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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Motorsysteme mit Verbrennungsmotoren, insbesondere Maßnahmen zum Bestimmen eines Frischluftmassenstroms in aufgeladene Verbrennungsmotoren.
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Technischer Hintergrund
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Zum Betrieb von Verbrennungsmotoren verwendet das Motorsteuergerät in der Regel eine sensorisch erfasste Angabe über einen Frischluftmassenstrom, der dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Der Frischluftmassenstrom wird in der Regel mit einem Massenstromsensor, wie beispielsweise einem Heißfilm-Luftmassensensor (HFM-Sensor), gemessen. Das gemessene Sensorsignal dient als Ist-Wert für eine Regelung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luftmassenstroms, aus dem die Luftfüllung des Verbrennungsmotors bestimmt wird. Üblicherweise ist der Frischluftmassenstromsensor zwischen einem Luftfilter und einer Eingangsseite eines Verdichters einer Aufladeeinrichtung, wie z. B. eines Abgasturboladers, angeordnet.
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Der Frischluftmassenstrom dient oftmals dazu, einen Modellwert eines Ladedrucks, der von dem Verdichter bereitgestellt wird, mit Hilfe eines so genannten Verdichterkennfelds zu ermitteln. Das Verdichterkennfeld gibt einen Druckunterschied für einen bestimmten Massenstrom durch den Verdichter abhängig von einer Verdichterdrehzahl an. Weiterhin kann das Verdichterkennfeld einen entsprechenden Verdichterwirkungsgrad angeben.
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Somit ist es möglich, bei Kenntnis der Verdichterdrehzahl und des Frischluftmassenstroms sowie des Umgebungsdrucks den Ladedruck mithilfe des Verdichterkennfelds zu bestimmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bestimmen eines Frischluftmassenstroms in einen aufgeladenen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Frischluftmassenstroms in einem Verbrennungsmotor mit einer Aufladeeinrichtung vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Messen einer Temperatur von geförderter Frischluft an einem Verdichterausgang eines Verdichters der Aufladeeinrichtung;
- – Ermitteln einer Enthalpieänderung von durch den Verdichter geförderter Frischluft abhängig von der gemessenen Temperatur an dem Verdichterausgang;
- – Bestimmen des Frischluftmassenstroms mithilfe eines bereitgestellten Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfelds, das eine Abhängigkeit einer Enthalpieänderung über den Verdichter, einer Verdichterdrehzahl und eines Frischluftmassenstroms durch den Verdichter angibt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfeld mithilfe auf einer Koordinatentransformation aus einem bereitgestellten Verdichterkennfeld bestimmt wird, wobei das Verdichterkennfeld eine Abhängigkeit einer Druckänderung durch den Verdichter, einer Verdichterdrehzahl und eines Frischluftmassenstroms durch den Verdichter angibt.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, ein Verdichterkennfeld zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms in einem Verbrennungsmotor zu verwenden. Dazu kann ein herkömmliches Verdichterkennfeld, das einen Druckunterschied bzw. einen Wirkungsgrad über eine Verdichterdrehzahl und einen Frischluftmassenstrom abbildet, mit Hilfe einer Koordinatentransformation in ein Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfeld umgewandelt werden, und die Enthalpieänderung des Frischluftmassenstroms über dem Verdichter abhängig von einem Temperaturunterschied zwischen der Temperatur an einem Verdichterausgang und der Temperatur an dem Verdichtereingang ermittelt werden. Dadurch ist es möglich, mithilfe des vorgegebenen Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfelds, das in einfacher Weise aus einem bestehenden Verdichterkennfeld bestimmt werden kann, abhängig von der Verdichterdrehzahl und der Enthalpieänderung der Frischluft beim Durchströmen des Verdichters den Frischluftmassenstroms durch den Verdichter zu bestimmen.
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Der Vorteil eines solchen Verfahrens besteht darin, dass der Frischluftmassenstrom basierend auf dem Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfeld genauer bestimmt werden kann. Ein Grund hierfür ist der verglichen mit dem konventionellen Verdichterkennfeld deutlich steilere Verlauf der Kennlinien bei konstanten Turboladerdrehzahlen (d. h. der betragsmäßig höhere Gradient), so dass eine genauere Bestimmung des Frischluftmassenstroms durch den Verdichter auch bei geringen Enthalpieänderungen erfolgen kann.
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Der Temperaturunterschied zwischen dem Verdichterausgang und dem Verdichtereingang wird vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten Temperatursensorik ermittelt. Dadurch ist es möglich, auf einen Luftmassensensor, der in der Regel als separates Bauteil zwischen dem Luftfilter und dem Verdichter angeordnet ist, zu verzichten und stattdessen den Temperatursensor ausgangsseitig des Verdichters anzuordnen.
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Weiterhin kann das Verfahren zyklisch durchgeführt werden.
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Insbesondere kann das Ermitteln der Enthalpieänderung von durch den Verdichter geförderter Frischluft abhängig von einer Umgebungstemperatur der in der Umgebung befindlichen Frischluft bestimmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Verdichterdrehzahl ermittelt werden, um den Frischluftmassenstrom mithilfe des Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfelds zu bestimmen, wobei die Verdichterdrehzahl mithilfe eines Drehzahlsensors gemessen wird oder abhängig von einer durch eine Turbine der Aufladeeinrichtung aufgenommenen Turbinenleistung, einer von dem Verdichter erbrachten Verdichterleistung und dem Wirkungsgrad der Turbine der Aufladeeinrichtung bestimmt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Frischluftmassenstroms in einem Verbrennungsmotor mit einer Aufladeeinrichtung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – eine Angabe über eine Temperatur an einem Verdichterausgang eines Verdichters der Aufladeeinrichtung zu erhalten;
- – eine Enthalpieänderung von durch den Verdichter geförderten Frischluft zu ermitteln;
- – den Frischluftmassenstrom mithilfe eines bereitgestellten Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfelds zu bestimmen, das eine Abhängigkeit einer Enthalpieänderung über den Verdichter, einer Verdichterdrehzahl und eines Frischluftmassenstroms durch den Verdichter angibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- – einen Verbrennungsmotor mit einer Aufladeeinrichtung, die einen Verdichter zum Bereitstellen von verdichteter Frischluft aufweist,
- – einen Temperatursensor, der an einem Verdichterausgang des Verdichters angeordnet ist, um die Temperatur der verdichteten Frischluft zu erfassen; und
- – die obige Vorrichtung.
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Weiterhin kann der Temperatursensor einen Temperatursensor umfassen, der auf einem Bolometerprinzip basiert.
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Insbesondere kann der Temperatursensor eine Zeitkonstante von zwischen 1 ms und 20 ms, vorzugsweise zwischen 2 ms und 15 ms, weiter bevorzugt zwischen 5 ms und 10 ms aufweisen.
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Durch das Vorsehen des Temperatursensors ausgangsseitig des Verdichters mit einer kurzen Zeitkonstanten ist es möglich, den Frischluftmassenstrom in schnellen Zyklen zu bestimmen, so dass dem Motorsteuergerät stets ein aktueller Wert des Frischluftmassenstroms zur Verfügung steht. Dadurch ist es möglich einen bislang dafür vorgesehenen Luftmassensensor, der in der Regel als separates Bauteil zwischen dem Luftfilter und dem Verdichter angeordnet ist, wegzulassen und stattdessen den Temperatursensor ausgangsseitig des Verdichters anzuordnen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor;
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Frischluftmassenstroms in dem Verbrennungsmotor;
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3 eine Darstellung eines herkömmlichen Verdichterkennfelds; und
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4 eine Darstellung eines transformierten Verdichterkennfelds zur Verwendung in dem Verfahren zur Bestimmung eines Frischluftmassenstroms in dem Verbrennungsmotor nach 2.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der eine Anzahl von (im vorliegenden Beispiel vier) Zylindern 3 aufweist. Der Verbrennungsmotor 2 kann einem herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungsmotor entsprechen, wie z. B. einem Otto-Motor oder Dieselmotor.
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Dem Verbrennungsmotor 2 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt, und Verbrennungsabgase werden über eine Abgasabführungssystem 5 abgeführt. In dem so gebildeten Gasführungssystem ist eine Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen, die eine Turbine 61 aufweist, die in dem Abgasabführungssystem 5 angeordnet ist, um die durch die Verbrennungsabgase bereitgestellte Abgasenthalpie in mechanische Energie umzuwandeln.
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Die Aufladeeinrichtung 6 weist weiterhin einen Verdichter 62 auf, der mechanisch z. B. über eine Verdichterwelle 63 mit der Turbine 61 gekoppelt ist. Aus der Abgasenthalpie gewonnene mechanische Leistung wird dem Verdichter 62 zugeführt, der eine entsprechende Verdichtungsleistung bereitstellt. Der Verdichter 62 ist in dem Luftzuführungssystem 4 angeordnet, und dient dazu, über einen Verdichtereingang 65 Frischluft aus einer Umgebung durch einen Luftfilter 7 anzusaugen und in einem Ladedruckabschnitt 41 des Luftzuführungssystems 4 unter einem Ladedruck bereitzustellen. Der Ladedruckabschnitt 41 bezeichnet den Bereich im Luftzuführungssystem 4 zwischen einem Verdichterausgang 64 an einem Auslass des Verdichters 62 und einer Drosselklappe 8, die eine Gasströmung in den Verbrennungsmotor 2 steuern kann.
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Zum Betrieb des Verbrennungsmotors ist ein Steuergerät 10 vorgesehen, das basierend auf einer Vorgabegröße V, die beispielsweise ein Fahrerwunschmoment angeben kann, und basierend auf Systemzustandsgrößen des Motorsystems 1, die über eine geeignete Sensorik gemessen und/oder durch Modellierung bereitgestellt werden, das Motorsystem 1 betreibt. Dazu stellt das Steuergerät 10 entsprechend Stellgeber, wie beispielsweise für die Drosselklappe 8, die Einspritzventile (nicht gezeigt) zum Einspritzen einer vorgegebenen Kraftstoffmenge, einen (nicht gezeigten) Ladersteller zum Einstellen der Verdichtungsleistung an der Aufladeeinrichtung 6 und dergleichen ein.
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Eine der in der Regel für die Ansteuerung und den Betrieb des Verbrennungsmotors 2 benötigten Größen stellt der Frischluftmassenstrom dar, der den Massenstrom der angesaugten Frischluft bezeichnet. Üblicherweise wird der Frischluftmassenstrom mit Hilfe eines Frischluftmassenstromsensors, z. B. in Form eines Heißfilm-Luftmassensensors, in einem Bereich des Luftzuführungssystems 4 zwischen dem Luftfilter 7 und dem Verdichter 62 gemessen.
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Mit Hilfe des nachfolgend beschriebenen Verfahrens wird eine Möglichkeit beschrieben, auf den Einsatz des Frischluftmassenstromsensors zu verzichten und stattdessen mit Hilfe eines im Ladedruckabschnitt 41 angeordneten Temperatursensors 9 eine Bestimmung des durch den Verdichter 62 strömenden Frischluftmassenstromes vorzunehmen.
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Der verwendete Temperatursensor 9 ist ausgebildet, um schnelle Temperaturmessungen einer ausgangsseitigen Temperatur T02 vorzunehmen. Beispielsweise kann der Temperatursensor auf dem Bolometerprinzip basieren und Temperaturänderungen ausreichend schnell erfassen. Geeignet sind zum Beispiel IR-Temperatursensoren in integrierter Form und dergleichen. Der Temperatursensor weist beispielsweise eine Zeitkonstante für die Temperaturmessung von zwischen 1 ms und 20 ms, vorzugsweise zwischen 2 ms und 15 ms, vorzugsweise zwischen 5 ms und 10 ms auf.
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In 2 wird anhand eines Flussdiagramms ein Verfahren zum Bestimmen eines Frischluftmassenstroms ohne Verwendung eines Frischluftmassenstromsensors beschrieben.
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In Schritt S1 wird zunächst die Temperatur T02 am Verdichterausgang 64 mit Hilfe des Temperatursensors 9 gemessen.
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Weiterhin wird im Schritt S2 eine Angabe über die Umgebungstemperatur T01 bereitgestellt. Die Umgebungstemperatur T01 kann ebenfalls mit Hilfe eines weiteren (nicht gezeigten) Temperatursensors gemessen werden, wobei dessen Zeitkonstante unkritisch ist, da sich die Umgebungstemperatur T01 in der Regel nur langsam ändert.
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Im Schritt S3 wird eine Enthalpiedifferenz (Enthalpieänderung) Δhc basierend auf einer Temperaturdifferenz T02 – T01 zwischen der ausgangsseitigen Temperatur am Verdichterausgang 64 und der Umgebungstemperatur T01 an dem Verdichtereingang 65 entsprechend folgender Formel ermittelt: Δhc = cp·[T02 – T01] wobei cp der Wärmekapazität von Luft und Δhc der Enthalpieänderung der Luft beim Durchströmen des Verdichters 62 entsprechen.
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Im Schritt S4 wird zunächst die Verdichterdrehzahl N ermittelt, die entweder mit Hilfe eines Lader-Drehzahlsensors gemessen werden kann oder alternativ durch ein geeignetes Lader-Drehzahlmodell in an sich bekannter Weise bestimmt werden kann. Bei Verwendung des Laderdrehzahlmodells zur Bestimmung der Verdichterdrehzahl kann vorzugsweise noch ein Drucksensor am Verdichterausgang 64 vorgesehen sein, der üblicherweise in Form eines Ladedrucksensors 10 vorgesehen ist. Dadurch werden am Verdichterausgang 64 der Ladedruck und die Temperatur gemessen. Ebenso wie der Temperatursensor 9 sollte auch der Ladedrucksensor 10 eine entsprechend geringe Zeitkonstante, insbesondere eine zum Temperatursensor 9 identische oder nahezu identische Zeitkonstante aufweisen.
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Die Verdichterdrehzahl N kann beispielsweise durch Lösen der nachfolgenden Differentialgleichung bestimmt werden, in der die Verdichterdrehzahl N in Abhängigkeit der Verdichterleistung P
c, der Turbinenleistung P
t und dem Wirkungsgrad η der Turbine
61 berechnet werden kann:
wobei N der Laderdrehzahl, K einer vorgegebenen Konstante und J einem Trägheitsmoment der Aufladeeinrichtung entsprechen. Die Verdichterleistung P
c, kann zum Beispiel entsprechend folgender Formel ermittelt werden:
Pc = ṁc·cp·(T02 – T01), wobei ṁ
c dem Frischluftmassenstrom durch den Verdichter
62 entspricht.
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Entsprechend kann die Turbinenleistung PT entsprechend folgender Formel bestimmt werden. PT = ṁa·cp·(Ta02 – Ta01), wobei ṁa dem Abgasmassenstrom durch die Turbine 61 entspricht und Ta02 – Ta01 der Temperaturdifferenz über der Turbine 61.
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In Schritt S5 wird mit Hilfe eines vorgegebenen Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfelds, das einen Frischluftmassenstrom abhängig von einer Enthalpieänderung und einer Verdichterdrehzahl N angibt, ein Frischluftmassenstrom bestimmt. Das Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfeld kann aus einem herkömmlichen Verdichterkennfeld, wie es beispielsweise in 3 dargestellt ist, ermittelt werden. 3 zeigt ein Verdichterkennfeld, das eine Abhängigkeit zwischen einem Druckverhältnis P02/P01 über einem beispielhaften Verdichter 62, dem Frischluftmassenstrom ṁc durch den Verdichter 62 und der Verdichterdrehzahl N bzw. eines Wirkungsgrads η des Verdichters 62 angibt. Das Druckverhältnis P02/P01 wird in der Regel als Druckverhältnis zwischen dem Druck P02 an dem Verdichterausgang 64 und dem Umgebungsdruck P01 an dem Verdichtereingang 65 angegeben.
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Der Frischluftmassenstrom kann basierend auf dem konventionellen Verdichtermodell insbesondere bei geringen Frischluftmassenströmen nur ungenau bestimmt werden, da der Verlauf der Kennlinie bei konstanter Verdichterdrehzahl N im Bereich geringer Frischluftmassenströme sehr flach verläuft. Daher ist in dem Bereich die Bestimmung des Frischluftmassenstroms sehr empfindlich auf kleine Änderungen des Druckunterschieds.
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Da die Abhängigkeit zwischen dem Druckunterschied und dem Luftmassenstrom bei einer bestimmten Verdichterdrehzahl N sich abschnittsweise nur wenig ändert bzw. einen geringen Betrag der Steigung aufweist, ist eine Koordinatentransformation in ein Enthalpie-Verdichtermassenstrom-Kennfeld sinnvoll. Diese Koordinatentransformation erfolgt basierend auf folgender Gleichung:
wobei η
c einem Wirkungsgrad des Verdichters
62 und γ einem Isentropenexponenten entsprechen.
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Durch die Koordinatentransformation ergibt sich ein Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfeld, wie es in 4 beispielhaft dargestellt ist. Der Vorteil der Koordinatentransformation besteht darin, dass der Frischluftmassenstrom basierend auf dem Enthalpie-Frischluftmassenstrom-Kennfeld genauer bestimmt werden kann. Man erkennt, dass verglichen mit dem herkömmlichen Verdichterkennfeld der Verlauf der Kennlinien mit konstanter Verdichterdrehzahl N deutlich steilere Gradienten aufweist. Somit kann die Bestimmung des Frischluftmassenstroms deutlich robuster erfolgen.
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Das Verfahren der Schritte S1 bis S5 wird zyklisch durchgeführt, um einen stets aktuellen Wert des Frischluftmassenstroms bereitstellen zu können. Die Zykluszeit entspricht für einen herkömmlichen Verbrennungsmotor 2 vorzugsweise zwischen 5 ms und 50 ms.
