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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, der von dem Verfahren Gebrauch macht.
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In der Kraftfahrzeugentwicklung ist ein Trend zu geringeren Hubräumen der verwendeten Verbrennungsmotoren zu verzeichnen, der als Downsizing bekannt ist. Ein Beweggrund für diese Entwicklung ist der Versuch, den Kraftstoffverbrauch durch Reduktion von Drosselklappenverlusten zu senken. Um die gewünschten Leistungen und Drehmomente trotz des verringerten Hubraums bereitstellen zu können, wird üblicherweise mit einer Aufladung des Verbrennungsmotors gearbeitet, indem die Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors durch einen Verdichter verdichtet wird, so dass in jedem Arbeitszyklus eine größere Luftmasse in die Zylinder geladen wird. Der Verdichter wird dabei meist von einer Abgasturbine angetrieben, die ihrerseits durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors bewegt wird.
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Das Verdichterrad dreht abhängig vom jeweiligen Grad der Aufladung mit teilweise sehr hohen Geschwindigkeiten. Dabei kann es an den Blättern des Verdichters zu Strömungsabrissen kommen, wodurch der Verdichter seine Verdichtungswirkung wenigstens teilweise einbüßt. Bereits verdichtete Luft strömt zurück durch den Verdichter, bis dieser wieder seine Verdichtungswirkung entfalten kann. Es kommt zu einem sogenannten Pumpen des Verdichters, wodurch die Effizienz des Verdichters und der Grad der Aufladung stark reduziert werden. Das Pumpen stellt dabei aufgrund der turbulenten Verhältnisse am Verdichterrad eine Gefährdung dessen mechanischer Integrität dar und kann gegebenenfalls beendet werden, indem ein Bypass am Verdichter vorbei geöffnet wird.
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Das Phänomen des Strömungsabrisses am Verdichterrad und die dadurch verursachten Effekte werden auch als englisch „Surge“ bezeichnet. Um das Auftreten von Surge zu vermeiden, werden für den Betrieb des Verdichters üblicherweise Sicherheitsmargen vorgesehen, um ein Auftreten von Surge für jede in der Praxis mögliche Kombination von Betriebsparametern zu vermeiden. Der Verdichter wird also mit begrenzten Drehzahlen betrieben, auch wenn in einer gegebenen Fahrsituation ein Betrieb mit einer höheren Drehzahl gefahrlos möglich wäre. Dadurch wird das vom Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellte Drehmoment häufig unnötig begrenzt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen einzuführen, die eine Bereitstellung eines höheren Drehmoments durch einen Verbrennungsmotor ermöglichen.
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Die Erfindung führt daher ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs ein. Das Verfahren verfügt wenigstens über die folgenden Schritte:
- – Messen eines ersten Gesamtdrucks in einer Ansaugrichtung des Verdichters;
- – Messen eines zweiten Gesamtdrucks entgegen der Ansaugrichtung des Verdichters;
- – Bestimmen einer momentanen Strömungsrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen ersten Gesamtdruck und von dem gemessenen zweiten Gesamtdruck;
- – Detektieren von Surge in Abhängigkeit von der bestimmten momentanen Strömungsrichtung; und
- – Einstellen eines Ladedrucks des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Detektierens von Surge.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens die Schritte des Messens des ersten und des zweiten Gesamtdrucks mehrfach während einer Kurbelwellenumdrehung des Verbrennungsmotors durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, das Auftreten von Surge zuverlässig und schnell zu detektieren. Dadurch können beispielsweise Maßnahmen ergriffen werden, um den Zustand des Strömungsabrisses zu beenden. Die Erfindung beruht jedoch auch auf der Erkenntnis und schließt diese mit ein, dass Surge in verschiedenen Maßen auftreten kann und ein Betrieb des Verdichters bis hin zu zeitweiligem Auftreten von leichtem Surge unkritisch ist. Das Verfahren der Erfindung kann daher auch dazu verwendet werden, einen leichten und zeitweilig auftretenden Surge zu detektieren und die das Auftreten von Surge begünstigenden Betriebsparameter, insbesondere die Drehzahl und/oder ein Druckverhältnis stromabwärts zu stromaufwärts des Verdichters, nicht weiter zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Aufladung eines Verbrennungsmotors maximiert werden, was sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und Motorlasten und auf das dynamische Verhalten der Gesamtvorrichtung bei Lastwechseln positiv auswirkt. Dabei berücksichtigt die Erfindung vorteilhaft, dass das Auftreten von Surge auch durch variable Umwelteinflüsse wie Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck beeinflusst wird. Die Erfindung ermöglicht es, auch bei veränderlichen Umgebungsbedingungen den Verdichter auch über das für alle vorstellbaren Verhältnisse sichere Minimum hinaus bis an die jeweils bestehende Grenze zu betreiben. Indem wenigstens die Schritte des Messens des ersten und des zweiten Gesamtdrucks mehrfach während einer Kurbelwellenumdrehung des Verbrennungsmotors durchgeführt werden, kann der Ladedruck des Verbrennungsmotor so eingestellt werden, dass sich für Teile der Umdrehungsperiode der Kurbelwelle Zustände an dem Verdichter eingeben, in denen es zu Surge kommen kann. Dadurch wird das Maximum an Drehmoment und Verdichterleistung erreicht, ohne dass es tatsächlich dauerhaft zu einem Strömungsabriss am Verdichter kommt.
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Als Gesamtdruck oder auch Totaldruck wird fachüblich ein Druckzustand in einem strömenden Medium, hier der Verdichterluft, bezeichnet. Der Gesamtdruck ist von Strömungsgeschwindigkeit und -richtung abhängig und entspricht demjenigen Druck, der sich an einem Staupunkt einstellen würde, wenn das strömende Medium an dem Staupunkt bis zu einem Stillstand (beziehungsweise aufgrund der Kontinuitätsbedingung bis nahe an den Stillstand) verzögert würde. Er kann mit bekannten Messvorrichtungen wie dem Pitotrohr gemessen werden.
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Ein Vorhandensein von Surge kann insbesondere detektiert werden, wenn die bestimmte momentane Strömungsrichtung eine Richtungskomponente entgegen der Ansaugrichtung des Verdichters umfasst. In diesem Fall findet offenkundig ein Rückströmen von verdichteter Luft entgegen der Ansaugrichtung des Verdichters, also von stromabwärts des Verdichters nach stromaufwärts des Verdichters, statt. Dies geschieht jedoch nur bei Auftreten von Surge, so dass aus der umgekehrten momentanen Strömungsrichtung auf das Vorhandensein von Surge geschlossen werden kann.
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Die momentane Strömungsrichtung kann insbesondere anhand einer Differenz oder eines Verhältnisses des ersten gemessenen Gesamtdrucks und des zweiten gemessenen Gesamtdrucks bestimmt werden.
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Der Ladedruck kann insbesondere durch Vorgeben einer entsprechenden Verdichterdrehzahl, eine Veränderung der Verdichter- oder Abgasturbinengeometrie (beispielsweise des Anstellwinkels der Rotorblätter) oder durch eine variabel einstellbare Bypassleitung am Verdichter vorbei eingestellt werden. Wird Surge detektiert, kann der Ladedruck des Verbrennungsmotors geringfügig gesenkt werden. Es ist aber zusätzlich möglich, bei Lastwechseln des Verbrennungsmotors das bereits detektierte Auftreten von Surge geeignet zu berücksichtigen, um den Verdichter des Verbrennungsmotors möglichst nicht über das Auftreten von zeitweiligem Surge hinaus zu betreiben. So ist es vorstellbar, die Verfahren der Erfindung zu verwenden, um geeignete „compressor maps“, also Kennfelder für das Einstellen von Betriebsparametern des Verdichters, zu bestimmen und diese derart bestimmten „compressor maps“ anschließend für den Betrieb zu verwenden. Diese „compressor maps“ könnten für die Gesamtbetriebszeit des Verbrennungsmotors, einmalig für den Betrieb während einer vorherbestimmten Zeitspanne oder bis zum nächsten Kaltstart des Verbrennungsmotors verwendet werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die Messdaten an einem realen Verbrennungsmotor gewonnen werden, statt – wie weit verbreitet – an einem Testaufbau mit anderen Rohrgeometrien und damit anderem Schwingungsverhalten. Dadurch kann die Steuerung des Verdichters beziehungsweise des Verbrennungsmotors durch die Erfindung besser an die tatsächlich geltenden Randbedingungen angepasst werden, was andernfalls wiederum durch eine Vergrößerung der Sicherheitsmarge geschehen müsste.
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Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können außerdem ein erster statischer Druck stromabwärts des Verdichters und ein zweiter statischer Druck stromaufwärts des Verdichters gemessen werden. In diesem Fall erfolgt der Schritt des Einstellens des Ladedrucks des Verbrennungsmotors bevorzugt außerdem in Abhängigkeit von den gemessenen ersten und zweiten statischen Drücken. Das Verhältnis oder die Differenz der beiden statischen Drücke ist ein Indikator für den Widerstand, gegen den der Verdichter arbeiten muss. Je höher dieser Widerstand, desto wahrscheinlicher wird das Auftreten von Surge. Das Auftreten von Surge kann beim Einstellen des Ladedrucks und damit für die Steuerung des Verbrennungsmotors vorteilhaft berücksichtigt werden.
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Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt des Bestimmens einer Massenflussrate einer Ladeluft des Verbrennungsmotors aufweisen. Die Massenflussrate stellt einen wichtigen Parameter für den Betrieb des Verbrennungsmotors dar. Beispielsweise kann ein Lambdawert für die Verbrennung des Kraftstoffs in dem Verbrennungsmotor beziehungsweise die hierbei zu verwendende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Massenflussrate der Ladeluft bestimmt werden.
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Die Massenflussrate kann insbesondere in Abhängigkeit einer Differenz des ersten Gesamtdrucks und des ersten statischen Drucks oder in Abhängigkeit einer Differenz des zweiten Gesamtdrucks und des zweiten statischen Drucks bestimmt werden. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Massenflussrate in sehr guter Näherung anhand der genannten Differenzen ermittelt werden kann. Insbesondere kann die Massenflussrate proportional zu einer Quadratwurzel einer der genannten Differenzen bestimmt werden.
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Die Erfindung führt außerdem einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdichter, der mit wenigstens einem ersten Drucksensor, der ausgebildet ist, einen ersten Gesamtdruck in einer Ansaugrichtung des Verdichters zu messen, und einem zweiten Drucksensor, der ausgebildet ist, einen zweiten Gesamtdruck entgegen der Ansaugrichtung des Verdichters zu messen, ausgestattet ist, und mit einer mit dem ersten und dem zweiten Drucksensor des Verdichters verbundenen Steuereinheit ein, die ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Verbrennungsmotor mit einem Verdichter;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters zum Einsatz im Rahmen der Erfindung;
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3 ein erstes Diagramm mit Messkurven; und
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4 ein zweites Diagramm mit Messkurven.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem erfindungsgemäßen Verdichter 2. Der Verdichter 2 ist stromabwärts eines Luftfilter 3, welcher ausgebildet ist, Verbrennungsluft für den Verbrennungsmotor 1 aus der Umgebung aufzunehmen und zu filtern, und stromaufwärts einer Drosselklappe 4 angeordnet, welche dazu vorgesehen ist, die Menge an Zuluft, die in einem Motorzyklus in den Verbrennungsmotor 1 geladen wird, einzustellen. Als Teil des Verdichters 2 oder auch als separates Bauteil kann ein sogenanntes Wastegate (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welches einen Bypass parallel zu einem Verdichterrad des Verdichters 2 bereitstellt. Durch Öffnen des Wastegates kann ein Druckverhältnis zwischen dem Druck stromabwärts des Verdichters 2 und stromaufwärts des Verdichters 2 reduziert werden, beispielsweise wenn ein ungewolltes Maß von Surge an dem Verdichter 2 auftritt oder ein solches Auftreten wahrscheinlich wird und vermieden werden soll.
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Die Zuluft gelangt über einen Zuluftkrümmer 5 in die Zylinder 6 des Verbrennungsmotors 1. Der Verbrennungsmotor 1 kann dabei eine beliebige für den jeweiligen Einsatzzweck geeignete Anzahl und Anordnung an Zylindern 6 besitzen. Der für den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 benötigte Kraftstoff wird vorzugsweise über Einspritzvorrichtungen (nicht dargestellt) direkt in die Zylinder eingespritzt.
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Das Abgas des Verbrennungsmotors 1 gelangt aus den Zylindern 6 über einen Abgaskrümmer 7, der das gesammelte Abgas üblicherweise einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 zugeführt, die Schadstoffe aus dem Abgas herausfiltert und/oder zersetzt, bevor das Abgas über den Auspuff 9 in die Umwelt entlassen wird. Es kann außerdem eine Abgasrückführung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die einen gegebenenfalls wählbaren Teil des Abgases des Verbrennungsmotors 1 auf dessen Ladeseite zurückführt, wo es der Zuluft beigemischt wird. Dies dient insbesondere der Reduktion des Schadstoffgehaltes des Abgases, indem der Sauerstoffgehalt und die Verbrennungstemperatur des Kraftstoffs in dem Verbrennungsmotor durch die Beimischung des rückgeführten Abgases reduziert werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters 2 zum Einsatz im Rahmen der Erfindung in einer Querschnittszeichnung. Der Verdichter 2 verfügt über eine Druckmesseinheit 20, welche wenigstens einen ersten Drucksensor 21 und einen zweiten Drucksensor 22 besitzt. Vorzugsweise ist außerdem noch ein dritter Drucksensor 23 vorgesehen. Der erste und der zweite Drucksensor 21, 22 sind dazu vorgesehen, jeweils einen Gesamtdruck zu messen, wobei der erste Drucksensor 21 dazu ausgebildet ist, den Gesamtdruck in einer Ansaugrichtung 25 des Verdichters 2 zu messen, der zweite Drucksensor 22 hingegen, den Gesamtdruck entgegen der Ansaugrichtung 25 und in einer Rückströmrichtung 26. Der Gesamtdruck umfasst den statischen Druck sowie den durch die Strömung des Fluids bewirkten richtungsabhängigen dynamischen Druck. Die Erfindung beruht auf der Einsicht und schließt diese mit ein, dass die Strömungsrichtung des Fluids aus einer vergleichenden Gesamtbetrachtung einer Mehrzahl von in unterschiedlichen Richtungen gemessenen Gesamtdrücken bestimmt werden kann. Die Erfindung macht sich das zunutze, indem zwei Gesamtdrücke mit wenigstens näherungsweise in entgegengesetzten Richtungen gemessen werden. Kommt es an dem Verdichterrad 27 zu einem Strömungsabriss und somit zu Surge, strömt verdichtete Luft entgegen der Ansaugrichtung 25 durch das Verdichterrad 27 zurück. Diese momentane Umkehr der Strömungsrichtung und damit mittelbar das Auftreten von Surge in dem Verdichter 2 können durch die Druckmesseinheit 20 erkannt werden. Dadurch kann der Verdichter so gesteuert werden, dass bei unterschiedlichen Randbedingungen wie schwankenden Außentemperaturen, Luftdrücken und Luftfeuchtigkeiten jeweils eine möglichst hohe Verdichtung erreicht werden kann, ohne ein dauerhaftes Auftreten von Surge zu riskieren.
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Ist ein dritter Drucksensor 23 vorgesehen, kann dieser verwendet werden, um den statischen Druck zu messen. Ist der statische Druck bekannt, kann die entsprechende Komponente des ersten und des zweiten Gesamtdrucks rechnerisch eliminiert werden, so dass im Ergebnis der jeweilige dynamische
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Druck gemessen wird. Die dynamischen Drücke können dann für die Bestimmung der Strömungsrichtung wie beschrieben verglichen werden. Der statische Druck kann zudem für die Steuerung des Verdichterrades 27 verwendet werden, insbesondere, wenn mit einem (nicht dargestellten) vierten Drucksensor ein weiterer statischer Druck stromabwärts des Verdichterrades 27 gemessen wird. Die beiden statischen Drücke können dann dazu verwendet werden, ein Druckverhältnis zu bilden, das bei der Steuerung des Verdichterrades 27 berücksichtigt wird.
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Die Druckmesseinheit 20 kann stromaufwärts oder stromabwärts des Verdichterrades 27 angeordnet sein, wobei eine Anordnung stromaufwärts des Verdichterrades 27 in einem Ansaugrohr 24 wegen der geringeren Störung der Messung der Gesamtdrücke durch die Ventilbetätigung des Verbrennungsmotors 1 bevorzugt wird. Ist ein vierter Drucksensor vorge-sehen, ist dieser auf der jeweils anderen Seite des Verdichterrades 27 angeordnet.
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3 zeigt ein erstes Diagramm mit Messkurven. Hierbei sind in einer ersten Messkurve A Messwerte eines Druckverhältnisses der statischen Drücke stromabwärts und stromaufwärts des Verdichterrades 27 über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Die zweite Messkurve B zeigt entsprechende Messwerte für die Massenflussrate der Verdichterluft. Die Schwankungen der Messkurven A und B werden im Wesentlichen durch die Ventilbetätigungen des Verbrennungsmotors 1 während der Kurbelwellenbeziehungsweise Nockenwellenumdrehungen verursacht.
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4 zeigt ein zweites Diagramm mit Messkurven, wobei hier aus den Messkurven A und B der 3 für jeden Kurbelwellenwinkel ein Messpunktpaar gebildet wurde und die Messpunktpaare in einem zweidimensionalen Diagramm aufgetragen wurden, wodurch sich eine schleifenförmige Kurve C ergibt.
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Es zeigt sich nun, dass das Auftreten von Surge an dem Verdichter wahrscheinlicher wird, je höher das Druckverhältnis für eine gegebene Massenflussrate wird. Dadurch entsteht die Situation, dass ein Teil der Kurve C in einem stabilen Betriebsbereich und der Rest der Kurve C in einem Betriebsbereich, in dem Surge auftritt, liegen können. Die Grenze zwischen stabilem und instabilem Bereich variiert jedoch mit den obengenannten Umgebungsbedingungen, weshalb üblicherweise große Margen vorgesehen werden, um das Auftreten von Surge zu vermeiden. Dadurch wird das von dem Verdichter bewirkte Druckverhältnis in unnötigem Maße reduziert, was insbesondere bei niedrigen Drehzahlen störende Drehmomenteinbußen zur Folge hat.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein zuverlässiges Detektieren eines auch nur kurzzeitigen Auftretens von Surge. Dadurch werden Betriebsweisen möglich, in denen Surge nur für einen Teil einer Kurbelwellenumdrehung auftritt. Dadurch kann zu jedem Betriebszeitpunkt eine unter den jeweiligen Umgebungsbedingungen maximal mögliche Verdichterleistung bereitgestellt werden.
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Die Erfindung wurde bezugnehmend auf ein Ausführungsbeispiel näher erläutert, ist jedoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen der Erfindung können vom Fachmann aus dem Ausführungsbeispiel abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Verdichter
- 3
- Luftfilter
- 4
- Drosselklappe
- 5
- Zuluftkrümmer
- 6
- Zylinder
- 7
- Abgaskrümmer
- 8
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 9
- Auspuff
- 20
- Druckmesseinheit
- 21
- erster Drucksensor
- 22
- zweiter Drucksensor
- 23
- dritter Drucksensor
- 24
- Ansaugrohr
- 25
- Ansaugrichtung
- 26
- Rückströmrichtung
- 27
- Verdichterrad
