DE102005056517A1

DE102005056517A1 - Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers

Info

Publication number: DE102005056517A1
Application number: DE102005056517A
Authority: DE
Inventors: Michael BÄUERLE; Uwe Kassner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2007-05-31
Also published as: US7380446B2; US20070144174A1; FR2893992A1; ITMI20062255A1

Abstract

Das vorgestellte Verfahren dient zur Bestimmung der Drehzahl (n¶ATL¶) eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers einer Brennkraftmaschine. Im Rahmen des Verfahrens wird der Druck in einem Bereich stromabwärts von dem Verdichter erfasst und es wird ein entsprechendes Drucksignal (U¶p¶) bereitgestellt. Es wird vorgeschlagen, dass die Drehzahl (n¶ATL¶) des Verdichters aus einer periodischen Schwankung (U¶n¶) mindestens eines Anteils des Drucksignals (U¶p¶) gewonnen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, sowie eine Brennkraftmaschine.
Bei Brennkraftmaschinen, beispielsweise Benzin- und Diesel-Kolbenmotoren, wird zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines Verdichters, beispielsweise eines Abgas-Turboladers, erhöht. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Brennkraftmaschine gepresst wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet und im Allgemeinen in der Nähe des Brennraums von einem Drucksensor gemessen. Das Drucksignal wird einem geschlossenen Regelkreis zugeführt, welcher den Abgas-Turbolader steuert und so einen gewünschten Ladedruck einstellt.
Insbesondere Abgas-Turbolader besitzen eine ausgeprägte Zeitkonstante, reagieren also vergleichsweise träge auf geänderte Steuersignale, was die Regelung des Ladedrucks erschwert. Daher ist es vorteilhaft, wenn eine direkte Zustandsgröße des zu regelnden Abgas-Turboladers erfasst wird. Besonders geeignet ist hierfür die Drehzahl des Verdichters des Abgas-Turboladers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine preisgünstige und zuverlässige Erfassung der Drehzahl eines Verdichters ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Lösungen sind in nebengeordneten Patentansprüchen genannt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in abhängigen Unteransprüchen angegeben.

Vorteile der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der ohnehin für die Bestimmung des Ladedrucks erforderliche Drucksensor auch für die Bestimmung der Drehzahl des Verdichters verwendet. Dem liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass übliche Verdichter die Luft, bezogen auf einen bestimmten Ort stromabwärts von dem Verdichter, nicht kontinuierlich, sondern "schwallweise" fördern. Ursache hierfür ist, dass beispielsweise bei einem Axialverdichter jedes mal dann, wenn an einer bestimmten Position ein Flügel des Verdichterrads vorbeistreicht, sich die Geschwindigkeit und damit auch der Druck der geförderten Luft ändert. Dies führt zumindest an bestimmten Stellen stromabwärts vom Verdichter zu periodischen Druckschwankungen, deren Periode mit der Drehzahl des Verdichters zusammenhängt. Dieser Zusammenhang wird erfindungsgemäß für die Gewinnung der Drehzahl des Verdichters ausgenutzt.

Im Ergebnis wird ein berührungsloses Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl des Verdichters bereitgestellt, welches nach einem sehr robusten physikalischen Grundprinzip und daher mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet. Darüber hinaus wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine der Wirkungsgrad des Ansaugsystems der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Abgas-Turboladers nicht reduziert, da im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen keine zusätzliche Sensorik erforderlich ist. Durch die berührungslose Messung ist darüber hinaus ein Verschleiß, wenn überhaupt vorhanden, gering. Schließlich sind Drucksensoren vergleichsweise einfache und preiswerte Sensortypen, deren Signale einfach verarbeitet werden können.

Unmittelbar stromabwärts von dem Verdichter sind die für das erfindungsgemäße Verfahren wichtigen periodischen Schwankungen des Drucks und somit auch des erfassten Drucksignals besonders prägnant, was die Auswertung und damit die Bestimmung der Drehzahl erleichtert. Die Montagekosten werden nochmals reduziert, wenn der Drucksensor in eine Steuerungskomponente des Verdichters, insbesondere ein Schubumluftventil, integriert ist. Ein solches Schubumluftventil dient als Bypass zum Verdichter, welcher bei Schließen einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um einen schnellen Druckabbau zu ermöglichen.

Zur Separierung der periodischen Schwankungen vom Drucksignal kann eine Hochpassfilterung eingesetzt werden, die softwaretechnisch einfach realisierbar ist. Aus den separierten periodischen Schwankungen, die auch als "Wechselanteile" des Drucksignals bezeichnet werden, kann die Frequenz auf einfache Weise, beispielsweise durch eine Fourier-Transformation, ermittelt werden. Durch Division der Frequenz durch die Anzahl der Flügel des Verdichters beziehungsweise des Verdichterrades erhält man sofort die Drehzahl des Verdichters.

Aus dem Signal des Drucksensors kann jedoch nicht nur die Drehzahl des Verdichters gewonnen, sondern auch der Ladedruck ermittelt werden, was für die Steuerung einer Brennkraftmaschine eine wichtige Betriebsgröße ist. Der entsprechende Druckwert wird einfach durch eine Mittelung des Drucksignals, beispielsweise durch eine Tiefpassfilterung, erhalten.

Da der Drucksensor jedoch vorteilhafterweise in der Nähe des Verdichters angeordnet ist, und da sich zwischen dem Verdichter und den Brennräumen einer Brennkraftmaschine üblicherweise noch verschiedene Komponenten befinden, beispielsweise ein Ladeluftkühler und eine Drosselklappe, entspricht der Mittelwert des Drucksignals in einem solchen Fall nicht dem für die Steuerung der Brennkraftmaschine an sich interessierenden Ladedruck. Dieser kann auf einfache Art und Weise jedoch dadurch erhalten werden, dass der Mittelwert des Drucksignals entsprechend korrigiert wird.

Die hierfür verwendeten Korrekturfaktoren werden in Vorversuchen beispielsweise an einem Prüfstand für den spezifischen Brennkraftmaschinentyp ermittelt. Die Genauigkeit des Verfahrens kann dabei verbessert werden, wenn mindestens ein Korrekturfaktor verwendet wird, der von einer aktuellen Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, beispielsweise einem Luftmassen- oder Luftvolumendurchsatz, abhängt.

Durch die Anordnung des Drucksensors in der unmittelbaren Nähe zu dem Verdichter kann dessen Drucksignal auch für die Funktionsüberwachung eines Luftfilters verwendet werden. Hierzu wird die Differenz zwischen dem ermittelten Druck und dem Druck eines Umgebungsdrucksensors ermittelt. Übersteigt der Druckabfall ein bestimmtes Maß, muss der Luftfilter ausgetauscht werden.

Zeichnung
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Turbolader und einem Drucksensor;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Auswertung des vom Drucksensor von 1 bereitgestellten Signals; und
3 eine Darstellung ähnlich 1 eines abgewandelten Ausführungsbeispiels.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 ist als Benzin-Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung ausgebildet, wesentliche grundsätzliche Inhalte der nachfolgenden Beschreibung gelten jedoch genauso für Diesel-Brennkraftmaschinen sowie für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung.
Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen vorliegend nur einer dargestellt ist, der einen Brennraum 12 umfasst. Verbrennungsluft gelangt in diesen durch ein Einlassventil 14 über einen Ansaugkanal 16. In diesen wird, unmittelbar stromaufwärts vom Einlassventil 14, Kraftstoff durch einen Injektor 18 eingespritzt, der an ein Kraftstoffsystem 20 angeschlossen ist. Stromaufwärts von diesem befindet sich im Ansaugkanal 16 eine Drosselklappe 21.
Ein im Brennraum 12 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze 22 entflammt, welche mit einem Zündsystem 24 verbunden ist. Heiße Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 12 durch ein Auslassventil 26 und ein Abgasrohr 28 abgeleitet. In diesem ist eine Turbine 30 angeordnet, die über ein Bypassventil 32 umgangen werden kann.
Im Ansaugkanal 16 ist ein Verdichter 34 angeordnet, der mit der Turbine 30 mechanisch verbunden ist. Die Turbine 30 und der Verdichter 34 bilden zusammen einen Abgas-Turbolader 36. Zur Verdichtung der Luft verfügt der Verdichter 34 über eine Mehrzahl von Verdichterflügeln oder Verdichterschaufeln, welche in 1 jedoch nicht dargestellt sind. Die durch die Verdichtung erwärmte Ansaugluft wird durch einen Ladeluftkühler 38, der im Ansaugkanal 16 zwischen Verdichter 34 und Drosselklappe 21 angeordnet ist, gekühlt.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird durch eine Steuer- und Regeleinrichtung 40 gesteuert und geregelt. Insbesondere werden die Drosselklappe 21, der Injektor 18, das Zündsystem 24, und das Bypassventil 32 von der Steuer- und Regeleinrichtung 40 angesteuert. Hierzu erhält letztere Signale von verschiedenen Sensoren, so von einem HFM-Sensor 42, der die durch den Ansaugkanal 16 strömende Luftmasse stromaufwärts vom Verdichter 34 erfasst, und von einem Drucksensor 44, der unmittelbar stromabwärts vom Verdichter 34 den aktuellen Druck im Ansaugkanal 16 erfasst.
Durch den Verdichter 34 wird die dem Brennraum 12 zugeführte Verbrennungsluft verdichtet, was eine höhere Leistung der Brennkraftmaschine 10 ermöglicht. Der Druck der in den Brennraum 12 gepressten Luftfüllung ("Ladedruck") wird auf noch darzustellende Art und Weise vom Drucksensor 44 bereitgestellt und in einem geschlossenen Regelkreis durch die Steuer- und Regeleinrichtung 40 eingestellt. Hierzu wird die Leistung der Turbine 30 und damit auch des Verdichters 34 variiert, indem das Bypassventil 32 mehr oder weniger geöffnet wird.
Um eine möglichst schnelle und präzise Regelung des Ladedrucks zu erreichen, wird dieser nicht nur auf der Basis des vom Drucksensor 44 bereitgestellten Ladedrucks, sondern auch auf der Basis der aktuellen Drehzahl des Verdichters 34 geregelt. Der Ladedruck p_L und die Drehzahl n_ATL werden ausgehend von einem vom Drucksensor 44 bereitgestellten Signal U_p anhand eines Verfahrens ermittelt, welches nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird.
Zunächst wird das Ausgangssignal U_p des Drucksensors 44 in 46 einer A/D-Wandlung unterzogen. In 48 werden dann periodische Schwankungen ("Wechselanteile") U_n des Signals U_p separiert. Diese periodischen Schwankungen U_n werden durch die Druckwellen des Verdichters 34 hervorgerufen, die durch die einzelnen Verdichterflügel beziehungsweise Verdichterschaufeln des Verdichters 34 verursacht werden. Damit diese periodischen Schwankungen vom Drucksensor 44 erfasst werden können, ist es erforderlich, diesen, wie in 1 dargestellt ist, vergleichsweise nahe zum Verdichter 34 anzuordnen. Außerdem muss der Drucksensor 44 eine entsprechende Dynamik aufweisen.
Die durch den Hochpassfilter in 48 separierten periodischen Schwankungen werden nun in 50 einer Fourier-Transformation unterzogen, durch die die Frequenz F der periodischen Schwankungen ermittelt wird. Diese Frequenz F ist das Produkt aus der Drehzahl n_ATL und der Anzahl n_s der Verdichterschaufeln beziehungsweise -flügel. Daher wird nun in 52 die ermittelte Frequenz F durch die Anzahl n_s der Verdichterschaufeln dividiert, was schließlich zur Drehzahl n_ATL des Verdichters 34 führt.
Wie bereits oben erwähnt worden ist, wird das Signal U_p des Drucksensors 44 auch zur Ermittlung des Ladedrucks p_L verwendet, der unmittelbar stromaufwärts vom Einlassventil 14 beziehungsweise im Brennraum 12 selbst herrscht. Hierzu wird in 54 das Signal U_p einer Tiefpassfilterung unterzogen, was zu einem Mittelwert U_{p_m} des Drucksignals U_p führt. Dieser Mittelwert U_{p_m} entspricht dem Druck zwischen Verdichter 34 und Ladeluftkühler 38. Um hieraus den Druck unmittelbar stromaufwärts vom Einlassventil 14 zu erhalten, wird der Wert U_{p_m} in 56 einer Korrektur unterzogen, indem er multiplikativ oder additiv mit mindestens einem Korrekturfaktor, vorliegend mit K bezeichnet, beaufschlagt wird.
Der Korrekturfaktor K wird während der Auslegung der Parameter der Steuer- und Regeleinrichtung 40 beispielsweise auf einem Motorprüfstand ermittelt, indem der Druck vor und nach dem Ladeluftkühler 38 bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 10 gemessen wird. Der Korrekturfaktor K kann wiederum von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 abhängen, beispielsweise vom Luftmassendurchsatz dm/dt, der vom HFM-Sensor 42 erfasst wird.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Dabei gilt, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen von 1 aufweisen, nicht nochmals im Detail erläutert sind.
Bei der in 3 dargestellten Brennkraftmaschine 10 ist der Drucksensor 44 nicht unmittelbar im Ansaugkanal 16 stromabwärts vom Verdichter 34 angeordnet, sondern zusammen mit einem Schubumluftventil 58 in eine Baueinheit 60 integriert. Das Schubumluftventil 58 öffnet, wenn die Drosselklappe 21 geschlossen wird, um einen schnellen Druckabbau im Ansaugkanal 16 zu ermöglichen.
In 3 ist stromaufwärts vom HFM-Sensor 42 im Ansaugkanal 16 ferner ein Luftfilter 62 angeordnet, und stromaufwärts von diesem ist wiederum ein Umgebungsdrucksensor 64 vorhanden. Wie aus 2 ersichtlich ist, wird dessen Signal U_u zusammen mit dem gemittelten Signal U_{p_m}, welches mittels des Drucksensors 44 gewonnen wird, in einen Vergleichsblock 66 eingespeist. Wird festgestellt, dass die Differenz zwischen diesen beiden Signalen beziehungsweise den hieraus bestimmten Druckwerten einen Grenzwert überschreitet, wird in 68 eine Maßnahme durchgeführt. Diese kann beispielsweise in einem Eintrag in einen Fehlerspeicher bestehen, durch den bei einer Wartung signalisiert wird, dass der Luftfilter 62 verbraucht beziehungsweise verstopft ist und ausgetauscht werden muss.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl (n_ATL) eines Verdichters (34), insbesondere eines Turboladers (36), einer Brennkraftmaschine (10), bei dem der Druck in einem Bereich stromabwärts von dem Verdichter (34) erfasst und ein entsprechendes Drucksignal (U_p) bereit gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n_ATL) des Verdichters (34) aus einer periodischen Schwankung (U_n) mindestens eines Anteils des Drucksignals (U_p) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck unmittelbar stromabwärts von dem Verdichter (34) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Schwankungen (U_n) durch eine Hochpassfilterung von dem Drucksignal (U_p) separiert werden (48).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz (F) der periodischen Schwankungen (U_n) durch eine Frequenzanalyse, insbesondere eine Fourier-Transformation, ermittelt wird (50).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n_ATL) des Verdichters (34) durch eine Division der Frequenz (F) durch die Anzahl (n_s) der Flügel oder Schaufeln des Verdichters (34) erhalten wird (52).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert (U_{p_m}) des Drucksignals (U_p) durch eine Tiefpassfilterung erhalten wird (54).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert (U_{p_m}) so korrigiert wird (56), dass er wenigstens in etwa dem Druck (p_L) an einer bestimmten Stelle, vorzugsweise nach einem Ladeluftkühler (38), oder einem entsprechenden Signal entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Korrekturfaktor (K) verwendet wird, der von einer aktuellen Betriebsgröße der Brennkraftmaschine (10), insbesondere einem Luftmassenstrom (dm/dt) oder einem Luftvolumenstrom, abhängt.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Drucksignal (U_p) und einem Signal (U_u) eines Umgebungsdrucksensors (64) eine Druckdifferenz bestimmt und hieraus ein Funktionszustand eines Luftfilters (62) bestimmt wird (66).
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 programmiert ist.
Brennkraftmaschine (10) mit einem Verdichter (34), der in einem Luftzuführungskanal (16), durch den Luft einem Brennraum (12) zugeführt wird, angeordnet ist, und mit einem Drucksensor (44), welcher ein den Druck stromabwärts von dem Verdichter (34) charakterisierendes Signal (U_p) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40) nach Anspruch 12 umfasst.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (44) unmittelbar stromabwärts von dem Verdichter (34) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (44) mit einer Steuerungskomponente des Verdichters (34), insbesondere einem Schubumluftventil (58), eine Baueinheit (60) bildet.