eine alternative Erkennung des Verdichterpumpens möglich ist und das Signal des Luftmassenstroms aufgrund von bereits vorhandenen Sensoren der Brennkraftmaschine ermittelt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Druckaufbau und der Luftmassenstrom in Abhängigkeit eines qualitativen Verdichtermodells bestimmt werden. Mittels des qualitativen Verdichtermodells lassen sich der Druckaufbau und der Luftmassenstrom in einfacherer Weise und ressourcenschonend, z. B. mittels eines Steuergeräts, bestimmen.
Von Vorteil ist es, wenn beim Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwerts, durch ein Ergebnis einer Cosinusfunktion einer Phasendifferenz zwischen dem Signal des ersten Druckaufbaus und dem Signal des Luftmassenstroms, ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine erkannt wird. Ein besonderer Vorteil ergibt sich hier dadurch, dass ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters basierend auf einer Phaseninformation der beiden Signale erkannt wird. Störsignale, wie z. B. durch vibrierende Bauteile, z. B. während eines Beschleunigungsvorgangs, haben somit einen geringeren Einfluss auf die Phaseninformation der verwendeten Signale und somit ist das beschriebene Verfahren besonders gut geeignet, ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters zu erkennen.
Weiterhin kann in Abhängigkeit eines Betrags und eines Realteils und eines Imaginärteils des Signals des ersten Druckaufbaus und des Signals des Luftmassenstroms ein Verdichterpumpen erkannt werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Berechnung aus den oben genannten Größen besonders ressourcenschonend als Berechnungsverfahren z. B. für ein Steuergerät umgesetzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist auch hier, dass ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters basierend auf einer Phaseninformation der beiden Signale erkannt wird. Störsignale, wie z. B. durch vibrierende Bauteile, z. B. während einem Beschleunigungsvorgang, haben somit einen geringeren Einfluss auf die Phaseninformation der verwendeten Signale und somit ist das beschriebene Verfahren besonders gut geeignet ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters zu erkennen.
Wenn das Signal des ersten Druckaufbaus und das Signal des Luftmassenstroms gleichphasig zueinander sind, liegt ein Verdichterpumpen des Turboverdichters vor.
Vorteilhaft ist es, wenn beim Erkennen eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine eine Diagnose gestartet wird und ein Ergebnis der Diagnose in einem Steuergerät abgespeichert wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn beim Erkennen eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine ein Ersatzwert für die Ansteuerung des Turboladers, oder ein Notlauf für den Turbolader aktiviert wird. Dies hat den Vorteil, dass ungewünschte akustische Geräusche, die während eines Verdichterpumpens durch den Turboverdichter erzeugt werden, verhindert werden können. Zum anderen können periodische Schwingungen des Drucks am Turboverdichter verhindert werden, die im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung des Turboverdichters führen.
In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Zeichnung
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel mittels eines Funktionsdiagramms zur Erläuterung des Verfahrens, zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel mittels eines Funktionsdiagramms zur Erläuterung des Verfahrens, zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters einer Brennkraftmaschine.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennkraftmaschine 14 mit einer Luftanlage 4, über die der Brennkraftmaschine 14 Luft 50 zugeführt wird, und eine Abgasanlage 15, über die in Strömungsrichtung Abgase 51 aus der Brennkraftmaschine 14 abgeführt werden. Die Darstellung ist dabei auf die für die folgende Darstellung relevanten Teile beschränkt.
In der Luftanlage 4 ist in Strömungsrichtung der Luft 50 gesehen Folgendes angeordnet: Ein Luftfilter 1, ein Heißfilmluftmassensensor (HFM) 2, ein Temperatursensor 5, der die Temperatur T_Us der Luft stromaufwärts des Turboverdichters 8 bestimmt, ein Drucksensor 6, welcher den Druck p_Us stromaufwärts des Turboverdichters 8 bestimmt, ein Turboverdichter 8 eines Abgasturboladers 9, ein Drucksensor 10, welcher den Druck p_Ds stromabwärts des Turboverdichters 8 bestimmt, ein Ladeluftkühler 11, ein PFM-Sensor 12 und eine Drosselklappe 13. In einer bevorzugten Ausführungsform ist entweder ein Heißfilmluftmassensensor 2 (HFM) oder ein PFM-Sensor 12 (PFM) im System für das Ermitteln des Luftmassenstroms ṁ verbaut. Weiterhin kann an der Stelle 7 die Dichte ϱ der Luft stromaufwärts des Turboverdichters 8 ermittelt werden. Die beschriebenen Größen können z. B. als Sensorwerte oder aus Sensorwerten abgeleitete Größen oder als Modellwerte vorliegen. Die Berechnung der Modellwerte kann z. B. mit einem Steuergerät 100 erfolgen. Der Druck p_Ds stromabwärts des Turboverdichters 8 wird dabei vorzugsweise zwischen dem Ladeluftkühler 11 und dem Turboverdichter 8 des Abgasturboladers 9 bestimmt. Weiterhin wird der Druck p_Us stromaufwärts des Turboverdichters 8 zwischen dem Heißfilmluftmassensensor (HFM) 2 und dem Turboverdichter 8 des Abgasturboladers 9 bestimmt. Weiterhin kann unter einem Turboverdichter 8 auch ein Verdichter bzw. ein Verdichterrad verstanden werden.
In der Abgasanlage 15 ist ausgehend von der Brennkraftmaschine 14 in Strömungsrichtung des Abgases 51 z. B. Folgendes angeordnet: eine Abgasturbine 16, ein Oxidationskatalysator (DOC) 17, ein Stickoxid-Speicherkatalysator 18, ein Dieselpartikelfilter 19 (DPF) und ein selektives katalytisches Systems 20 mit einem SCR-Katalysator. Alternativ oder zusätzlich kann der Abgasturbolader auch als ein rein elektrischer Turbolader ausgebildet und/oder als elektrischer Zusatzverdichter des Abgasturboladers 9 ausgeführt sein.
Stromaufwärts der Abgasturbine 16 des Abgasturboladers 9, d. h. auf einer Hochdruckseite der Abgasanlage, zweigt von der Abgasanlage 15 eine Abgasrückführleitung 24 ab, die stromaufwärts der Brennkraftmaschine 14 und die stromabwärts der Drosselklappe 13 in die Luftanlage 4 mündet. Stromabwärts der Brennkraftmaschine 14 befinden sich entlang der HD-AGR-Leitung 24 ein HD-AGR-Kühler 22 mit HD-AGR-Bypass 21 und ein HD-AGR-Ventil 23. Die Rückführung von Abgas dient der Verringerung der Emission der Brennkraftmaschine 14.
Entlang der Luftanlage 4 strömt in Strömungsrichtung die Luft 50 in Richtung der Brennkraftmaschine 14. Dabei passiert die Luft 50 einen Verdichter 8, der z. B. als Radialverdichter aufgebaut sein kann. Nach der Verbrennung der angesaugten Luft 50 in der Brennkraftmaschine 14 strömt in Strömungsrichtung das Abgas 51 in Richtung der Abgasturbine 16. Ein Teil des Abgases 51 kann nach der Verbrennung noch über die Abgasrückführung 24 erneut für die Verbrennung der Brennkraftmaschine 14 bereitgestellt werden. Das Abgas 51 durchströmt, nach dem Durchströmen der Abgasturbine 16, mehrere Abgasnachbehandlungssysteme 17, 18, 19 und 20 und tritt am Ende am Auspuff der Brennkraftmaschine 14 aus.
Für die Beschreibung des physikalischen Zusammenhangs des Turboverdichters 8 kann ein sogenanntes Drehzahlmodell verwendet werden. Im weiteren Verlauf wird davon ausgegangen, dass es sich beim betrachteten Turboverdichter 8 um einen Radialverdichter handelt. Das Drehzahlmodell ergibt sich somit zu:
wobei c_p die Wärmekapazität der Luft, T_Us die Temperatur stromaufwärts des Turboverdichters 8, T_Ds die Temperatur stromabwärts des Turboverdichters 8, R die spezifische Gaskonstante, η_Cmpr der betriebspunktabhängige Wirkungsgrad des Turboverdichters 8, ω die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Turboverdichters 8, ṁ der den Turboverdichter 8 durchströmender Luftmassenstrom, ρ die Dichte der Luft stromaufwärts des Turboverdichters 8 und c₀ und c₁ die Geometrie des Turboverdichters 8 charakterisierende Konstanten angeben. Der Druckaufbau Π ist definiert als
als Druck stromabwärts des Turboverdichters 8 und p_Us als der Druck stromaufwärts des Turboverdichters 8. Unter dem Druckaufbau Π wird im Folgenden auch das Druckverhältnis verstanden.
Das Drehzahlmodell stellt eine Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω des Verdichterrads und dem Druckaufbau
her und berücksichtigt dabei auch einen Beitrag proportional zum Luftmassenstrom ṁ. Es handelt sich hierbei um ein einfaches physikalisches Modell, das sich im Wesentlichen aus der Drehimpulsbilanz der beim Durchströmen des Verdichterrads beschleunigten Luftmasse herleiten lässt. Das Drehzahlmodell ist nicht geeignet, einen Strömungsabriss und damit ein Verdichterpumpen korrekt abzubilden. Vielmehr ist das Drehzahlmodell nur innerhalb der Grenzen gültig, die sich aus der Pumpgrenze, der Stopfgrenze und der Grenze der maximalen Verdichterdrehzahl ergeben, dem sogenannten Normalbereich.
Insbesondere außerhalb der Pumpgrenze verliert das oben beschriebene Drehzahlmodell seine Gültigkeit. Dieser Umstand kann für die Erkennung des Verdichterpumpens nutzbar gemacht werden: Gl. (1) zeigt einen Zusammenhang insbesondere zwischen den Größen Druckaufbau Π und Luftmassenstrom ṁ, welche im Falle des Verdichterpumpens eine Signatur dieses Ereignisses tragen. Der Strömungsabriss am Verdichterrad 8 führt zu einem Einbruch oder sogar zu einer Umkehr des Luftmassenstroms ṁ. Da der Motor aber weiterhin die Luftmasse aus dem Volumen zwischen Verdichterausgang und Motoreinlass schluckt, fällt der Druck in diesem Bereich und damit der Druckaufbau Π über den Turboverdichter 8 ebenfalls ab. Dies steht im Widerspruch zu der Vorhersage des Modells in Gl. (1), welches bei Verdichterpumpen ungültig ist: der Luftmassenstrom ṁ geht mit negativem Vorzeichen ein, sodass ein Abfall des Luftmassenstroms ṁ zu einem Anstieg des Druckaufbaus Π führen muss, soweit die übrigen Größen konstant bleiben. Im Normalbereich ist dieser Zusammenhang auch anschaulich nachvollziehbar, da ein höherer Druck nach Turboverdichter 8 den Massendurchsatz hemmt.
Ausgehend von der Annahme, dass im Steuergerät 100 stets sämtliche Werte, die in Gl. (1) eingehen, aus Modellrechnungen, sowie die Größen
und ṁ_sens als Sensorwerte bzw. als von Sensorwerten abgeleitete Größen, verfügbar sind, lässt sich nun der zuvor benannte Widerspruch zwischen modelliertem und physikalischem Verhalten im Falle eines Verdichterpumpen zur Erkennung dieses Ereignisses nutzen: Ersetzt man in Gl. (1) den modellierten Luftmassenstrom ṁ durch ṁ_sens, lässt sich damit ein neuer Druckaufbau Π(ṁ_sens) abhängig vom Sensorwert für den Luftmassenstrom ṁ bestimmen:
Aufgrund der beschriebenen Zusammenhänge verhält sich Π(ṁ_sens) im Falle eines Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 gegenphasig zu Π_sens. Mit Hilfe z. B. einer Fourier Analyse lässt sich die Phaseninformation der Signale extrahieren:
wobei φ die Phase der komplexen Zahl Π ~(ν) ist. Die kontinuierliche Integration kann durch eine diskrete Summe zu ersetzt werden.
Die Exponentialfunktion ist für die Frequenz ν zum Zeitpunkt kΔt auszuwerten. Ist die Zeitschrittweite Δt und die Frequenz ν fest, kann auf die Auswertung der Exponentialfunktion zur Laufzeit aufgrund der Eigenschaft e^i(a+b) = e^ia·e^ib verzichtet werden, denn e^{–2πiν(k+1)Δt} = e^{–2πiνkΔt}·e^–2πiνΔt. (5)
Die Auswertung der Exponentialfunktion zum Zeitpunkt kΔt reduziert sich dann auf e^{–2πiνkΔt} = e^{–2πiνmΔt}·(e^–2πiνΔt)^k-m. (6)
Der Faktor e^{–2πiνkΔt} kann als Applikationsparameter im Steuergerät abgelegt werden. Für zwei Signale mit Phasenversatz Δφ = π gilt cosΔφ = –1. Definiert man also wie in Gl. (3) eine Phase φ(ṁ_Sens) für Π(ṁ_Sens) und eine Phase φ_Sens für Π_Sens, so ist im Falle eines Pumpereignisses zu erwarten, dass cos[φ_Sens – φ(ṁ_Sens)] ≈ 1 (7)
Mit Hilfe des Additionstheorems lässt sich Gleichung (7) umformen zu:
Eine Echtzeitberechnung der Cosinusfunktion und ggf. der Sinusfunktion zur Bereitstellung der Phaseninformation, sowie die Berechnung der komplexen Exponentialfunktion zur Berechnung der Fouriertransformation, entfällt somit.
Alternativ oder zusätzlich kann die Phase bzw. der Cosinus und der Sinus der Phase direkt berechnet werden und z. B. durch die Bildung der Zeitableitung des Sensor- und Modellwerts können die beiden Werte in ein Verhältnis zueinander gesetzt werden. Weichen die beiden Gradienten der beiden Werte stark voneinander ab, z. B. aufgrund des entgegengesetzten Vorzeichens, kann man von einem Pumpereignis ausgehen.
Alternativ oder zusätzlich lassen sich die Schritte in den Gleichungen 3 bis 6 auch durch folgendes Vorgehen ersetzen. Das durch die Gleichungen 3 bis 6 definierte Vorgehen zur Bestimmung der Fouriertransformierten leidet daran, dass alle Werte der zu transformierenden Funktion im Zeitbereich t₁...t₂, bzw. für die diskreten Zeitschritte k = m...n, verfügbar sein müssen, wenn die Transformation für ein endliches Zeitintervall durchgeführt werden soll. Alternativ kann die Transformation auch bei einem festen Anfangswert const. = t₀ < t₁ bzw. k = 0 < m
starten, wenn die Vergangenheit geeignet vergessen wird. Dies kann z. B. durch exponentielle Dämpfung erreicht werden:
mit einer geeigneten Zeitkonstanten τ, die z. B. vergleichbar mit dem Zeitfenster t₂–t₁ gewählt werden kann. Die Bestimmung der Phase φ, vgl. Gl. (3), bleibt hiervon unberührt. Für die Diskretisierung bietet sich nun der Vorteil, dass diese berechnet werden kann als:
Damit erhält man ein iteratives Verfahren, das sich zur Berechnung der Fouriertransformierten des Rechenschritts n nur das Ergebnis des Rechenschritts n – 1 merken muss, im Gegensatz zum zuvor beschriebenen Verfahren, für welches ggf. zusätzlich die Werte der zu transformierenden Funktion aus dem gesamten Zeitbereich k = m...n vorgehalten werden müssen.
Ausgehend von Gleichung (1) lässt sich ein allgemeiner Zusammenhang zwischen dem Druckaufbau Π und dem Luftmassenstrom ṁ herstellen:
Ganz allgemein lässt sich ausdrücken, dass sich das Signal des Druckaufbaus Π und das Signal des Luftmassenstroms ṁ im Normalbereich gegenphasig verhalten, da ein höherer Druckaufbau Π dem Luftmassenstrom ṁ einen größeren Widerstand entgegenstellt.
Ein Signal sind die Werte einer vorzugsweise physikalischen oder mathematischen Größe, z. B. des ersten oder des zweiten Druckaufbaus oder des Luftmassenstroms ṁ, die dabei vorzugsweise über einen vorgebbaren Zeitbereich, insbesondere kontinuierlich, ermittelt und/oder empfangen und/oder gesendet werden. Als Zeitbereich wird vorzugsweise ein Zeitintervall, startend zu einem ersten Zeitpunkt und endend mit einem zweiten Zeitpunkt, verstanden.
Die Werte A und B sind abhängig vom Aufbau und vom aktuellen Zustand des verwendeten Systems. Da für das beschriebene Verfahren jedoch lediglich der Phasenversatz zwischen den Signalen Π_Sens und Π(ṁ_sens) relevant ist, sind die absoluten Werte nicht von Interesse. Nach Gleichung (16) lässt sich ein Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 dann feststellen, wenn die Signale Π_Sens und Π(ṁ_sens) gegenphasig zueinander sind. Für die Signale Π_Sens und ṁ_Sens ergibt sich ein Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 hingegen, wenn die beiden Signale gleichphasig zueinander sind. Andernfalls wird von einem Normalbereich ausgegangen, in dem kein Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 vorliegt.
Diese Erkenntnis lässt sich verwenden, um das beschriebene Verfahren auch dann anwenden zu können, wenn der Zusammenhang zwischen dem Luftmassenstrom ṁ und dem Druckaufbau Π im Normalbereich

1. Nur qualitativ bekannt ist und sich durch eine Gleichung entsprechend (16) bzw. Π ≈ A – B·ṁ abbilden lässt, und
2. die beiden Größen aufgrund des negativen Vorzeichens gegenphasig zueinander sind.

Die Formel Π ≈ A – B·ṁ wird im weiteren als qualitatives Verdichtermodell bezeichnet. Ein Strömungsabriss bzw. Verdichterpumpen führt physikalisch hingegen immer zu einem Abfall des Luftmassenstroms m und des Druckaufbaus Π in Phase. Das verallgemeinerte Verfahren stellt also dann ein Pumpenereignis fest, wenn das Signal des Luftmassenstroms ṁ_Sens und das Signal des Druckaufbaus Π_Sens nicht mehr gegenphasig sind. Die Überlegungen in den Gleichungen (3–10) gelten entsprechend, lediglich die Phase von Π(ṁ_sens) ist durch die Phase von ṁ_Sens zu ersetzen. Für den relevanten Phasenversatz kann eine vorgebbare Schwelle z. B. in einem Steuergerät 100 abgespeichert werden.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des Verfahrens, bei dem ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters 8 einer Brennkraftmaschine 14 erkannt werden kann. Das erste Ausführungsbeispiel startet in einem Schritt 500, in dem der erste Druckaufbau Π_Sens mittels des Drucks stromaufwärts des Turboverdichters 8 und des Drucks stromabwärts des Turboverdichters 8 ermittelt wird. Der Druckaufbau Π ist z. B. definiert als
als der Druck stromabwärts des Turboverdichters 8 und p Sens / Up als der Druck stromaufwärts des Turboverdichters B. Die Drücke p Sens / Ds und p Sens / Us können z. B. von Drucksensoren und/oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen ermittelt werden. Die gemessenen und/oder ermittelten Werte des ersten und des zweiten Druckaufbaus werden im Steuergerät 100 z. B. als Signale verarbeitet. Die Signale des ersten und des zweiten Druckaufbaus werden dabei vorzugsweise über einen vorgebbaren Zeitbereich, insbesondere kontinuierlich, empfangen und/oder ermittelt. Als Zeitbereich wird vorzugsweise ein Zeitintervall, startend zu einem ersten Zeitpunkt und endend mit einem zweiten Zeitpunkt, verstanden.
In einem Schritt 510 wird der zweite Druckaufbau Π(ṁ_Sens) bestimmt, wobei der zweite Druckaufbau in Abhängigkeit des Luftmassenstroms ṁ_sens bestimmt wird. Hierzu kann die Gleichung (2) nach Π(ṁ_Sens) aufgelöst werden und somit der zweite Druckaufbau in Abhängigkeit des Luftmassenstroms ṁ_sens bestimmt werden. ṁ_sens ist dabei der durch z. B. einen Heißfilmluftmassensensor oder durch einen PFM-Sensor bestimmte Luftmassenstrom. Alternativ oder zusätzlich kann dieser auch aus Sensorwerten abgeleiteten Größen ermittelt werden. Das bereits oben beschriebene Drehzahlmodell eines Radialverdichters dient in diesem Ausführungsbeispiel als Grundlage für die Bestimmung des ersten und des zweiten Druckaufbaus.
In einem Schritt 520 wird dann die Phaseninformation des Signals des ersten Druckaufbaus Π_Sens und des Signals des zweiten Druckaufbaus Π(ṁ_Sens) bestimmt und anschließend miteinander verglichen. Der Vergleich kann z. B. durch eine Anwendung der Cosinusfunktion auf die Differenz der Phase des Signals des ersten Druckaufbaus Π_Sens und der Phase des Signals des zweiten Druckaufbaus Π(ṁ_Sens) erfolgen. Die Differenz der Phasen des ersten und des zweitens Signals wird im Folgenden Ausführungsbeispiel als Δφ bezeichnet wird. Das Ergebnis der Cosinusfunktion liegt dann in einem Intervall [–1; 1]. Wenn das Ergebnis der Cosinusfunktion von Δφ einen Wert von –1 annimmt, wird ein Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 erkannt, da für diesen Wert die beiden Signale gegenphasig zueinander sind. Unter gegenphasig soll insbesondere verstanden werden, dass die Differenz der Phase des ersten und des zweiten Signals einen Wert ±π ergibt. Alternativ oder zusätzlich kann ein vorgebbarer Schwellenwert S, mit S ≥ 0, definiert werden, wobei ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters 8 erkannt wird, wenn das Ergebnis der Cosinusfunktion von Δφ in einem Intervall [–1; –1 + S] liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Bestimmung des Verdichterpumpens des Turboverdichters 8 auch über die Formel (10) geschehen. Falls kein Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 detektiert wurde, wird das Verfahren von Schritt 500 an wiederholt.
Falls ein Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 erkannt wurde, kann in einem Schritt 530 z. B. eine Notfallansteuerung des Turboladers 9 durchgeführt werden, die z. B. ein Bypassventil, welches den Abgasmassenstrom am Turbolader 9 vorbeiführt, öffnet. Alternativ oder zusätzlich kann im Fall eines elektrisch unterstützten Turboverdichters 8 auch die Drehzahl so weit abgesenkt werden, dass der Betriebsbereich des Turboladers 9 derart angepasst wird, dass ein Verdichterpumpen abgestellt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann bei Erkennen des Verdichterpumpens des Turboverdichters 8 eine Information z. B. in einem Steuergerät 100 abgespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Drehzahl des Turboladers 9 und damit des Turboverdichters 8 verringert werden, um ein Verdichterpumpen zu unterdrücken.
Anschließend kann das Verfahren beim Schritt 500 erneut durchgeführt werden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des Verfahrens, bei dem ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters 8 einer Brennkraftmaschine 14 erkannt werden kann.
Das zweite Ausführungsbeispiel startet in einem Schritt 600, in dem der erste Druckaufbau Π_Sens mittels des Drucks stromaufwärts des Turboverdichters 8 und des Drucks stromabwärts des Turboverdichters 8 ermittelt wird. Der Druckaufbau Π ist z. B. definiert als
als der Druck stromabwärts des Turboverdichters 8 und p Sens / Us der Druck stromaufwärts des Turboverdichters B. Die Drücke p Sens / Ds und p Sens / Us können z. B. von Drucksensoren und/oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen ermittelt werden. Anschließend wird in einem Schritt 610 der Luftmassenstrom ṁ_sens der Brennkraftmaschine 14, z. B. mittels eines Heißfilmluftmassensensors 2, bestimmt. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Druckaufbau Π_Sens sowie der Luftmassenstrom ṁ_sens auch über aus Sensorwerten abgeleitete Größen ermittelt werden. In einem Schritt 620 wird dann die Phaseninformation des Signals des ersten Druckaufbaus Π_Sens und des Signals Luftmassenstroms ṁ_sens bestimmt und anschließend miteinander verglichen. Dies kann z. B. durch eine Anwendung der Cosinusfunktion auf die Differenz der Phase des Signals des ersten Druckaufbaus Π_Sens und der Phase des Signals des Signals Luftmassenstroms ṁ_sens erfolgen. Die Differenz der Phasen des Signals des ersten Druckaufbaus Π_Sens und des Signals des Luftmassenstroms ṁ_Sens wird im Folgenden Ausführungsbeispiel als Δφ bezeichnet. Das Ergebnis der Cosinusfunktion liegt dann in einem Intervall [–1; 1]. Wenn das Ergebnis der Cosinusfunktion von Δφ einen Wert von 1 annimmt, wird ein Verdichterpumpen des Turboverdichters 8 erkannt, da für diesen Wert die beiden Signale gleichphasig zueinander sind. Unter gleichphasig soll insbesondere verstanden werden, dass die Differenz der Phasen des ersten und des zweiten Signals null ergibt. Alternativ oder zusätzlich kann ein vorgebbarer Schwellenwert S, mit S ≥ 0, definiert werden, wobei ein Verdichterpumpen eines Turboverdichters 8 erkannt wird, wenn das Ergebnis der Cosinusfunktion von Δφ in einem Intervall [1 – S; 1] liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Bestimmung des Verdichterpumpens des Turboverdichters 8 auch über die Formel (10) geschehen. Falls kein Verdichterpumpen detektiert wurde, wird das Verfahren von Schritt 600 an wiederholt. Falls ein Verdichterpumpen erkannt wurde, kann in einem Schritt 630 z. B. eine Notfallansteuerung des Turboladers 9 durchgeführt werden, die z. B. ein Bypassventil, welches den Abgasmassenstrom am Turbolader 9 vorbeiführt, öffnet. Alternativ oder zusätzlich kann im Fall eines elektrisch unterstützten Turboverdichters 8 auch die Drehzahl so weit abgesenkt werden, dass der Betriebsbereich des Turboladers 9 derart angepasst wird, dass ein Verdichterpumpen abgestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann bei der Detektion des Verdichterpumpens eine Information der Detektion des Verdichterpumpens z. B. in einem Steuergerät 100 abgespeichert werden. Anschließend kann das Verfahren beim Schritt 600 erneut durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Erkennung eines Verdichterpumpens eines Turboverdichters (8) einer Brennkraftmaschine (14), dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) basierend auf einem Vergleich einer Phaseninformation eines Signals eines ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und einer Phaseninformation eines zweiten Signals der Brennkraftmaschine (14) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal der Brennkraftmaschine (14) ein Signal eines zweiten Druckaufbaus (Π(ṁ_Sens)) ist, wobei das Signal des zweiten Druckaufbaus (Π(ṁ_Sens)) in Abhängigkeit eines Luftmassenstroms (ṁ_sens) der Brennkraftmaschine (14) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) in Abhängigkeit eines Drucks stromaufwärts des Turboverdichters (8) und eines Drucks stromabwärts des Turboverdichters (8) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) mittels Sensor- und/oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom (ṁ_sens) der Brennkraftmaschine (14) mittels eines Heißfilmluftmassensensors oder mittels einer PFM-Sensors und/oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des zweiten Druckaufbaus (Π(ṁ_Sens)) in Abhängigkeit eines Drehzahlmodells bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Unterschreiten eines vorgebbaren Schwellenwerts, durch ein Ergebnis einer Cosinusfunktion einer Phasendifferenz zwischen dem Signal des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und dem Signal des zweiten Druckaufbaus (Π(ṁ_Sens)), ein Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–7, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines Betrags und eines Realteils und eines Imaginärteils des Signals des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und des Signals des zweiten Druckaufbaus (Π(ṁ_Sens)), ein Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–8, dadurch gekennzeichnet, dass wenn das Signal des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und das Signal des zweiten Druckaufbaus (Π(ṁ_Sens)) gegenphasig zueinander sind, ein Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) erkannt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal der Brennkraftmaschine (14) ein Signal des Luftmassenstroms (ṁ_sens) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und das Signal des Luftmassenstroms (ṁ_sens) in Abhängigkeit eines qualitativen Verdichtermodells bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwerts, durch ein Ergebnis einer Cosinusfunktion einer Phasendifferenz zwischen dem Signal des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und dem Signal des Luftmassenstroms (ṁ_sens), ein Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Betrags und des Realteils und des Imaginärteils des Signals des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und des Signals des Luftmassenstroms (ṁ_sens), ein Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenn das Signal des ersten Druckaufbaus (Π_Sens) und das Signal des Luftmassenstroms (ṁ_sens) gleichphasig zueinander sind, ein Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) erkannt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen des Verdichterpumpens des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) eine Diagnose gestartet wird und ein Ergebnis der Diagnose in einem Steuergerät (100) abgespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen des Verdichterpumpen des Turboverdichters (8) der Brennkraftmaschine (14) ein Ersatzwert für die Ansteuerung eines Turboladers (9), oder ein Notlauf für den Turbolader (9) aktiviert wird.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 17.
Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 1 bis 16 auszuführen.