DE10134543B4

DE10134543B4 - Verfahren zur Erkennung von Fehlern an einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10134543B4
Application number: DE10134543A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ellmer; Markus Teiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: FR2827336B1; FR2827336A1; DE10134543A1; ITMI20021551A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung von Fehlern an einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Verfahrensschritten:
– ein Wert für die Leistung des Verdichters (POW_CHA) wird von einem Modell (10) für den Verdichter abhängig von Betriebsparametern des Verdichters bestimmt,
– ein Wert für die Leistung der Turbine (POW_TUR) wird von einem Modell (36) für die Turbine anhängig von Betriebsparametern der Turbine bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß
– eine Fehlererkennungseinheit (52) für stationäre Zustände ein Fehlersignal (LV_ERR_TCHA_MEC) für eine Motorsteuerung erzeugt, wenn die Differenz der Leistungen von Turbine und Verdichter größer als ein Grenzwert ist, wobei die Fehlererkennungseinheit (52) zur Fehlererkennung bei stationären Zuständen den Grenzwert (IP_FAC_POW_DIF_CHA) abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine (TEG_TUR_UP) und der Laderdrehzahl (N_TCHA) über ein vorbestimmtes Kennfeld (68) bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern an einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 2.
Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen unterliegen mechanischem Verschleiß, der unter anderem zu einer erhöhten Reibung in der Lagerung führt. Durch Betrieb des Abgasturboladers bei ungünstigen Bedingungen, kann ein nicht unerheblicher Verschleiß auftreten. Zu den ungünstigen Bedingungen für einen Abgasturbolader zählen beispielsweise Übertemperatur, zu große Drehzahlen, mangelnde Schmierung und ein als sogenanntes „Pumpen" bezeichnetes Verhalten des Abgasturboladers. Mit Pumpen wird dabei ein oszillierender Druckverlauf auf der Verdichterseite bezeichnet, der durch Strömungsabriss an den Verdichterschaufeln entsteht. Ursache hierfür ist ein zu hoher Druckquotient, wodurch ein geringer Massendurchsatz entsteht. Nach dem Abriss der Luftströmung strömt die Luft durch den Verdichter zurück, der Druck baut sich ab bis erneut eine Strömung an den Verdichterschaufeln aufgebaut wird.

Aus JP-Abstract: JP 03 023 320 A ist eine Eigendiagnose einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader bekannt. Hierzu wird die gemessene Umdrehungszahl für den Turbolader mit einem Sollwert für die Umdrehung verglichen. Der Sollwert für die Umdrehung wird abhängig von dem Ansaugdruck und der Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmt.

Aus DE 197 19 630 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt. Bei dem Verfahren wird einem Kennfeld in Abhängig keit von Motorlast und Motordrehzahl eine bevorzugte Stellung für die Abgasturbine ermittelt.

Auch aus DE 198 37 834 A1 ist ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie bekannt. Bei diesem Verfahren werden Hauptgrößen zur Erkennung eines Fehlers im Abgasturbolader und Hilfgrößen zur Fehleridentifikation gemessen. Als Hauptgrößen werden die Messung des Luftmassenstroms zum Motor und Totaldruck, Motordrehzahl und Temperatur vorgeschlagen.

Aus DE 41 19 657 A1 ist die Anwendung eines elektromagnetisch verstellbaren Radialverdichters in einem Abgasturbolader bekannt. Für den Fall des Leistungsgleichgewichts an dem Abgasturbolader wird angegeben, daß Turbinen- und Verdichterleistung sich um den Betrag der Reibleistung voneinander unterscheiden.

Aus DE 43 27 815 A1 ist ein Kugellager zur Verwendung in einem Turbolader bekannt. Das Kugellager besteht für den Einsatz in einem Turbolader aus einem inneren Lagerring aus einem wärmebeständigen Metall sowie einem Käfig aus einem wärmebeständigen Kunstharz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das einen Fehler bei einem Turbolader, insbesondere eine erhöhte Reibung des Turboladers zuverlässig erkennt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt ein Modell für den Verdichter abhängig von Betriebsparametern des Verdichters einen Wert für die Leistung des Verdichters. Ein Modell für die Turbine ermittelt abhängig von Betriebsparametern der Turbine einen Wert für die Leistung der Turbine. Eine Fehlererkennungseinheit für stationäre Zustände des Verdichters erzeugt ein Fehlersignal für eine Motorsteuerung, wenn eine Differenz der Leistung von Turbine und Verdichter größer als ein Grenzwert ist. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im stationären Zustand die Leistung des Verdichters gleich der Leistung der Turbine sein sollte, wenn kein Fehler an dem Abgasturbolader vorliegt. Im Falle eines Fehlers liegt die Turbinenleistung deutlich über der Verdichterleistung, da zusätzlich eine erhöhte Reibleistung aufgebracht werden muss. Im stationären Betrieb des Verdichters erkennt das erfindungsgemäße Verfahren eine Differenz zwischen den Leistungen und zeigt daraufhin einen Fehler an dem Abgasturbolader an. Die Fehlererkennungseinheit für den stationären Zustand vermittelt den Grenzwert abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine und der Laderdrehzahl. Der Grenzwert wird bevorzugt über ein entsprechendes Kennfeld ermittelt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch das Verfahren nach Anspruch 2 gelöst.

Bei diesem Verfahren ermitteln wiederum ein Modell für den Verdichter und ein Modell für die Turbine, die Leistung von Verdichter bzw. von der Turbine. Die Fehlererkennungseinheit erzeugt für transiente Zustände des Verdichters ein Fehlersignal für eine Motorsteuerung. Das Fehlersignal wird vorzugsweise abhängig von der Leistungsdifferenz zwischen Turbine und Verdichter, dem Trägheitsmoment des Laufzeugs des Turboladers und der momentanen Laderdrehzahl bestimmt. Aus diesen Größen wird ein Drehzahlgradient von der Diagnoseeinheit ermittelt, der mit einem anliegenden Drehzahlgradienten dahingehend verglichen wird, ob ein vorbestimmter Grenzwert überschritten wird. Im Unterschied zum stationären Fall werden im transienten Zustand die Drehzahlgradienten miteinander verglichen. Der Drehzahlgradient ist die zeitliche Änderung der Drehzahl. Die Fehlererkennungseinheit für den transienten Zustand den Grenzwert abhängig von der Turbinendrehzahl und der Leistungsdifferenz zwischen der Turbine und dem Verdichter. Auch hier ist bevorzugt der Grenzwert in einem Kennfeld abgelegt, das den Grenzwert abhängig von der Laderdrehzahl bestimmt.

Der Grenzwert in der Fehlererkennungseinheit für den transienten Zustand wird bevorzugt abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine modifiziert. Vorzugsweise erfolgt die Modifikation, indem ein Faktor abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine bestimmt und mit dem ermittelten Grenzwert multipliziert wird.

In beiden Fehlererkennungseinheiten kann der Grenzwert zusätzlich abhängig von einer durch einen Ölsensor gefühlten Öleigenschaft, vorzugsweise der Öltemperatur, in dem Abgasturbolader multipliziert werden. Für die Öltemperatur wird ebenfalls bevorzugt ein Faktor aus einem Kennfeld ausgelesen, der mit dem Grenzwert multipliziert wird.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen an dem Verdichter-Modell der Umgebungsdruck, die Umgebungstemperatur, der Druckverlust an dem Ladeluftkühler und Luftfilter, der Luftmassenstrom durch den Luftfilter und der gefilterte Ladedruck als Eingangsgrößen an. Das Verdichter-Modell bestimmt für die weitere Verarbeitung, die Leistung des Verdichters, die Verdichterdrehzahl, den Druck vor und nach der Turbine und einen Wert für den Luftmassenstrom durch den Verdichter.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Turbinen-Modell bestimmt die Turbinenleistung abhängig von der Turbinendrehzahl, der Abgastemperatur vor der Turbine, den Druck verhältnis an der Turbine sowie Druck vor und nach der Turbine.

In einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine erste Zustandserkennungseinheit vorgesehen, die eine stationären oder quasi stationären Zustand des Verdichters erkennt und ein Ausgangssignal erzeugt, das den stationären Zustand des Verdichters anzeigt. Bevorzugt arbeitet die erste Zustandserkennungseinheit für den stationären Zustand abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine, dem Druck vor und nach Turbine, dem Druck vor und nach Verdichter und dem Luftmassenstrom durch Verdichter. Die vorgenannten Betriebsgrößen erlauben es, in zuverlässiger Weise den stationären oder quasi stationären Zustand zu erkennen.

Eine zweite Zustandserkennungseinrichtung ist in einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die zusätzlich instationäre und/oder transiente Zustände des Abgasturboladers erkennt und ein zusätzliches Ausgangssignal auf erzeugt, das den instationären Zustand des Abgasturboladers anzeigt. Die zweite Zustandserkennungseinheit arbeitet hierbei bevorzugt mit denselben Betriebsgrößen wie die erste Zustandserkennungseinheit. Ausgehend von diesen Größen erkennt die zweite Zustandserkennungseinheit, ob ein transienter Zustand des Abgasturboladers vorliegt, der ein zuverlässiges Erkennen eines Fehlers ermöglicht.

Zwei Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand von Blockdiagrammen näher erläutert. Es zeigt:
1 das Blockschaltbild zur Erkennung eines Fehlers im stationären Zustand,
2 die Fehlererkennungseinheit zur Erkennung eines Fehlers in dem stationären Zustand,
3 ein Blockschaltbild zur Erkennung eines Fehlers sowohl im stationären als auch im transienten Zustand und
4 die Fehlererkennungseinheit zur Erkennung eines Fehlers im transienten Zustand.
1 zeigt mit 10 ein Modell für den Verdichter einer Brennkraftmaschine. An dem Verdichter-Modell 10 liegen als Eingangsgrößen der Umgebungsdruck (AMP) 12, die Umgebungstemperatur in Kelvin (TAM_ABS) 14, der Druckverlust über den Ladeluftkühler (PRS_LOSS_ICO) 16, der Druckluftverlust am Luftfilter (PRS_LOSS_AIC) 18, der Luftmassenstrom durch den Luftfilter (MAF_AIC) 20 und der gefilterte Ladedruck (PUT_MMV) 22 an. Aus diesen Eingangsgrößen, die in die Berechnungen in dem Modell des Verdichters eingehen, werden für den Verdichter eine Reihe von Kenngrößen ermittelt. Das Verdichter-Modell 10 bestimmt die Verdichterleistung (POW_CHA) 24, die Verdichterdrehzahl (N_CHA) 26, den Druck vor und nach dem Verdichter (PRS_CHA_UP, PRS_CHA_DOWN) 28, 30. Ferner wird der Luftmassenstrom durch den Verdichter (MAF_CHA) 32 durch das Verdichtermodell ermittelt. Die ermittelte Verdichterdrehzahl 26 wird nachfolgend mit der Turbinendrehzahl (N_TUR) 34 gleichgesetzt.
Das Turbinen-Modell 36 bestimmt einen Wert für die Leistung der Turbine (POW_TUR) 38. Die Turbinenleistung wird abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine 40 bestimmt. Die Abgastemperatur geht hierbei als Wurzel der absoluten Temperatur (TEG_TUR_UP_ABS_SQRT) in das Modell 36 ein. Ebenfalls geht in das Modell das Druckverhältnis an der Turbine (PQ_EX) 42 ein. Berücksichtigt werden ferner der Druck vor und nach der Turbine (PRS_EX_TUR_DOWN, PRS_EX) 44, 46.
Eine Erkennung 48 von stationären Zuständen erfolgt aus den Größen 40, 44, 46 und den Ausgangsgrößen 28, 30 und 32 des Verdichter-Modells 10. Ein stationärer Zustand des Verdichters wird über das Signal 50 angezeigt.
Eine Fehlererkennungseinheit 52 ermittelt aus der Turbinenleistung 38 und der Verdichterleistung 24, ob ein Fehler an dem Abgasturbolader vorliegt. Ein Fehler wird über das Signal (LV_ERR_TCHA_MEC) 54 angezeigt.
2 zeigt die Fehlererkennungseinheit 52 näher. Die Leistung von Turbine und Verdichter liegen an dieser als 24 und 38 an. Von dem Wert der Turbinenleistung 38 wird die Verdichterleistung in Schritt 56 subtrahiert. Der in Schritt 56 erhaltene Differenzwert kann durch die Motorsteuerung noch plausibilisiert werden. Die in Schritt 56 gebildete Leistungsdifferenz (POW_DIF) liegt gemeinsam mit einem maximalen Grenzwert (POW_DIF_TCHA_MAX) 58 an einem Komparator 60 an. Der maximale Grenzwert wird zunächst unabhängig von der Öleigenschaft (Q_OIL) 62 bestimmt. Hierfür werden die Abgastemperatur vor der Turbine (TEG_TUR_UP) 64 und die Verdichterdrehzahl (N_TCHA) 66 berücksichtigt. Aus den Größen 64 und 66 wird über ein Kennfeld 68 eine maximale Leistungsdifferenz zwischen Turbine und Verdichter (IP_POW_DIF_TCHA_MAX) ermittelt. Diese Größe wird mit einem von der Öltemperatur abhängigen Faktor (IP_FAC_POW_DF_CHA) 70 multipliziert.
Ermittelt der Komparator 60, dass die Leistungsdifferenz außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, so wird ein Vergleichssignal 72 erzeugt, das bei einer Und-Verknüpfung mit dem Signal 50 für den stationären Zustand ein Fehlersignal 54 darstellt.
3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, wenn zusätzlich eine Fehlererkennungseinheit für transiente Zustände vorgesehen ist. Die Fehlererkennungseinheit 74 erhält als Eingangsgrößen den Drehzahlgradienten des Turboladers (N_TCHA_GRD) 76 sowie die Leistung des Verdichters 24, die Leistung der Turbine 38, die Turbinendrehzahl 66, die Öleigenschaft 62 und die Abgastemperatur vor der Turbine 64. Um zuverlässig ein Fehlersignal 78 erzeugen zu können, liegt ebenfalls ein Signal 80 an der Fehlererkennungseinheit 74 an, das den transienten Zustand des Verdichters anzeigt.
4 zeigt die Fehlererkennungseinheit 74 näher. Zunächst bildet die Fehlererkennungseinheit die Differenz zwischen Turbinenleistung 38 und Verdichterleistung 24. Über die Turbinendrehzahl 66 wird die Leistungsdifferenz in eine Drehmomentdifferenz des Verdichters (TQ_DIF_CHA) 82 umgerechnet. Zusammen mit dem Trägheitsmoment des Laufzeugs 84 wird hieraus ein erwarteter Drehzahlgradient 86 bestimmt. Von dem erwarteten Drehzahlgradienten wird der an der Diagnoseeinheit anliegende Drehzahlgradient 76 subtrahiert. Die so gewonnene Differenz 88 (N_TCHA_GRD_DIF) wird mit einer maximalen Differenz (N_TCHA_GRD_DIF_MAX) 90 verglichen. Der maximale Differenzwert 90 wird abhängig von der Laderdrehzahl 66 und der Drehmomentdifferenz an dem Lader 82 über ein Kennfeld 92 zu dem maximalen Grenzwert (IP_N_TCHA_GRD_DIF_MAX) 94 verarbeitet. Der Grenzwert 94 wird mit einem von den Öleigenschaften abhängigen Faktor (IP_FAC_N_TCHA_GRD_QOIL) 96 multipliziert. Ferner wird der Grenzwert 94 mit einem von der Abgastemperatur abhängigen Faktor 98 (IP_FAC_N_TCHA_GRD_TEG) multipliziert.
Ein Komparator 100 vergleicht den modifizierten Grenzwert 90 mit der Abweichung des erwarteten Drehzahlgradienten von dem tatsächlich vorhandenen Drehzahlgradienten. Ergibt der Vergleich, dass die Drehzahldifferenz größer oder. gleich dem modifizierten Grenzwert 90 ist und liegt ein Signal für einen transienten Zustand 80 vor, so wird durch eine Und-Verknüpfung ein Fehlersignal 104 für den transienten Zustand ermittelt. Die bei der Fehlererkennung für stationäre und transiente Zustände eingesetzte zweite Erkennungseinheit 106 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Fehlererkennungseinheit 48 dadurch, dass sowohl ein Signal für den stationären Zustand 50 als auch ein Signal für den transienten Zustand 80 erzeugt wird.
In der Motorsteuerung werden die Fehlersignale für den stationären Zustand und für den transienten Zustand in Form einer Oder-Verknüpfung 108 betrachtet, um ein gemeinsames Fehlersignal (LV_ERR_TCHA_MEC) 110 zu erzeugen.

Claims

Verfahren zur Erkennung von Fehlern an einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Verfahrensschritten: – ein Wert für die Leistung des Verdichters (POW_CHA) wird von einem Modell (10) für den Verdichter abhängig von Betriebsparametern des Verdichters bestimmt, – ein Wert für die Leistung der Turbine (POW_TUR) wird von einem Modell (36) für die Turbine anhängig von Betriebsparametern der Turbine bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Fehlererkennungseinheit (52) für stationäre Zustände ein Fehlersignal (LV_ERR_TCHA_MEC) für eine Motorsteuerung erzeugt, wenn die Differenz der Leistungen von Turbine und Verdichter größer als ein Grenzwert ist, wobei die Fehlererkennungseinheit (52) zur Fehlererkennung bei stationären Zuständen den Grenzwert (IP_FAC_POW_DIF_CHA) abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine (TEG_TUR_UP) und der Laderdrehzahl (N_TCHA) über ein vorbestimmtes Kennfeld (68) bestimmt.
Verfahren zur Erkennung von Fehlern an einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Verfahrensschritten: – ein Wert für die Leistung des Verdichters (POW_CHA) wird von einem Modell (10) für den Verdichter abhängig von Betriebsparametern des Verdichters bestimmt, – ein Wert für die Leistung der Turbine (POW_TUR) wird von einem Modell (36) für die Turbine abhängig von Betriebsparametern der Turbine bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß – eine Fehlererkennungseinheit (74) für transiente Zustände ein Fehlersignal (LV_ERR_TCHA_TRA) für eine Motorsteuerung erzeugt, wenn ein ermittelter Drehzahlgradient von einem an der Diagnoseeinheit anliegenden Dreh zahlgradienten um mehr als einen Grenzwert abweicht, wobei die Fehlererkennungseinheit (74) zur Fehlererkennung bei transienten Zuständen den Grenzwert (IP_FAC_TCHA_GRD_DIF_MAX) abhängig von der Turbinendrehzahl (N_TCHA) und der Leistungsdifferenz zwischen Turbine und Verdichter bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungseinheit (74) zur Fehlerkennung bei transienten Zuständen den Grenzwert abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine modifiziert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungseinheit zur Fehlererkennung bei transienten Zuständen einen Faktor (IP_FAC_N_TCHA_GRD_TEG) abhängig von der Abgastemperatur vor der Turbine (TEG_TUR_UP) modifiziert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennungseinheit zur Fehlererkennung bei stationären Zuständen und/oder bei transienten Zuständen den Grenzwert abhängig von einer Öleigenschaft (Q_OIL), vorzugsweise von der Öltemperatur (T_OIL) in dem Abgasturbolader modifiziert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faktor (IP_FAC_POW_DIF_CHA; IP_FAC_N_TCHA_GRD_QOIL) anhängig von einer Öleigenschaft (Q_OIL), vorzugsweise der Öltemperatur (T_OIL) bestimmt wird, mit dem der ermittelte Grenzwert multipliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Zustandserkennungseinheit vorgesehen ist, die einen stationären oder quasi stationären Zustand des Verdichters erkennt und ein Ausgangssignal (LV_STEADY_STATE) erzeugt, das den stationären Zustand des Verdichters anzeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zustandserkennungseinheit (106) vorgesehen ist, die stationäre und instationäre Zustände erkennt und ein Ausgangssignal (LV_TRA_DIAG), das den instationären Zustand des Verdichters anzeigt, sowie ein weiteres Ausgangssignal (LV_STEADY_STATE) erzeugt, das den stationären Zustand des Verdichters anzeigt.