-
Die Erfindung betrifft Verdichter zur Verdichtung der Ladeluft für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur frühzeitigen Erkennung von Funktionsstörungen bzw. von Schäden einer Aufladeeinheit sowie zum frühzeitigen aktiven Eingriff in die Aufladeeinheit. Die Aufladeeinheit umfasst dabei typischerweise einen Verdichter und eine Antriebsturbine.
-
Verdichter werden in Fahrzeugen (z.B. Kraftfahrzeugen oder Automobilen) mit Verbrennungsmotor eingesetzt, um den Massenstrom der Ladeluft für den Verbrennungsmotor und damit die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Der Massenstrom ist typischerweise proportional zur Leistung des Verbrennungsmotors. Zur präzisen Regelung der Leistungsabgabe eines Ottomotors ist es daher wichtig, dass der Druck der Ladeluft im Sammler des Motors präzise eingestellt werden kann.
-
-
Die Bereitstellung eines bestimmten Ladeluftdrucks kann auf Dauer nur gewährleistet werden, wenn der oder die Verdichter einer Aufladeeinheit einwandfrei funktionieren und insbesondere keine mechanischen Schäden aufweisen. In Fahrzeugen können mehrere Verdichterstufen verwendet werden, um einen möglichst großen Bereich für Ladeluft-Massestrom und Ladeluft-Druck einstellen zu können. Bei einem mechanischen Schaden eines Verdichters oder einer Turbine (auch Lader oder Ladeeinheit genannt) wird der andere Lader typischerweise derart geregelt, dass dieser den gesamten vorgegebenen Druckanteil selbst aufbaut. Für den Fahrer ist der mechanische Schaden des einen Laders ist daher typischerweise nicht erkennbar, da der fehlende Druckaufbau durch einen anderen Verdichter kompensiert werden kann. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass geringe Schäden eines Laders nicht erkannt werden, und dass die höhere Belastung des kompensierenden anderen Laders zu einem Schaden auch dieses Laders führt.
-
Die vorliegende Erfindung adressiert die oben angesprochenen technischen Probleme. Insbesondere beschreibt die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen, die es ermöglichen, auch bei Verwendung von mehreren Verdichterstufen (bzw. Laderstufen), mechanische Defekte eines Laders frühzeitig zu erkennen. Dadurch können frühzeitig Gegenmaßnahmen, wie z.B. der Austausch einer defekten Verdichterstufe, vorgenommen werden, um u.a. einen Totalausfall der Aufladeeinheit des Fahrzeugs zu vermeiden. Weiterhin kann in die Regelung der Laderstufen eingegriffen werden, um so sicherzustellen, dass beide Laderstufen in ihrem jeweiligen sicheren Kennfeldbereich betrieben werden. Dazu können die mechanischen Grenzen (insbesondere die Pumpgrenze, die Drehzahlgrenze und die Stopfgrenze) der Laderstufen überwacht werden, und die Regelung der Laderstufen derart angepasst werden, dass die mechanischen Grenzen der Laderstufen nicht überschritten werden.
-
Gemäß einem Aspekt wird eine Aufladeeinheit für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Der Verbrennungsmotor kann in einem Fahrzeug (z.B. einen Kraftfahrzeug) verwendet werden. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Ottomotor handeln. Die Aufladeeinheit umfasst einen ersten Verdichter oder einen ersten Lader (z.B. einen Turbolader), der eingerichtet ist, den Luftdruck eines Luft-Massenstroms zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird der erste Verdichter mittels einer Abgasturbine durch einen Abgas-Massenstrom aus dem Verbrennungsmotor angetrieben. Der erste Lader kann z.B. den ersten Verdichter und eine erste Turbine zum Antrieb des ersten Verdichters umfassen. Die Aufladeeinheit umfasst dann ein erstes Bypassventil, das eingerichtet ist, den Abgas-Massenstrom zu der Abgasturbine des ersten Verdichters zu regulieren bzw. anzupassen. So kann die Leistung des ersten Verdichters und/oder der Betriebspunkt des ersten Verdichters eingestellt werden. Bei einer Aufladeeinheit, die eine Vielzahl von Verdichtern umfasst, kann es sich bei dem ersten Verdichter z.B. um einen Niederdruckverdichter und/oder um einen Hochdruckverdichter handeln.
-
Die Aufladeeinheit umfasst weiter einen ersten Drucksensor, der eingerichtet ist, einen vorderen Luftdruck des Luft-Massenstroms vor dem ersten Verdichter zu ermitteln. Der vordere Luftdruck kann auch als Druck vor dem ersten Verdichter bezeichnet werden. Mit anderen Worten, der erste Drucksensor kann eingerichtet sein, einen Luftdruck des Luft-Massenstroms flussaufwärts des ersten Verdichters zu messen (in Bezug auf die Flussrichtung des Luft-Massenstroms). Desweiteren umfasst die Aufladeeinheit einen zweiten Drucksensor, der eingerichtet ist, einen hinteren Luftdruck des Luft-Massenstroms nach dem ersten Verdichter zu ermitteln. Der hintere Luftdruck kann auch als Druck nach dem ersten Verdichter bezeichnet werden. Mit anderen Worten, kann der zweite Drucksensor eingerichtet sein, den Luftdruck des Luft-Massenstroms flussabwärts des ersten Verdichters zu messen (in Bezug auf die Flussrichtung des Luft-Massenstroms).
-
Die Aufladeeinheit umfasst einen ersten Regler, der eingerichtet ist, den Abgas-Massenstrom mit dem Ziel zu regeln, dass der Luftdruck nach dem ersten Verdichter, d.h. dass der hintere Luftdruck, einem ersten Soll-Druck entspricht. Bei dem ersten Regler handelt es sich um einen PI- oder einen PID-Regler. Bei Kenntnis des vorderen Luftdrucks, d.h. des Luftdrucks vor dem ersten Verdichter, ergibt sich aus dem ersten Soll-Druck nach Verdichter ein erstes Soll-Druckverhältnis für den ersten Verdichter. Bei einem konstanten vorderen Luftdruck und einem stationären ersten Soll-Druck nach Verdichter, ist auch das erste Soll-Druckverhältnis konstant. Andererseits, bei einem sich verändernden vorderen Luftdruck verändert sich auch das erste Soll-Druckverhältnis (auch bei stationärem ersten Soll-Druck).
-
Desweiteren umfasst die Aufladeeinheit eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, durch Vergleich des vorderen und des hinteren Luftdrucks mit vordefinierten Referenzdaten einen Defekt der Aufladeeinheit zu detektieren. Dabei kann auch der Wert des Massenstroms berücksichtigt werden. Der Massenstrom kann z.B. anhand eines Massenstrom-Sensors gemessen werden. Ein Beispiel für einen Massenstrom-Sensor ist ein HFM (Heißfilm-Luftmassen)-Sensor. Alternative oder ergänzend können geeignete Luftmassenmodelle verwendet werden, um den Massenstrom zu ermitteln. Bei den vordefinierten Referenzdaten kann es sich z.B. um Schwellwerte, um Referenzverläufe und/oder um ein Kennfeld des ersten Verdichters handeln.
-
Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, festzustellen, dass ein Defekt des ersten Verdichters und/oder Laders vorliegt, wenn das Verhältnis von vorderem Luftdruck zu hinterem Luftdruck für mehr als einen vordefinierten Zeitschwellwert um mehr als einen vordefinierten Druckschwellwert von dem ersten Soll-Druckverhältnis abweicht. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zu ermitteln, ob das von dem ersten Verdichter und/oder dem ersten Lader bereitgestellte tatsächliche Druckverhältnis von dem vorgegebenen Soll-Druckverhältnis abweicht. Wenn (im stationären Betrieb, d.h. bei konstantem ersten Soll-Druckverhältnis) die Abweichung den vordefinierten Druckschwellwert für einen Zeitraum überschreitet, der länger als der vordefinierte Zeitschwellwert ist, so kann von einem Defekt des ersten Laders und/oder des ersten Verdichters ausgegangen werden.
-
Die Steuereinheit ist eingerichtet, einen I-Anteil (d.h. einen integrativen Anteil) des ersten Reglers (insbesondere des ersten PI- oder PID-Reglers) zu ermitteln. Weiter ist die Steuereinheit eingerichtet, festzustellen, dass ein Defekt des ersten Verdichters und/oder des ersten Laders vorliegt, wenn der I-Anteil für mehr als den vordefinierten Zeitschwellwert über einem vordefinierten 1-Schwellwert liegt. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, festzustellen, dass ein Defekt des ersten Verdichters und/oder des ersten Laders vorliegt, wenn der I-Anteil für mindestens den vordefinierten Zeitschwellwert mindestens den vordefinierten I-Schwellwert aufweist. Mit anderen Worten, die Steuereinheit kann eingerichtet sein, festzustellen, dass im stationären Betrieb des ersten Verdichters der I-Anteil nicht gegen null konvergiert, sondern um mindestens oder um mehr als den vordefinierten I-Schwellwert von null abweicht. Diese Abweichung ist ein Indiz für das Vorliegen eines Defektes des ersten Laders.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, einen Referenzzeitraum oder eine Referenzzeitdauer für die Bereitstellung des ersten Soll-Druckverhältnisses durch den ersten Verdichter ausgehend von einem Anfangs-Druckverhältnis zu bestimmen. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf eine Vielzahl von Referenzverläufen für den Übergang von unterschiedlichen Anfangs-Druckverhältnissen zu unterschiedlichen Soll-Druckverhältnissen zuzugreifen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis von, an einer Vielzahl von Zeitpunkten ermittelten, vorderen und hinteren Luftdrücken des ersten Verdichters einen tatsächlichen Zeitraum oder eine tatsächliche Zeitdauer für die Bereitstellung des ersten Soll-Druckverhältnisses durch den ersten Verdichter ausgehend von dem Anfangs-Druckverhältnis zu bestimmen. Eine Abweichung des tatsächlichen Zeitraums von dem Referenzzeitraum kann ein Indiz für einen Defekt (z.B. für einen mechanischen Schaden) des ersten Verdichters sein. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, festzustellen, dass ein Defekt des ersten Laders vorliegt, wenn der tatsächliche Zeitraum den Referenzzeitraum um mindestens oder um mehr als einen vordefinierten Zeitraumschwellwert überschreitet. Somit können auch im dynamischen Betrieb des ersten Verdichters frühzeitig Defekte detektiert werden.
-
Im Falle einer mehrstufigen Aufladeeinheit, die eine Vielzahl von Ladern umfasst, kann jeder der Lader im stationären Betrieb bzw. im dynamischen Betrieb durch die oben beschriebene Verfahren überwacht werden und so ein Defekt des jeweiligen Laders detektiert werden.
-
Wie bereits oben dargelegt, kann die Aufladeeinheit mehrere Verdichterstufen umfassen. Insbesondere kann die Aufladeeinheit einen zweiten Verdichter umfassen, der eingerichtet ist, den von dem ersten Verdichter verdichteten Luft-Massenstrom weiter zu verdichten. Bei dem ersten Verdichter kann es sich um eine Niederdruckstufe und bei dem zweiten Verdichter kann es sich um eine Hochdruckstufe der Aufladeeinheit handeln. Außerdem kann die Aufladeeinheit einen dritten Drucksensor umfassen, der eingerichtet ist, einen Ladeluftdruck des Luft-Massenstroms nach dem zweiten Verdichter (d.h. flussabwärts nach dem zweiten Verdichter) zu ermitteln.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, ein erstes Kennfeld des ersten Verdichters und ein zweites Kennfeld des zweiten Verdichters zu verwenden. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, das erste Kennfeld und das zweite Kennfeld zu verwenden, um festzustellen, dass die Aufladeeinheit einen Defekt aufweist und/oder um sicherzustellen, dass der erste Verdichter und der zweite Verdichter in ihrem jeweiligen sicheren Kennfeldbereich betrieben werden, um so eine Überbeanspruchung der Verdichter zu vermeiden. Das erste und zweite Kennfeld umfassen typischerweise jeweilige Pumpgrenzen, Drehzahlgrenzen und Stopfgrenzen, die einen jeweiligen sicheren Kennfeldbereich für den ersten und zweiten Verdichter definieren. Ein Verdichter kann typischerweise innerhalb des sicheren Kennfeldbereichs in stabiler und nachhaltiger Weise betrieben werden. Außerdem kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis des vorderen und hinteren Luftdrucks des Verdichters und des Massenstroms einen jeweiligen Betriebspunkt des ersten und zweiten Verdichters zu bestimmen. Zur Bestimmung des Betriebspunktes zieht die Steuereinheit typischerweise auch Informationen (z.B. Messsignale und/oder Modellberechnungen) in Bezug auf den Luft-Massenstrom heran. Mit anderen Worten, die Steuereinheit kann eingerichtet sein, für jeden der Verdichter einen Betriebspunkt zu ermitteln. Insbesondere kann der Betriebspunkt auf Basis des jeweiligen Luftdrucks vor und nach dem Verdichter und auf Basis des Luft-Massenstroms durch den Verdichter ermittelt werden.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, festzustellen, dass wenn einer der beiden Verdichter außerhalb seines sicheren Kennfeldbereichs betrieben wird, die Aufladeeinheit (z.B. der andere der beiden Verdichter oder Lader) einen Defekt aufweist. Typischerweise werden die beiden Verdichter derart betrieben, dass der erste und zweite Verdichter zusammen einen Luft-Massenstrom mit einem bestimmten Ladeluftdruck bereitstellen. Ein Defekt einer der beiden Verdichter kann dazu führen, dass der andere Verdichter stärker belastet wird und dadurch nicht mehr in seinem sicheren Kennfeldbereich betrieben wird. Folglich ist der Betrieb außerhalb des Kennfeldbereichs ein Indikator dafür, dass einer der Verdichter oder Lader (typischerweise der jeweils andere Verdichter oder Lader) einen Defekt aufweist.
-
Der erste und zweite Verdichter können durch separate erste und zweite Regler mit dem Ziel geregelt werden, jeweilige erste und zweite Soll-Drücke bereitzustellen. Bei den ersten und zweiten Reglern kann es sich insbesondere um PI- oder PID-Regler handeln. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den ersten Soll-Druck für den ersten Verdichter und den zweiten Soll-Druck für den zweiten Verdichter derart anzupassen, dass der erste und der zweite Verdichter in ihrem jeweiligen sicheren Kennfeldbereich betrieben werden. So kann sichergestellt werden, dass auch bei Vorliegen eines Defekts eines der beiden Verdichter oder Lader, der andere Verdichter nicht durch eine Überbeanspruchung (d.h. durch ein Betreiben außerhalb des sicheren Kennfeldbereichs) geschädigt wird.
-
Mit anderen Worten, die Aufladeeinheit (bzw. die Steuereinheit) kann eingerichtet sein, einen Defekt des ersten und/oder zweiten Laders zu detektieren. Dazu können die in diesem Dokument beschrieben Überwachung im stationären und/oder im dynamischen Betrieb herangezogen werden. Alternativ oder ergänzend kann die Aufladeeinheit (bzw. die Steuereinheit) eingerichtet sein, die mechanischen Ladergrenzen (d.h. insbesondere die Pumpgrenze, die Drehzahlgrenze und die Stopfgrenze) des ersten und/oder zweiten Laders zu überwachen. Desweiteren kann die Aufladeeinheit (bzw. die Steuereinheit) eingerichtet sein, in die Regelung des ersten und/oder zweiten Laders einzugreifen, wenn ein Defekt und/oder eine Überschreitung der mechanischen Grenzen eines Laders detektiert wurden. Beispielsweise kann die Regelung eines Laders derart verändert werden, dass der Lader innerhalb des sicheren Kennfeldbereichs betrieben wird. Außerdem kann auch die Regelung eines mglw. defekten Laders derart angepasst werden, dass die Aufladeeinheit das zu erbringende Gesamtdruckverhältnis aufrechterhält. Eine Änderung der Regelung der Lader kann durch eine Änderung der jeweiligen Soll-Drücke erreicht werden. Beispielsweise kann durch die Reduzierung des Soll-Drucks, ein Lader wieder zurück in den sicheren Kennfeldbereich gebracht werden. Andererseits kann durch eine Erhöhung des Soll-Drucks ein mglw. defekter Lader dazu gebracht werden, ein höheres Druckverhältnis bereitzustellen.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, eine Fehlermeldung zu generieren, wenn ein Defekt der Aufladeeinheit detektiert wird. Diese Fehlermeldung kann z.B. einem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt werden, mit der Aufforderung das Fahrzeug überprüfen zu lassen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Erkennung von Defekten einer Aufladeeinheit für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Die Aufladeeinheit umfasst einen ersten Verdichter, der eingerichtet ist, den Luftdruck eines Luft-Massenstroms zu erhöhen. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines vorderen Luftdrucks des Luft-Massenstroms vor dem ersten Verdichter und das Ermitteln eines hinteren Luftdrucks des Luft-Massenstroms nach dem ersten Verdichter. Außerdem umfasst das Verfahren das Vergleichen des vorderen und hinteren Luftdrucks mit vordefinierten Referenzdaten, um einen Defekt der Aufladeeinheit zu detektieren.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
-
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
- 1 ein Blockdiagram einer beispielhaften Aufladeeinheit für einen Verbrennungsmotor;
- 2a und 2b beispielhafte Kennfelder von Verdichtern; und
- 2c einen beispielhaften Übergang zwischen verschiedenen Betriebspunkten eines Laders.
-
1 zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften Aufladeeinheit 100 für einen Verbrennungsmotor 109 (insbesondere für einen Ottomotor). Aus der Umgebung wird Luft über einen Luftfilter 101 angesogen. Der Umgebungsdruck der Luft wird über einen Umgebungsdrucksensor 102 gemessen. Anhand eines ersten Verdichters (oder Laders) 103 (auch Niederdruckstufe genannt) wird die Luft verdichtet, wobei ein Zwischenstufendrucksensor 104 den Druck am Ausgang der Niederdruckstufe 103 misst. Ein zweiter Verdichter 105 (auch Hochdruckstufe genannt) führt zu einer weiteren Verdichtung der Luft. Die so verdichtete Luft wird über einen Ladeluftkühler 108 zu dem Verbrennungsmotor 109 geführt. Der Druck der verdichteten Luft am Ausgang der Hochdruckstufe 105, d.h. der Ladeluftdruck, wird durch einen Ladeluftdrucksensor 107 ermittelt.
-
Die Aufladeeinheit 100 in 1 verwendet Abgasturbolader 103, 105 als Verdichter. Ein Turbolader 103, 105 umfasst eine Abgasturbine und eine Verdichterturbine, die auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Die Abgasturbine wird durch einen Teil der Abgase aus dem Verbrennungsmotor 109 angetrieben und treibt damit den Verdichter bzw. die Verdicherturbine an. Die Leistung der Abgasturbine, die den Betriebspunkt des Verdichters beeinflusst, kann durch den Abgas-Massestrom gesteuert werden. Eine Erhöhung des Abgas-Massestroms führt typischerweise zu einer Erhöhung der Leistung und umgekehrt. Zur Regulierung des Abgas-Massestroms für die Verdichterstufen 103, 105 umfasst die Aufladeeinheit 100 korrespondierende Bypassventile 113, 115 (auch Wastegates genannt). Insbesondere umfasst die Aufladeeinheit 100 ein Niederdruckventil 113, das eingerichtet ist, den Abgas-Massestrom zu der Niederdruckstufe 103 zu regulieren und ein Hochdruckventil 115, das eingerichtet ist, den Abgas-Massestrom zu der Hochdruckstufe 105 zu regulieren. Desweiteren zeigt 1 ein Abgasrohr 110, durch das die Abgase die Aufladeeinheit 100 verlassen können.
-
Die Aufladeeinheit 100 aus 1 umfasst weiter eine Rückschlagklappe 106. Die Rückschlagklappe 106 ermöglicht es, die von der Niederdruckstufe 103 verdichtete Luft an der Hochdruckstufe 105 vorbeizuführen, wenn die Hochdruckstufe 105 an ihre mechanische Grenze gelangt. Andererseits verhindert die Rückschlagklappe 106 einen Rückfluss der von der Hochdruckstufe 105 verdichteten Luft.
-
1 zeigt weiter eine Steuereinheit 120, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Messsignalen 121, Steuersignale 122 zu generieren. Beispielsweise kann die Steuereinheit 120 die Druckmesssignale 121 von dem Umgebungsdrucksensor 102, von dem Zwischendrucksensor 104 und von dem Ladeluftdrucksensor 107 empfangen. Die Steuereinheit 120 kann dann Steuersignale 122 für das Niederdruckventil 113 für das Hochdruckventil 115 und für die Rückschlagklappe 106 ermitteln, so dass im Sammler des Motors 109 ein vorgegebener Ladeluftdruck vorliegt.
-
Bei einem mechanischen Schaden eines der beiden Lader 103, 105 erfolgt die Steuerung typischerweise derart, dass versucht wird durch den anderen Lader 103, 105 den gesamten vorgegebenen Druckanteil aufzubauen. Dabei kann typischerweise schnell die Pumpgrenze des kompensierenden Laders erreicht werden, was bei länger andauerndem Überschreiten zu einem Defekt der gesamten Ladeeinheit 100 führen kann. Die Kompensation eines Laders 103 durch einen anderen Lader 105 ist typischerweise während der Fahrt nicht für einen Fahrer des Fahrzeugs spürbar.
-
In dem vorliegenden Dokument werden Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, die es ermöglichen mechanische Schäden an einem Lader 103, 105 frühzeitig zu erkennen, um so möglichst frühzeitig Gegenmaßnahmen (wie z.B. den Austausch des beschädigten Laders 103, 105) einleiten zu können. Dadurch kann die Gefahr von Defekten der gesamten Ladeeinheit 100 reduziert werden.
-
Insbesondere wird vorgeschlagen, die Betriebspunkte der Lader 103, 105 einer Aufladeeinheit 100 zu ermitteln und mit den jeweiligen Kennfeldern der Lader 103, 105 zu vergleichen. Ein Überschreiten einer Grenze des Kennfeldes eines Laders 103, 105 kann als ein Indiz für einen mechanischen Schaden eines Laders 103, 105 der Aufladeeinheit 100 genommen werden. Insbesondere kann angenommen werden, dass, wenn eine Grenze des Kennfeldes des Niederdruckladers 103 überschritten wird, der Hochdrucklader 105 einen mechanischen Defekt aufweist, und umgekehrt. Bei Überschreiten einer Grenze des Kennfeldes eines Laders 103, 105 kann eine Fehlermeldung generiert werden, um eine Überprüfung der Aufladeeinheit 100 anzustoßen. Damit kann erreicht werden, dass ein mechanischer Schaden eines Laders 103, 105 frühzeitig erkannt wird und nicht zu einem Defekt der gesamten Aufladeeinheit 100 führt.
-
2a zeigt ein beispielhaftes Kennfeld 200 eines Laders 103, 105. Auf dem Kennfeld 200 wird der Zusammenhang zwischen dem Luft-Massestrom 201 durch den Lader 103, 105 und der, durch den Lader 103, 105 erbrachten, Druckerhöhung 202 dargestellt. Der sichere Betriebsbereich des Laders 103, 105 ist durch verschiedene Grenzen definiert. Die Pumpgrenze 206 zeigt für einen bestimmten Luft-Massestrom 201 die jeweils maximal mögliche Druckerhöhung 202 an, die durch den Lader 103, 105 erbracht werden kann. Eine Erhöhung des Druckverhältnisses des Laders 103, 105 bei unverändertem Luft-Massenstrom 201 führt zu einer Überschreitung der Pumpgrenze 206 und damit zu einem instabilen Betrieb des Laders 103, 105. Die Drehzahlgrenze 205 beschreibt die maximale Drehzahl der Welle für die der Lader 103, 105 ausgelegt ist. Ein Betrieb des Laders 103, 105 bei Drehzahlen, die oberhalb der Drehzahlgrenze 205 liegen, kann zu einer Zerstörung des Laders 103, 105 führen. Die Stopfgrenze 207 (auch Schluckgrenze genannt) beschreibt den maximalen Luft-Massenstrom 201 für eine bestimmte Druckerhöhung 202 der durch den Lader 103, 105 erbracht werden kann.. Eine Erhöhung des Luft-Massenstroms 201 bei gleich bleibender Druckerhöhung 202 führt zu einer Überschreitung der Stopfgrenze 207 und damit zu einem instabilen Betrieb des Laders 103, 105. 2a zeigt außerdem Linien 204 mit gleicher Drehzahl und Linien 203 mit gleichem Wirkungsgrad des Laders 103, 105.
-
Das Übertreten der mechanischen Grenzen eines Verdichters 103, 105 kann durch die Überwachung der Pump-, Schluck- und Drehzahlgrenzen 206, 207, 205 (welche z.B. als Kennfelder 200 in der Steuereinheit 120 hinterlegt sind) verhindert werden. Im Falle einer Überschreitung der Grenzen 206, 207, 205 eines Laders 103, 105 kann die Vorgabe des Soll-Druckes für den Lader 103, 105 so manipuliert werden, dass sich die Aufladeeinheit 100 wieder im sicheren Kennfeldbereich bewegt. Um das geforderte Gesamt-Druckverhältnis aufrecht zu erhalten, sollte der zweite Lader 103, 105 dies durch Erhöhung seines Druchverhältnisses ausgleichen. Das Gesamtdruckverhältnis welches durch die Aufladeeinheit 100 erbracht wird, errechnet sich typischerweise aus der Multiplikation der Druckverhältnisse beider Lader 103, 105 der Aufladeeinheit 100.
-
2b zeigt beispielhafte Kennfelder 250 der Lader 103, 105 einer zweistufigen Aufladeeinheit 100. Insbesondere zeigt 2b das Kennfeld 255 der Hochdruckstufe 105 und das Kennfeld 253 der Niederdruckstufe 103. Diese Kennfelder 253, 255 können in der Steuereinheit 120 hinterlegt werden, so dass die Steuereinheit 120 überprüfen kann, ob die Lader 103, 105 innerhalb ihrer jeweiligen Kennfeld-Grenzen 206, 207, 205 betrieben werden. Dazu kann die Steuereinheit 120 Messsignale 121 empfangen. Insbesondere kann die Steuereinheit 120 aus dem Ladeluftdruck (der durch den Ladeluftdrucksensor 107 gemessen wird) und aus dem Zwischenstufenluftdruck (der durch den Zwischenstufendrucksensor 104 gemessen wird) die durch die Hochdruckstufe 105 erbrachte Druckerhöhung 202 ermitteln. In ähnlicher Weise kann die Steuereinheit 120 aus dem Zwischenstufenluftdruck 104 und dem Umgebungsluftdruck (der durch den Umgebungsdrucksensor 102 gemessen wird), die durch die Niederdruckstufe 103 erbrachte Druckerhöhung 202 ermitteln.
-
Desweiteren können anhand eines geeigneten Massenstrom-Sensors (nicht in 1 gezeigt) in Kombination mit einem Modell aus der Motorsteuerung, die Massenströme durch die Hochdruckstufe 105 und durch die Niederdruckstufe 103 ermittelt werden. Zur Ermittlung des, für das Kennfeld 200, 250 eines Laders 103, 105 relevanten, korrigierten Luftmassenstroms 201 können auch die Lufttemperatur und/oder der Luftdruck an dem jeweiligen Lader 103, 105 gemessen und als Messsignal 121 der Steuereinheit 120 zu Verfügung gestellt werden. Durch die jeweilige Lufttemperatur und/oder den jeweiligen Luftdruck kann aus einem gemessenen Luftmassenstrom der, für das Kennfeld 200, 250 relevante, korrigierte Luftmassenstrom 201 ermittelt werden.
-
Mit den oben beschriebenen Messsignalen 121 kann die Steuereinheit 120 den Betriebspunkt der Niederdruckstufe 103 und der Hochdruckstufe 105 bestimmen. Der ermittelte Betriebspunkt kann mit dem jeweiligen Kennfeld 253, 255 verglichen werden, und es kann so ermittelt werden, ob der jeweilige Lader 103, 105 außerhalb des von den Kennfeld-Grenzen 206, 207, 205 beschriebenen Bereichs (dem sogenannten „sicheren Kennfeldberich“) betrieben wird.
-
Die Steuereinheit 120 kann eingerichtet sein, Steuersignal 122 zu generieren, die die Bypassventile 113, 115 derart einstellen, dass beide Lader 103, 105 innerhalb des durch die jeweiligen Kennfeld-Grenzen 206, 207, 205 beschriebenen Bereichs betrieben werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass kein Lader 103, 105 außerhalb seines sicheren Kennfeldbereichs betrieben wird und damit Gefahr läuft, zerstört zu werden.
-
Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit 120 eingerichtet sein, einen Alarm oder Hinweis zu generieren, wenn festgestellt wird, dass mindestens einer der beiden Lader 103, 105 außerhalb des sicheren Kennfeldbereichs betrieben wird. Insbesondere kann ein optischer oder akustischer Hinweis generiert werden, um einen Fahrer des Fahrzeugs aufzufordern, die Aufladeeinheit 100 überprüfen zu lassen.
-
Durch den Abgleich des Betriebspunktes eines Laders 103, 105 mit dem Kennfeld 253, 255 des Laders 103, 105 können frühzeitig mechanischen Schäden eines Laders 103, 105 erkannt werden. Alternativ oder ergänzend kann eine Analyse des für den Lader 103, 105 verwendeten Regelungsalgorithmus dazu verwendet werden, frühzeitig einen Defekt des Laders 103, 105 zu erkennen.
-
Mit Hilfe der Drucksensoren 102, 104, 107 ist es möglich das Druckverhältnis der Niederdruckstufe 103 und der Hochdruckstufe 105 der Aufladeeinheit 100 zu kontrollieren. Typischerweise werden die Stufen 103, 105 derart geregelt, dass jeder Stufe 103, 105 aufgrund des insgesamt zu regelnden Ladeluftdrucks j eweils ein Soll-Druck zugewiesen wird. Mit anderen Worten, der Niederdruckstufe 103 wird von der Steuereinheit 120 ein erster Soll-Druck vorgegeben und der Hochdruckstufe 105 wird von der Steuereinheit 120 ein zweiter Soll-Druck vorgegeben. Die Steuereinheit 120 regelt dann jede einzelne Stufe 103, 105 anhand des jeweiligen Bypassventils 113, 115 so, dass der erste bzw. zweite Soll-Druck vorliegt. Dazu kann die Steuereinheit 120 jeweils einen PID (Proportional, Integral, Differential) Regler verwenden.
-
Die Steuereinheit 120 kann eingerichtet sein, ein jeweiliges Soll-Druckverhältnis einer Stufe 103, 105 mit dem tatsächlichen Ist-Druckverhältnis zu vergleichen. Sollte das Soll-Druckverhältnis einer Stufe mit dem Ist-Druckverhältnis um einen gewissen Prozentsatz nicht übereinstimmen, kann davon ausgegangen werden, dass in dieser Stufe 103, 105 ein Defekt der Aufladeeinheit 100 vorliegt. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 120 kann eingerichtet sein, festzustellen, ob das Ist-Druckverhältnis von dem Soll-Druckverhältnis um einen vorgegebenen Schwellwert abweicht. Ist dies der Fall, so kann dies ein Hinweis auf einen Defekt in der jeweiligen Stufe 103, 105 sein.
-
Im instationären, dynamischen Betrieb kann der Hochlauf der Druckverhältnisse von der Steuereinheit 120 überwacht werden. Ein Hochlauf der Druckverhältnisse, der von einem Referenzhochlauf abweicht, kann ein Hinweis auf einen Defekt in der j eweiligen Stufe 103, 105 sein.
-
Dabei kann zwischen dem dynamische Betrieb und dem statischen Betrieb eines Laders 103, 105 unterschieden werden. Im statischen Betrieb wird der Lader 103, 105 typischerweise auf ein zeitlich konstantes Soll-Druckverhältnis geregelt. Im dynamischen Betrieb liegt eine Transiente des Soll-Druckverhältnisses vor und der Lader 103, 105 wird typischerweise auf zeitlich variable Soll-Druckverhältnisse geregelt. Beispielsweise kann der Lader 103, 105 von einem Ausgangs-Soll-Druckverhältnis auf ein Ziel-Soll-Druckverhältnis geregelt werden.
-
Im stationären Betrieb des Laders 103, 105 fällt ein Defekt des Laders 103, 105 durch einen hohen I-Anteil der Ladedruckregelung, d.h. der PID-Regelung, auf. Der I-Anteil regelt typischerweise die Feinabstimmung, falls der benötigte Druck nicht dem des Ist-Drucks entspricht. Mit anderen Worten, der I-Anteil einer PID Regelung wird typischerweise dazu verwendet, eine stationäre Abweichung eines Ist-Wertes von einem Soll-Wert auszugleichen und zu vermeiden. Ein I-Anteil der PID-Regelung zeigt somit an, dass der Regler versucht, eine Soll / Ist Abweichung auszugleichen. Liegt im stationären Betrieb der (absolute) I-Anteil der Regelung über einem vorgegebenen I-Schwellwert, so kann davon ausgegangen werden, dass ein Lader 103, 105 einen Defekt aufweist. Die Steuereinheit 120 kann eingerichtet sein einen Defekt der Aufladeeinheit 100 (und/oder einen Defekt des jeweiligen Laders 103, 105) festzustellen, wenn der (absolute) I-Anteil der Regelung des jeweiligen Laders 103, 105 ein festgelegten Grenzewert (d.h. den 1-Schwellwert) für einen festgelegten Mindestzeitraum überschreitet.
-
Im dynamischen Betrieb kann typischerweise die Aufladeeinheit 100 den Ladeluftdruck wegen der Trägheit der Lader 103, 105 nicht sofort erzeugen. Insbesondere kann ein Lader 103, 105 im dynamischen Betrieb typischerweise nicht sofort das Ziel-Soll-Druckverhältnis für den Lader 103, 105 bereitstellen. Für die Aufladeeinheit 100 und/oder für die Lader 103, 105 können jedoch Referenzübergänge erstellt werden, die anzeigen, in welcher Zeit und/oder mit welchem Verlauf der Lader 103, 105 von einem Anfangs-Betriebspunkt in einen Ziel-Betriebspunkt überführt werden sollte. 2c zeigt einen beispielhaften Referenzübergang 261 von einem Anfangs-Druckverhältnis 271 zu einem Ziel-Druckverhältnis 272, der bei einem voll funktionsfähigen Lader 103, 105 in einem Referenzzeitraum 291 (von Zeit 280 bis Zeit 281) erfolgen sollte. Die Steuereinheit 120 kann eingerichtet sein, auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Referenzübergängen 261 für eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Lader 103, 105 zuzugreifen. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit 120 über ein Modell verfügen, dass es ermöglicht, die Referenzübergänge 261 und oder die Referenzzeiträume 291 zu ermittelten.
-
Die Steuereinheit 120 kann eingerichtet sein, einen tatsächlichen Übergang 262 des Laders 103, 105 von dem Anfangs-Betriebspunkt 271 zu dem Ziel-Betriebspunkt 272 zu ermitteln. Insbesondere kann die Steuereinheit 120 eingerichtet sein, festzustellen, dass der tatsächliche Zeitraum 292 (von Zeit 280 bis Zeit 282) für den tatsächlichen Übergang 262 länger ist (z.B. um mindestens einen Zeitschwellwert) als der Referenzzeitraum 291. Mit anderen Worten, es kann kontrolliert werden, ob die Zeit 292, die zum Erzeugen des benötigen Druckverhältnisses 272 in Abhängigkeit des Betriebspunktes 271 benötigt wird, nahezu der Zeit 291 des Hochlaufes 261 ohne Defekt entspricht. Mit dieser Methode ist eine eindeutige Identifizierung eines defekten Laders 103, 105 im dynamischen Betrieb möglich. Insbesondere kann festgestellt werden, dass ein Lader 103, 105 einen Defekt aufweist, wenn der tatsächliche Zeitraum 292 des Hochlaufs einen Referenzzeitraum 291 des Hochlaufs um mehr als einen Zeitschwellwert überschreitet.
-
In diesem Dokument wurden Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, mit denen durch Überwachung im stationären und instationären Betrieb ein defekter Lader 103, 105 erkannt werden kann. Die Überwachung im stationären und instationären Betrieb ist auch bei Aufladeeinheiten 100 mit nur einem Lader 103 möglich. Außerdem wurden Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, die den jeweiligen Betriebspunkt eines Laders 103, 105 mit dem sicheren Kennfeldbereich vergleichen. Somit kann durch einen Eingriff in die Regelung sichergestellt werden, dass die Lader 103, 105 einer mehrstufigen Aufladeeinheit 100 den erforderlichen Ladeluftdruck bereitstellen, und dabei alle Lader 103, 105 innerhalb ihrer jeweiligen Kennfeldbereiche betrieben werden. Dadurch kann eine Überlastung eines Laders der mehrstufigen Aufladeeinheit 100 vermieden werden.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
