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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Motorsysteme mit aufgeladenen Verbrennungsmotoren, insbesondere Verfahren zur Diagnose einer Ladedruckregelung.
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Stand der Technik
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Zur Einhaltung gesetzlich vorgegebener Emissionsgrenzwerte werden Diagnosefunktionen verlangt, die ein emissionsrelevantes Fehlverhalten von Fahrzeuguntersystemen erkennen können. Eines dieser Untersysteme besteht in der Ladedruckregelung, bei der ein Druck von Frischluft stromabwärts eines Kompressors der Aufladeeinrichtung, d. h. ein Ladedruck, auf einen zum Betreiben der Aufladeeinrichtung und des Verbrennungsmotors gewünschten Wert geregelt wird. Eine fehlerhafte Ladedruckregelung aufgrund eines zu langsamen Stellverhaltens kann sich auf die Emissionen des Verbrennungsmotors auswirken.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 050 026 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Steuer- und Regelkreisen in einem Motorsystem bekannt. Das Verfahren ermöglicht es, in Regelkreisen zu überwachen, ob die Systemgröße dem Vorgabewert bei dessen Änderung mit hinreichender Genauigkeit folgt. Dazu wird während überwachungsrelevanter Betriebssituationen die Abweichung zwischen dem Vorgabewert und der Systemgröße auf eine Kennzahl abgebildet. Abhängig von dieser Kennzahl kann festgestellt werden, ob die betreffende Regelung ordnungsgemäß arbeitet oder nicht. Bei nicht ordnungsgemäßer Funktion der Regelung weist die Kennzahl somit auf defekte Komponenten des Motorsystems hin. Die obige Kennzahl kann eine Größe darstellen, die die Regelungsgüte der Regelung angibt, und die Kennzahl kann beispielsweise aus einer Dreiecksfläche berechnet werden, die sich aus der Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert und der Steigung des Sollwerts zu einem Anfangszeitpunkt und einer vorbestimmten Zeitdifferenz ergibt. Weiterhin kann die Kennzahl auch durch Faltung zwischen den Signalverläufen von Sollwert und Istwert ermittelt werden, wobei vorzugsweise als Faltung der Sollwert- und Istwertverläufe eine Kreuzkorrelation angewandt wird. Das obige Diagnoseverfahren hat den Nachteil, dass die Ermittlung der Kennzahl aufwändig ist und Rechenoperation zur Ermittlung der Kennzahl notwendig sind.
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In der Aufladeeinrichtung werden in der Regel Steller verwendet, um den Ladedruck zu stellen. Beispielsweise kann der Kompressor mit einer Turbine im Abgasstrang mit einer variablen Turbinengeometrie vorgesehen werden, um die in Bewegungsenergie umgesetzte Abgasenthalpie zu steuern. Weiterhin kann um die Aufladeeinrichtung eine Bypassleitung vorgesehen sein, die einen Wastegate-Steller beinhaltet, um einen Teil des durch den Kompressor aufgebauten Ladedrucks zur Eingangsseite des Kompressors zurückzuführen.
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Zur Diagnose des verwendeten Stellers sieht ein weiteres Überwachungsverfahren vor, diesen bei geeigneten Motor- und Umweltbedingungen aktiv anzuregen und eine Antwort des Luftsystems auf die aktive Anregung in Folge von Querwirkung über die Abgasrückführungsstränge zu messen, beispielsweise mithilfe eines Luftmassensensors. Eine Auswertung des Sensorsignals des Luftmassensensors gibt Aufschluss darüber, ob ein langsames Verhalten des Ladedrucksystems vorliegt. Ein solches Diagnoseverfahren gemäß dem Stand der Technik ist nachteilig, da es nur bei bestimmten Fahrszenarien durchgeführt werden kann. Eines dieser Fahrszenarien ist häufig der Leerlauffall, der jedoch bei Verbrennungsmotoren mit einer Start-Stopp-Funktionalität oder bei Hybridantrieben nur sehr eingeschränkt oder sogar überhaupt nicht vorkommt. Daher ist die Anwendung des obigen Diagnoseverfahrens nicht mehr ohne weiteres möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Überwachen einer Ladedruckregelung für ein Motorsystem mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung, das Motorsystem und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Überwachen einer Ladedruckregelung in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – bei einer Ladedruckänderung, Ermitteln einer Kennzahl, die ein Maß eines Überschwingens eines Ist-Ladedrucks, der den momentanen Ladedruck angibt, gegenüber einem Soll-Ladedruck, der einen Ladedruck angibt, der durch das Motorsystem aufgebaut werden soll, angibt;
- – Feststellen eines Fehlers abhängig von der ermittelten Kennzahl.
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Das obige Verfahren ermöglicht es gegenüber dem Stand der Technik, eine passive Diagnosefunktion auf der Basis von systemrelevanten Größen des Ladedrucksystems bereitzustellen, die unabhängig von in der Aufladeeinrichtung verwendeten Stellern ein langsames Stellverhalten der Ladeluftregelung oder Blockieren des Stellens eines der verwendeten Steller erkennt.
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Dies wird dadurch erreicht, dass bei einem Betriebszustand, bei dem ein Ladedruckaufbau angefordert wird, wie beispielsweise bei einem sich ändernden Fahrerwunsch eines mit dem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeugs, der eine Beschleunigung anfordert, der zeitliche Verlauf des Ladedrucks auf das Auftreten eines Überschwingers überprüft wird. Überschwinger treten insbesondere dann auf, wenn die Ladedrucksteller, wie beispielsweise der Steller zum Einstellen einer variablen Turbinengeometrie der Turbine der Aufladeeinrichtung bzw. der Wastegate-Steller in einer Bypassleitung der Aufladeeinrichtung, zu langsam auf die durch die Ladedruckregelung vorgegebene Stellgröße reagieren, so dass sich die Ausregelzeit erheblich verlängert. Das Erkennen eines Überschwingens wird also als Anzeichen dafür verwendet, dass ein Fehler bei der Ladedruckregelung, insbesondere ein Fehler des zum Durchführen der Ladedruckregelung benötigten Stellers, vorliegt.
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Wird ein Überschwinger des Ladedrucks festgestellt, so kann also auf eine langsam reagierende Ladedruckregelung und insbesondere auf das Fehlerbild "langsam stellender Steller" oder Fehlerbilder mit gleichen Systemauswirkungen geschlossen werden. Damit ist es möglich, eine vom Steller unabhängige Erkennung einer zu langsamen Ladedruckregelung durchzuführen. Das vorgeschlagene Diagnoseverfahren hat den Vorteil, dass es auch in Start-Stopp-Motorsystemen und Hybridsystemen einsetzbar ist, da das Diagnoseverfahren keinen Leerlauf des Verbrennungsmotors erfordert, in jeder geeigneten Beschleunigungsphase des Verbrennungsmotors durchgeführt und beliebig wiederholbar eingesetzt werden kann. Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Diagnoseverfahren nicht in den Betrieb des Verbrennungsmotors eingreift, sondern lediglich das Systemverhalten überwacht und bei einer Abweichung des Systemverhaltens von einem gewünschten bzw. vorgegebenen Systemverhalten einen Fehler detektiert.
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Weiterhin kann die Kennzahl ermittelt werden, wenn eine Freigabebedingung erfüllt ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kennzahl abhängig von einer Integration einer Regelabweichung zwischen dem Ist-Ladedruck und dem Soll-Ladedruck ermittelt wird.
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Insbesondere kann die Integration gestartet werden, wenn der Ist-Ladedruck den Soll-Ladedruck übersteigt.
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Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Starten der Integration die Regelabweichung über eine vorbestimmte Zeit integriert wird, um die Kennzahl zu erhalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Integration der Regelabweichung bis zu einem Unterschreiten des Soll-Ladedrucks durch den Ist-Ladedruck durchgeführt werden.
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Die Integration kann zurückgesetzt werden, wenn die Regelabweichung einen vorgegebenen Regelabweichungsschwellenwert nicht übersteigt und/oder wenn die Anforderung des Soll-Ladedrucks nicht für eine vorgegebene Mindestzeitdauer anliegt.
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Weiterhin kann der Fehler festgestellt werden, wenn die Kennzahl einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Ladedruckänderung erkannt wird, wenn der zeitliche Gradient des Soll-Ladedrucks einen vorgegebenen Soll-Ladedruck-Gradienten-Schwellenwert übersteigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Überwachen einer Ladedruckregelung in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist:
- – um bei einer Ladedruckänderung eine Kennzahl zu ermitteln, die ein Maß eines Überschwingens eines Ist-Ladedrucks, der den momentanen Ladedruck angibt, gegenüber einem Soll-Ladedruck, der einen Ladedruck angibt, der durch das Motorsystem aufgebaut werden soll, angibt; und
- – um abhängig von der ermittelten Kennzahl einen Fehler festzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einer Ladedruckregelung und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren ausführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor und einer Aufladeeinrichtung;
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2 eine Funktionsdarstellung einer Ladedruckregelung mit einer Fehlererkennung;
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3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Überwachen einer Ladedruckregelung; und
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4 eine Darstellung der zeitlichen Verläufe eines Soll-Ladedrucks, eines Ist-Ladedrucks, einer Stellgröße und einer tatsächlichen Stellung des Stellers bei einer Lasterhöhung im Fehlerfall.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1, bei dem einem Verbrennungsmotor 2, beispielsweise einem Dieselmotor mit beispielsweise vier Zylindern 3, über einen Luftzuführungsabschnitt 4 ein Frischluftstrom zugeführt wird. Verbrennungsabgase werden aus dem Verbrennungsmotor 2 über einen Abgasabführungsabschnitt 6 abgeführt.
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Es ist eine Aufladeeinrichtung 5 vorgesehen, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Turbolader ausgeführt ist. Die Aufladeeinrichtung 5 umfasst eine Turbine 51 im Abgasabführungsabschnitt 6, die durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 2 angetrieben wird, und einen Kompressor 52, der mit der Turbine 51 gekoppelt ist, um in dem Luftzuführungsabschnitt 4 Frischluft unter einem Ladedruck bereitzustellen. In dem Luftzuführungsabschnitt 4 kann weiterhin eine einstellbare Drosselklappe 7 vorgesehen sein, um die Menge der in den Verbrennungsmotor 2 zugeführten Frischluft zu steuern.
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Es kann eine Motorsteuereinheit 8 vorgesehen sein, die neben der Einstellung der Drosselklappe 7 die Einspritzmenge des den Zylindern 3 zuzuführenden Kraftstoffs und den Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung 5 einstellen kann. Der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung 5 kann beispielsweise durch Variieren eines geeigneten Stellers 53, insbesondere eines Stellers zum Einstellen einer Turbinengeometrie der Turbine der Aufladeeinrichtung 5 oder eines Wastegate-Stellers zum Einstellen eines Gasmassenstroms durch eine um den Kompressor geführte Bypassleitung, eingestellt werden.
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Weiterhin kann eine Abgasrückführung 9 vorgesehen sein, um eine Emissionsoptimierung durch Einstellung einer Abgasrückführungsrate mithilfe eines Abgasrückführungsstellers 10 zu realisieren. Der Abgasrückführungssteller 10 wird ebenfalls durch die Motorsteuereinheit 8 gesteuert. Alternativ kann auch eine mehrstufige Abgasrückführung oder zusätzlich eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen sein.
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In dem Motorsystem 1 wird mithilfe der Motorsteuereinheit 8 eine Ladedruckregelung ausgeführt. Die Ladedruckregelung regelt durch Ansteuern des variierbaren Stellers 53 der Aufladeeinrichtung 5 den Druck der Frischluft stromabwärts bzw. ausgangsseitig des Kompressors 52. Bei der Ladedruckregelung können Fehler auftreten, die zu einer zu langsamen Änderung des Ladedrucks führen. Insbesondere können derartige Fehler durch einen zu langsamen Steller 53, d. h. einen zu langsam reagierenden Wastegate-Steller oder eine zu langsame Änderung der variablen Turbinengeometrie, hervorgerufen werden. Solche Fehler können beispielsweise bei Ausfall von Teilkomponenten des entsprechenden Stellers 53, bei Verschmutzungen oder ähnlichem auftreten.
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In 2 ist eine schematische Funktionsdarstellung einer Ladedruckregelung 20 dargestellt. Bei der Ladedruckregelung 20 wird der aktuelle Ist-Ladedruck pist auf einen durch Sollmoment Msoll und Solldrehzahl nsoll bestimmten Soll-Ladedruck psoll geregelt. Als Stellgröße gibt der entsprechende Ladedruckregler 21 eine Einstellung der Aufladeeinrichtung 5 an, mit der der Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung 5 eingestellt werden soll. Beispielsweise bestimmt der Ladedruckregler 21 die Stellung des Stellers 53, d. h. die Stellung der variablen Turbinengeometrie oder die Stellung des Wastegate-Stellers. Die Wirkungsgradeinstellung sowie der Luftmassenstrom, der in den Verbrennungsmotor 2 strömt, werden dem Luftsystemmodell 22 zugeführt und es wird daraus der Ist-Ladedruck pist, der in dem Luftzuführungsabschnitt 4 ausgangsseitig des Kompressors 52 der Aufladeeinrichtung 5 besteht, geschätzt oder ermittelt.
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Zusätzlich wird in einem Diagnoseblock 23 die Regelabweichung ausgewertet. Die Auswertung in dem Diagnoseblock 23 erfolgt durch Integration der Regelabweichung, wenn eine Lasterhöhung, beispielsweise eine Vollgasbeschleunigung, angefordert ist.
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Die Funktion der Diagnose wird nun anhand des Flussdiagramms der 3 näher erläutert. Wird in einer Abfrage eines Schritts S1 eine Änderung eines Fahrerwunschmoments in einem mit dem Motorsystem 1 betriebenen Kraftfahrzeug detektiert (Alternative: ja), beispielsweise durch Erkennen, dass ein zeitlicher Gradient eines Fahrerwunschmoments einen Schwellenwert übersteigt, so wird in der Abfrage des Schritts S2 überprüft, ob eine Freigabebedingung zum Start einer Fehlerüberwachung vorliegt. Andernfalls (Alternative: nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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Wird in Schritt S2 das Vorliegen der Freigabebedingung bzw. der Freigabebedingungen festgestellt, so wird in Schritt S3 ein Integrator in dem Diagnoseblock 23 gestartet, um die Regelabweichung zu integrieren.
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Der Integrator dient dazu, ein deutliches Überschwingen der Regelabweichung zu erkennen, das auf eine fehlerhafte Ladedruckregelung hinweisen kann. Insbesondere wurde festgestellt, dass das Überschwingen der Regelabweichung auf die Fehlerart eines zu langsam reagierenden Stellers 53 der Aufladeeinrichtung 5 hinweist.
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Bei einer Erhöhung des angeforderten Fahrerwunschmoments kommt es sowohl bei Diesel- als auch bei Ottomotoren zu einer Erhöhung des notwendigen Soll-Ladedrucks psoll, der durch eine entsprechende Einstellung von das Luftzuführungssystem 4 betreffenden Stellern, insbesondere dem Steller 53 der Aufladeeinrichtung 5, z. B. dem Wastegate-Steller oder dem Steller für die Einstellung der variablen Turbinengeometrie, dem Abgasrückführungssteller oder dergleichen, durch die Ladedruckregelung eingeregelt werden kann, so dass sich der Ladedruck entsprechend einstellt. Funktioniert die Ladedruckregelung ordnungsgemäß und folgen die in die Ladedruckregelung involvierten Steller ordnungsgemäß der jeweiligen durch die Ladedruckregelung vorgegebenen Stellgröße, so tritt in der Regel keine erhöhte Regelabweichung auf, d. h. die Regelabweichung bleibt unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts.
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Eine Möglichkeit, um einen Überschwinger des Ist-Ladedrucks pist zu erkennen, besteht in der Auswertung des Integrationswerts der Regelabweichung, d. h. der Fläche zwischen dem Soll-Ladedruck psoll und dem Ist-Ladedruck pist während des Überschwingers. Start, Dauer und Ende der Integration sind jeweils abhängig von verschiedenen Randbedingungen.
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Der Start der Integration erfordert das Erfüllen von Freigabebedingungen gemäß Schritt S2, beispielsweise einer Mindestfreigabemenge und eines Mindest-Soll-Ladedrucks. Insbesondere kann die Integration bei Überschreiten des Soll-Ladedrucks psoll durch den Ist-Ladedruck pist gestartet werden.
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Auch sollte als Freigabebedingung ausgeschlossen werden, dass Fehler im Luftzuführungssystem oder in anderen Systemen, die das Luftzuführungssystem direkt beeinflussen, vorhanden sind.
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In Schritt S4 wird abgefragt, ob die Integration des Schritts S3 beendet werden soll. Eine denkbare Methode, um das Ende der Integration festzulegen, ist eine vorgegebene Integrationsdauer. Um einen ausreichende Trennschärfe zu erreichen, könnten die Integrationswerte durch die Anzahl der Freigaben genormt werden, da hieraus Rückschlüsse auf die Größe des durchschnittlichen Überschwingens im Fahrzyklus gezogen werden können. Zusätzlich kann über einen Gewichtungsfaktor der Einfluss der für die Fehlfunktion charakteristischem besonders großen Überschwingen auf das Ergebnis noch weiter erhöht werden.
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Wird in Schritt S4 eine Bedingung für das Ende der Integration festgestellt (Alternative: Ja), so wird die Integration beendet und der Integratorwert in Schritt S5 als Kennzahl ausgewertet. Andernfalls wird die zeitliche Integration durch einen Rücksprung zu Schritt S3 fortgesetzt.
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Als Resultat ergibt sich eine Kennzahl, deren Größe ein Überschwingen der Regelabweichung für die Ladedruckregelung anzeigt und im Vergleich zu einem für das jeweilige System bestimmten Schwellenwert ein intaktes oder ein fehlerhaftes Motorsystem kennzeichnet. Die Kennzahl (Integrationswert) kann in einem Schwellenwertvergleich in Schritt S5 ausgewertet werden und ein Überschwingen kann durch Vergleichen mit einem vorgegebenen oder betriebspunktabhängigen Schwellenwert erkannt werden. Der betriebspunktabhängige Schwellenwert kann durch die Drehzahl und/oder Last des Verbrennungsmotors 2 bestimmt sein.
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In Schritt S6 wird signalisiert, ob ein zu langsam reagierender Steller 53 vorliegt oder nicht.
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Die Erkennung relevanten Überschwingens setzt voraus, dass zwischen einem Überschwingen aufgrund eines langsamen Stellers (oder anderer Fehlerbilder mit der gleichen Systemwirkung) und dem Überschreiten des Ist-Ladedrucks pist bezüglich des Soll-Ladedrucks psoll aus anderen Gründen klar unterschieden werden kann. Ein Überschwingen könnte somit als nicht relevant eingestuft werden (Freigabebedingung zum Starten der Integration), wenn es beispielsweise nicht zu einer Mindestregelabweichung führen und die Anforderung des Soll-Ladedrucks psoll nicht über eine gewisse Zeit statisch anliegt. Das als nicht relevant eingestufte Überschwingen muss nicht für das Diagnoseergebnis berücksichtigt werden und der Integratorwert kann verworfen werden.
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In 4 ist ein Signalverlaufsdiagramm der Größen Ist-Ladedruck pist, Soll-Ladedruck psoll, Stellgröße S für den Steller 53 der Aufladeeinrichtung 5 und Größen der tatsächlichen Stellung P1, P2 des Stellers 53 bei einer Erhöhung der angeforderten Last, erkennbar durch den Anstieg des Soll-Ladedrucks psoll, dargestellt. Die Größen der tatsächlichen Stellung P1, P2 des Stellers 53 bei einer Erhöhung der angeforderten Last betreffen zum Einen den Fall (P1) eines zu langsamen Stellens des Stellers und zum Anderen den Fall (P2) eines anfänglichen Klemmens des Stellers. Man erkennt das Überschreiten des Soll-Ladedrucks psoll durch den Ist-Ladedruck pist bei einer verlangsamten Reaktion der tatsächlichen Stellung P des Stellers 53 aufgrund auf einer entsprechenden Stellgröße S oder bei einem Klemmen des Stellers.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007050026 A1 [0003]
