DE102012222902A1

DE102012222902A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Fehlers in einem Luftzuführungssystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102012222902A1
Application number: DE201210222902
Authority: DE
Inventors: Martin Rauscher; Thomas Bleile; Michael Nau; Stefan Motz; Patrick Menold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-12
Also published as: KR20140076498A; CN103867319B; CN103867319A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers in einem Luftzuführungssystem (3) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (2), umfassend die folgenden Schritte: – Bestimmen einer tatsächlichen Drehzahl einer Aufladeeinrichtung (6); – Bestimmen einer Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung (6) anhand eines vorgegebenen Verdichterkennfelds; und – Feststellen eines ersten Fehlers in dem Luftzuführungssystem (3), wenn die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung (6) größer ist als die Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung (6).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere die Diagnose von Luftzuführungssystemen von Verbrennungsmotoren, insbesondere zum Prüfen auf Leckagen.
Stand der Technik
In einem Luftzuführungssystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors kommt es in einem Abschnitt stromabwärts der Aufladeeinrichtung zu einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Ladedruck. Tritt in diesem Abschnitt eine Leckage auf, so strömt komprimierte Frischluft in die Umgebung. Dadurch ergibt sich ein unplausibel hoher Luftmassenstrom durch einen Verdichter der Aufladeeinrichtung. Wird der Luftmassenstrom durch einen Luftmassenmesser stromaufwärts der Aufladeeinrichtung gemessen, so kann als Fehlerart eine Leckage in dem Hochdruckabschnitt nicht von einem positiv driftenden Luftmassenmesser unterschieden werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Diagnose eines Luftzuführungssystems eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung, das Motorsystem und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers in einem Luftzuführungssystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Bestimmen einer tatsächlichen Drehzahl einer Aufladeeinrichtung;
– Bestimmen einer Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung anhand eines vorgegebenen Verdichterkennfelds; und
– Feststellen eines ersten Fehlers in dem Luftzuführungssystem, wenn die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung größer ist als die Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, einen ersten Fehler, insbesondere eine Leckage in einem Hochdruckabschnitt des Luftzuführungssystems des Verbrennungsmotors, durch Überwachen der Drehzahl der Aufladeeinrichtung festzustellen. Liegt beispielsweise als Fehler eine Leckage im Luftzuführungssystem vor, so wird aus dem Verdichterkennfeld eine Solldrehzahl festgestellt, die höher ist als die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung. Das Verdichterkennfeld kann eine Beziehung zwischen einem Druckverhältnis zwischen Ausgangsseite und Eingangsseite des Verdichters der Aufladeeinrichtung, einem Luftmassenstrom, insbesondere einem temperaturkorrigierten Luftmassenstrom, und einer Drehzahl der Aufladeeinrichtung beschreiben.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei einer aktiven Abgasrückführung ein zweiter Fehler erkannt wird, wenn festgestellt wird, dass die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung kleiner ist als die bestimmte Solldrehzahl.
Weiterhin kann bei einer inaktiven Abgasrückführung der zweite Fehler erkannt werden, wenn festgestellt wird, dass ein gemessener Luftmassenstrom größer ist als ein durch ein Luftfüllungsmodell modellierter Luftmassenstrom.
Ist das Luftzuführungssystem des Verbrennungsmotors mit einem Luftmassenmesser versehen, so kann durch Überwachen der Drehzahl der Aufladeeinrichtung alleine nicht zuverlässig festgestellt werden, ob es sich bei dem aufgetretenen Fehler um eine Leckage im Hochdruckabschnitt oder um einen zweiten Fehler, wie z. B. einen positiv driftenden Luftmassenmesser, handelt. Zur Unterscheidung der Fehlerart ist es notwendig, dass das Motorsystem eine Abgasrückführung aufweist und die Drehzahl der Aufladeeinrichtung sowohl bei einer aktiven als auch bei einer inaktiven Abgasrückführung und der Luftmassenstrom bei der inaktiven Abgasrückführung ermittelt werden können. Durch Vergleich der sich ergebenden Werte mit sich aus dem Verdichterkennfeld betriebspunktabhängig ergebenden Werten kann das Auftreten einer Abweichung festgestellt werden. Je nachdem, ob keine Abweichung bzw. eine positive oder negative Abweichung auftritt, werden Systemzustände definiert, aus denen sich das Fehlerbild zusammensetzt. Durch ein charakteristisches Muster der Systemzustände kann auf die Fehlerart geschlossen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das Luftfüllungsmodell den modellierten Luftmassenstrom aus einem Ansaugverhalten des Verbrennungsmotors abhängig von einer Motordrehzahl des Verbrennungsmotors und dem Hubvolumen von Brennräumen in Zylindern des Verbrennungsmotors ermittelt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Recheneinheit, zum Bestimmen eines Fehlers in einem Luftzuführungssystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um

– eine tatsächliche Drehzahl einer Aufladeeinrichtung zu bestimmen;
– eine Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung anhand eines vorgegebenen Verdichterkennfelds zu bestimmen; und
– einen ersten Fehler in dem Luftzuführungssystem festzustellen, wenn die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung größer ist als die Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, einem Luftzuführungssystem und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Recheneinrichtung, insbesondere der obigen Vorrichtung, ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Diagnose des Luftzuführungssystems des Motorsystems der 1; und
3 eine diagrammartige Darstellung eines Verdichterkennfelds für eine Aufladeeinrichtung zur Bestimmung von Referenzwerten.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2. Der Verbrennungsmotor 2 kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich in Form eines Diesel- oder Ottomotors ausgebildet sein, wobei bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Verbrennungsmotor 2 als Dieselmotor ausgebildet ist.
Den Zylindern des Verbrennungsmotors 2 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 3 zugeführt und Verbrennungsabgase werden über einen Abgasabführungsabschnitt 4 (Abgastrakt) abgeführt.
Es ist eine Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen, die einen in dem Luftzuführungssystem 3 angeordneten Verdichter 61 und eine in dem Abgasabführungsabschnitt 4 vorgesehene Turbine 62 aufweist. Die Turbine 62 und der Verdichter 61 sind mechanisch miteinander gekoppelt, beispielsweise über eine Welle 63, so dass antreibende Abgasenthalpie des Verbrennungsabgases durch die Turbine 62 in mechanische Verdichterleistung umgesetzt werden kann.
Die Aufladeeinrichtung 6 kann turbinenseitig mit einem Aufladeeinrichtungsstellgeber 64 versehen sein. Der Aufladeeinrichtungsstellgeber 64 kann beispielsweise als Stellgeber zur Verstellung einer Turbinengeometrie, als ein Wastegateventil oder dergleichen ausgebildet sein. Mithilfe des Aufladeeinrichtungsstellgebers 64 kann der Anteil der in der der Turbine 62 in mechanische Leistung umgesetzten Abgasenthalpie eingestellt werden.
Der Verdichter 61 ist ausgebildet, um Frischluft aus einer Umgebung des Motorsystems 1 anzusaugen und unter einem erhöhten Druck in einem Hochdruckabschnitt 31 des Luftzuführungssystems 3 bereitzustellen.
Die Aufladeeinrichtung 6 ist weiterhin mit einem Drehzahlsensor 65 versehen, der entweder seitens der Turbine 62, des Verdichters 61 oder direkt an der Welle 63 eine Drehzahl ermittelt und an die Steuereinheit 15 signalisiert.
Weiterhin ist eine Abgasrückführungsleitung 8 vorgesehen, um Verbrennungsabgas aus dem Abgasabführungsabschnitt 4 in einem Saugrohrabschnitt 32 des Luftzuführungssystems 3 rückzuführen. In der Abgasrückführungsleitung 8 ist ein Abgasrückführungsventil 9 angeordnet, um die Menge des rückgeführten Verbrennungsabgases bzw. den Anteil des rückgeführten Verbrennungsabgases am gesamten Gaseintrag in die Zylinder des Verbrennungsmotors 2 einstellen zu können.
Zwischen dem Hochdruckabschnitt 31 und dem Saugrohrabschnitt 32 ist eine Drosselklappe 10 vorgesehen, um die in den Verbrennungsmotor 2 strömende Frischluftmenge einstellen zu können.
Stromaufwärts des Verdichters 61 ist ein Luftmassenmesser 11, beispielsweise in Form eines Heißfilm-Luftmassenmessers, vorgesehen, um die in das Luftzuführungssystem 3 strömende Frischluftmenge als Angabe eines Luftmassenstroms zu detektieren.
Es ist ferner eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die den Betrieb des Verbrennungsmotors 2 abhängig von einer externen Vorgabegröße V, wie beispielsweise einem Fahrerwunschmoment bzw. Sollmoment, steuert. Dazu kann die Steuereinheit 15 mit der Drosselklappe 10, dem Abgasrückführungsventil 9 sowie Einspritzventilen an (nicht gezeigten) Zylindern des Verbrennungsmotors 2 verbunden sein, um im Falle des Dieselmotors durch Stellen der Einspritzmenge von zuzuführendem Kraftstoff, des Abgasrückführungsventils 9 und der Drosselklappe 10 das von dem Verbrennungsmotor 2 bereitgestellte Antriebsmoment entsprechend der Vorgabegröße V einzustellen. Weiterhin kann die Steuereinheit 15 mit dem Aufladeeinrichtungsstellgeber 64 der Aufladeeinrichtung 6 verbunden sein, um den Wirkungsgrad bzw. den Anteil der in mechanische Verdichterleistung umzusetzenden Abgasenthalpie einstellen zu können.
Während des Betriebs können Leckagen im Hochdruckabschnitt 31 des Luftzuführungssystems 3 auftreten, die zu einem reduzierten Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch und/oder einer höheren Schadstoffemissionen führen können.
In Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 wird nachfolgend ein Verfahren zur Diagnose des Luftzuführungssystems 3 veranschaulicht, insbesondere zum eindeutigen Feststellen, ob eine Leckage in dem Hochdruckabschnitt 31 des Luftzuführungssystems 3 vorliegt. Das Verfahren zur Diagnose des Luftzuführungssystems 3 kann in der Steuereinheit 15 als Software, Hardware oder Firmware realisiert sein oder kann von der Steuereinheit 15 separat durchgeführt werden.
Das Verfahren wird während des laufenden Betriebs des Motorsystems 1 durchgeführt. Zunächst wird in Schritt S1 überprüft, ob eine Abgasrückführung aktiv oder inaktiv ist. Bei einer aktiven Abgasrückführung ist das Abgasrückführungsventil 9 zumindest teilweise geöffnet, so dass ein Abgasstrom in den Saugrohrabschnitt 32 des Luftzuführungssystems 3 strömen kann. Bei einer inaktiven Abgasrückführung ist das Abgasrückführungsventil 9 vollständig geschlossen, so dass kein Abgasstrom in den Saugrohrabschnitt 32 des Luftzuführungssystems 3 strömt.
Wird in Schritt S1 festgestellt, dass die Abgasrückführung aktiv ist (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S10 fortgesetzt.
In Schritt S2 wird mithilfe des Drehzahlsensors 65 eine Drehzahl der Aufladeeinrichtung 6, insbesondere eine Drehzahl der Welle 63, ermittelt und eine entsprechende Angabe der Steuereinheit 15 bereitgestellt.
In Schritt S3 werden mithilfe eines Verdichterkennfelds, das in dem Diagramm der 3 beispielhaft dargestellt ist, die Referenzdrehzahl des Verbrennungsmotors 2 ermittelt.
Die 3 zeigt für einen bekannten Umgebungsdruck und eine bekannte Umgebungstemperatur einen festen Zusammenhang zwischen einem Luftmassenstrom, einem Druckverhältnis über dem Verdichter 61 und einer Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung 6 für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Aufladeeinrichtung 6. Wie anhand der Pfeile dargestellt, kann bei bekanntem Druckverhältnis über dem Verdichter 61 und einer Angabe eines korrigierten Luftmassenstroms (korrigiert abhängig von der Umgebungstemperatur und vom Umgebungsdruck) durch den Schnittpunkt mit einer der Drehzahlkurven Kn die sich bei ordnungsgemäßem Betrieb an der Aufladeeinrichtung 6 einzustellende Drehzahl ermittelt werden.
Wird in einem Abfrageschritt S4 festgestellt, dass die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung 6 kleiner ist als die sich aus dem Verdichterkennfeld ergebende Solldrehzahl (Alternative: Ja), so kann ein Fehler erkannt werden, der einem positiv driftenden Luftmassenmesser 11 entspricht. Dieser Fehler wird in Schritt S5 signalisiert.
Wird dagegen in Schritt S4 festgestellt, dass die Drehzahl der Aufladeeinrichtung 6 der Solldrehzahl entspricht (Alternative: Nein), so wird kein Fehler festgestellt und zu Schritt S1 zurückgesprungen.
Bei einer in Schritt S1 festgestellten inaktiven Abgasrückführung wird in einem Schritt S10 zunächst ermittelt, welcher Frischluftmassenstrom in die Zylinder des Verbrennungsmotors 2 eingesaugt wird, was durch ein geeignetes Luftfüllungsmodell, das in der Steuereinheit 15 implementiert sein kann, vorgenommen wird. Dabei wird das Ansaugverhalten des Motors modelliert, z. B. basierend auf dem Hubvolumen von Brennräumen von Zylindern des Verbrennungsmotors, der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors, der Motortemperatur und dergleichen, um einen tatsächlichen Luftmassenstrom in den Verbrennungsmotor 2 zu bestimmen. Dies erfolgt unter der Annahme, dass die in den Verbrennungsmotor 2 strömende Luftmenge der durch die Aufladeeinrichtung 6 angesaugten und durch den Luftmassenmesser 11 gemessenen Luftmenge entspricht, was in einem stationärem Motorbetrieb der Fall ist.
In Schritt S11 wird der Luftmassenstrom mithilfe des Luftmassenmessers 11 gemessen.
Wird in einem Abfrageschritt S12 festgestellt, dass der in Schritt S11 gemessene Luftmassenstrom größer ist als der in Schritt S10 bestimmte tatsächliche Luftmassenstrom (Alternative: Ja), so werden anschließend in Schritt S13 die Drehzahl der Aufladeeinrichtung 6 mithilfe des Drehzahlsensors 65 und in Schritt S14 anhand des Verdichterkennfelds die Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung 6 bestimmt. Als Luftmasse wird der in S10 bestimmte Luftmassenstrom aus dem Luftfüllungsmodell verwendet.
Wird in dem Abfrageschritt S15 festgestellt, dass die Drehzahl der Aufladeeinrichtung 6 der Solldrehzahl entspricht (Alternative: Ja), so wird in Schritt S16 ein Fehler eines positiv driftenden Luftmassenmessers 11 signalisiert, d. h. der Luftmassenmesser 11 zeigt einen Wert des Luftmassenstroms an, der größer ist als der tatsächliche Luftmassenstrom.
Wird in dem Abfrageschritt S15 dagegen eine tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung 6 festgestellt, die größer ist als die Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung 6 (Alternative: Nein), so wird ein Fehler einer Leckage im Hochdruckabschnitt 31 des Luftzuführungssystems 3 festgestellt und in Schritt S17 entsprechend signalisiert.
Wird in Schritt S12 keine Abweichung des tatsächlichen Luftmassenstroms von dem gemessenen Luftmassenstrom detektiert (Alternative: Nein), so wird kein Fehler festgestellt und zu Schritt S1 zurückgesprungen.
Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren 2 ohne externe Abgasrückführung und ohne Luftmassenmesser 11, typischerweise Ottomotoren, wird der Luftmassenstrom der angesaugten Frischluft über das Ansaugverhalten des Motors modelliert, wie es in Verbindung mit dem Schritt S10 beschrieben wurde. Hierdurch ergibt sich ein zu dem aus Verdichtermessgrößen ermittelten Luftmassenstrom redundantes Signal. Bei einer Leckage im Luftzuführungssystem 3 stromabwärts des Verdichters 61 wird die Drehzahl der Aufladeeinrichtung 6 ansteigen, so dass auch der aus Verdichtermessgrößen berechnete Luftmassenstrom ansteigt. Der aus dem Luftfüllungsmodell bestimmte Luftmassenstrom bleibt jedoch von der Leckage unbeeinflusst. Aus der Differenz des aus dem Verdichterkennfeld bestimmten Luftmassenstroms und des aus dem Luftfüllungsmodell bestimmten Luftmassenstroms kann auf das Fehlerbild einer Leckage geschlossen werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Fehlers in einem Luftzuführungssystem (3) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (2), umfassend die folgenden Schritte: – Bestimmen (S2) einer tatsächlichen Drehzahl einer Aufladeeinrichtung (6); – Bestimmen (S3) einer Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung (6) anhand eines vorgegebenen Verdichterkennfelds; und – Feststellen (S15) eines ersten Fehlers in dem Luftzuführungssystem (3), wenn die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung (6) größer ist als die Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung (6).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als der erste Fehler eine Leckage in einem Hochdruckabschnitt des Luftzuführungssystems (3) festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei einer aktiven Abgasrückführung ein zweiter Fehler erkannt wird, wenn festgestellt wird, dass die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung (6) kleiner ist als die bestimmte Solldrehzahl.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei einer inaktiven Abgasrückführung der zweite Fehler erkannt wird, wenn festgestellt wird, dass ein gemessener Luftmassenstrom größer ist als ein durch ein Luftfüllungsmodell modellierter Luftmassenstrom.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Luftfüllungsmodell den modellierten Luftmassenstrom aus einem Ansaugverhalten des Verbrennungsmotors (2) abhängig von einer Motordrehzahl des Verbrennungsmotors (2) und dem Hubvolumen von Brennräumen in Zylindern des Verbrennungsmotors (2) ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei als der zweite Fehler ein positiv driftender Luftmassenmesser (11) festgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verdichterkennfeld eine Beziehung zwischen einem Druckverhältnis zwischen Ausgangsseite und Eingangsseite eines Verdichters (61) der Aufladeeinrichtung (6), einem Luftmassenstrom, insbesondere einem abhängig von der Umgebungstemperatur und/oder dem Umgebungsdruck korrigierten Luftmassenstrom, und einer Drehzahl der Aufladeeinrichtung (6) beschreibt.
Vorrichtung, insbesondere Recheneinheit, zum Bestimmen eines Fehlers in einem Luftzuführungssystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (2), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um – eine tatsächliche Drehzahl einer Aufladeeinrichtung (6) zu bestimmen; – eine Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung (6) anhand eines vorgegebenen Verdichterkennfelds zu bestimmen; und – einen ersten Fehler in dem Luftzuführungssystem (3) festzustellen, wenn die tatsächliche Drehzahl der Aufladeeinrichtung (6) größer ist als die Solldrehzahl der Aufladeeinrichtung (6).
Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), einem Luftzuführungssystem (3) und einer Vorrichtung nach Anspruch 8.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches ein elektronisches Speichermedium nach Anspruch 11 aufweist