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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Surge an einem Verdichter für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, einen Verdichter für einen Verbrennungsmotor und einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Verdichter.
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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 daher 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 Detektieren von Surge an einem Verdichter für einen Verbrennungsmotor ein. Das Verfahren verfügt wenigstens über die folgenden Schritte:
- – Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Verdichter an einem von einem Verdichterrad mit einem ersten Abstand beabstandeten ersten Messpunkt und Ausgeben eines ersten Strömungsgeschwindigkeitsmesssignals in Abhängigkeit von der an dem ersten Messpunkt gemessenen Strömungsgeschwindigkeit;
- – Messen der Strömungsgeschwindigkeit in dem Verdichter an einem von dem Verdichterrad mit einem zweiten Abstand, der größer ist als der erste Abstand, beabstandeten zweiten Messpunkt und Ausgeben eines zweiten Strömungsgeschwindigkeitsmesssignals in Abhängigkeit von der an dem zweiten Messpunkt gemessenen Strömungsgeschwindigkeit;
- – Bestimmen eines zeitlichen Versatzes zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsgeschwindigkeitsmesssignal; und
- – Detektieren von Surge in Abhängigkeit von dem bestimmten zeitlichen Versatz.
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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 des Verdichterrades und/oder ein Druckverhältnis stromab-wärts zu stromaufwärts des Verdichters, nicht weiter zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Aufladung eines Verbrennungsmotors für die jeweils gegebenen Betriebsparameter 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.
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Vorzugsweise sind die Messpunkte entweder beide stromaufwärts oder beide stromabwärts des Verdichterrades angeordnet, wobei eine Anordnung auf der Niederdruckseite des Verdichterrades bevorzugt wird.
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Verändert sich die Strömungsgeschwindigkeit der durch den Verdichter strömenden Luft, beispielsweise, weil sich die Rotationsgeschwindigkeit oder Geometrie des Verdichterrades ändert, wird sich diese Änderung aufgrund der Kompressibilität der Luft zuerst an einem der beiden Messpunkte bemerkbar machen. An welchem der beiden Messpunkte sich die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit zuerst in der Messung niederschlägt, hängt dabei maßgeblich von der momentanen Strömungsrichtung der Luft ab, die anhand des zeitlichen Versatzes zwischen den beiden Messsignalen erkannt werden kann. 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. Demzufolge kann ein Vorhandensein von Surge detektiert werden, wenn eine Veränderung des ersten Strömungsgeschwindigkeitsmesssignals vor einer entsprechenden Veränderung des zweiten Strömungsgeschwindigkeitsmesssignals auftritt.
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Für das Messen der Strömungsgeschwindigkeit wird besonders bevorzugt ein Strom durch einen an dem ersten oder dem zweiten Messpunkt angeordneten Draht geleitet, wobei ein Widerstand des Drahtes gemessen wird. Diese Messmethode ist als Heißdrahtanemometer bekannt. Sie beruht auf dem Abkühlungseffekt, den das an dem durch den elektrischen Strom beheizten Draht vorbeiströmende Strömungsmedium auf den Draht ausübt. Da sich die Temperatur eines Leiters auf dessen Leitfähigkeit auswirkt, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums aus dem Widerstand des Drahtes abgeleitet werden. Dabei kann die Messgenauigkeit erhöht werden, indem die Temperatur des Strömungsmediums selbst gemessen und der auch von der Temperatur abhängende Abkühlungseffekt des strömenden Mediums bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt wird. Vorliegend ist dies jedoch nicht notwendig, da die erfindungsgemäße Detektion des Vorliegens von Surge auf einem Vergleich zweiter Messsignale beruht, so dass sich gleichartige systematische Fehler beider Messsignale gegenseitig aufheben.
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Ein mit dem vorhergehenden Aspekt der Erfindung unmittelbar verbundener weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren besitzt wenigstens die folgenden Schritte:
- – Detektieren von Surge an einem Verdichter des Verbrennungsmotors gemäß dem Verfahren des ersten Erfindungsaspekts; und
- – Einstellen eines Ladedrucks des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Detektierens von Surge.
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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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Wenigstens die Schritte des Messens des ersten und des zweiten Gesamtdrucks werden bevorzugt mehrfach während einer Kurbelwellenumdrehung des Verbrennungsmotors durchgeführt. Eine derart schnelle Erfassung der Druckverhältnisse erlaubt es, den Ladedruck des Verbrennungsmotor so einzustellen, dass sich für Teile der Umdrehungsperiode der Kurbelwelle Zustände an dem Verdichter eingeben, in denen es zu Surge kommen kann. Dabei wird das Maximum an Drehmoment und Verdichterleistung erreicht, ohne dass es tatsächlich dauerhaft zu einem Strömungsabriss am Verdichter kommt.
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Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft einen Verdichter für einen Verbrennungsmotor mit einem ersten Heißdrahtanemometer, das mit einem ersten Abstand von einem Verdichterrad angeordnet ist, und einem zweiten Heißdrahtanemometer, das mit einem von dem ersten Abstand verschiedenen zweiten Abstand von dem Verdichterrad angeordnet ist. Das erste und das zweite Heißdrahtanemometer sind dabei dazu ausgebildet, eine Strömungsgeschwindigkeit in dem Verdichter zu messen und in Abhängigkeit von der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit ein jeweiliges Strömungsgeschwindigkeitsmesssignal auszugeben. Ein solcher Verdichter kann als Bauteil oder Ersatzteil die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen.
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Die Erfindung führt außerdem einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Verdichter und einer mit dem ersten und dem zweiten Heißdrahtanemometer 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 erfindungsgemäßen Verdichter;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdichters;
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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 Arbeitszyklus 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 in einen Abgaskrümmer 7, der das gesammelte Abgas üblicherweise einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 zuführt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 filtert und/oder zersetzt die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe, 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 erfindungsgemäßen Verdichters 2 in einer Querschnittszeichnung. Der Verdichter 2 verfügt über ein erstes Heißdrahtanemometer 21 und ein zweites Heißdrahtanemometer. Es kann außerdem ein Temperatursensor 23 vorgesehen sein. Das erste und das zweite Heißdrahtanemometer 21, 22 sind dazu vorgesehen, an ihrem jeweiligen Messpunkt eine Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Die Erfindung beruht auf der Einsicht und schließt diese mit ein, dass die Strömungsrichtung des Mediums aus einer vergleichenden Gesamtbetrachtung zweier an entlang der Ansaugrichtung verteilt angeordneten Messungen der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Die Erfindung macht sich das zunutze, indem sie den zeitlichen Versatz zwei an den verschiedenen Messpunkten gemessene Messsignale der beiden Heißdrahtanemometer auswertet. Der zeitliche Versatz der beiden Mess-signale gibt über die Strömungsrichtung des Mediums Aufschluss. Beispielsweise kann der zeitliche Versatz mit einem Phasendetektor bestimmt werden, an dessen Eingängen die Messsignale der beiden Heißdrahtanemometer angeschlossen werden. Das Ausgangssignal des Phasendetektors zeigt dann die Strömungsrichtung an, während jedes der Messsignale die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Beispielsweise könnte ein positives Ausgangssignal des Phasendetektors eine Strömungsrichtung in Ansaugrichtung des Verdichters bedeuten, ein negatives Ausgangssignal hingegen eine Strömungsrichtung entgegen der Ansaugrichtung des Verdichters.
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Kommt es nun 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 anhand des zeitlichen Versatzes zwischen den Messsignalen der beiden Heißdrahtanemometer 21, 22 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 Temperatursensor 23 vorgesehen, kann dieser verwendet werden, um die Temperatur der Luft im Verdichter 2 zu messen. Anhand dieses Temperaturmesswertes kann der Einfluss der Temperatur des Strömungsmediums auf die Messung der Heißdrahtanemometer kompensiert werden, so dass die Strömungsgeschwindigkeit auch quantitativ gemessen werden kann. Dies kann nützlich sein, wenn anhand der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit auch auf eine Massenflussrate der Zuluft für den Verbrennungsmotor geschlossen und diese wichtige Steuergröße möglichst genau gemessen werden soll.
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Außerdem kann vorgesehen sein, einen statischen Druck stromaufwärts und stromabwärts des Verdichterrades 27 zu messen. Diese Druckmesswerte können verwendet werden, um ein Druckverhältnis zu bilden, das bei der Steuerung des Verdichterrades 27 berücksichtigt wird.
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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 Kurbelwellen- beziehungsweise 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
- 21
- erstes Heißdrahtanemometer
- 22
- zweites Heißdrahtanemometer
- 23
- Temperatursensor
- 24
- Ansaugrohr
- 25
- Ansaugrichtung
- 26
- Rückströmrichtung
- 27
- Verdichterrad
- 28
- erster Abstand
- 29
- zweiter Abstand
