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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Bi-Turboanlage, die zwei Turbolader jeweils mit Verdichter und Turbine umfasst und bei der die Luftführungen jeweils nach dem Verdichter und vor der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine zusammengeführt sind.
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Bei Brennkraftmaschinen mit Turbolader wird die Drehzahl des Turboladers im Wesentlichen durch den Abgasmassenstrom durch die Turbine, die Temperatur vor Turbine und das Druckverhältnis über die Turbine bestimmt. In jedem durch Motordrehzahl und Motordrehmoment sowie Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck bestimmten Betriebspunkt des Motors bewirkt eine bestimmte Laderdrehzahl eine bestimmte Kombination aus Druckverhältnissen über den Turboladerverdichter und Volumenstrom durch den Turboladerverdichter, die für diese Laderdrehzahl charakteristisch ist. Für den jeweilig verwendeten Turbolader ist eine Maximaldrehzahl festgelegt, die im Fahrzeugbetrieb nicht überschritten werden darf, da es ansonsten zur Schädigung des Turboladers kommen kann. Turbolader sind in der Regel so ausgelegt, dass unter Normbedingung (Druck vor Verdichter nahe 1.000 hPa, Temperatur vor Verdichter nahe 300 K) in allen Motorbetriebszuständen diese Grenze nicht überschritten wird. Unter besonderen Randbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise in der Höhe und/oder Hitze, kann es jedoch ohne entsprechende Gegenmaßnahme innerhalb der Motorsteuerung zu einem Überschreiten der Turboladergrenzdrehzahl kommen. Da in der Regel aus Kostengründen keine Turboladerdrehzahlsensoren in der Serienproduktion von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, wird in der Motorsteuerung die Laderdrehzahl modelliert.
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Grundlage dieser Modelle ist in der Regel die Berechnung der Laderdrehzahl über das Verdichterkennfeld des Turboladers auf Basis von Druckverhältnis über den Verdichter und Luftvolumenstrom durch den Verdichter. Damit können innerhalb der Motorsteuerung in der Regel eine ausreichend genaue Laderdrehzahl modelliert und bei Erreichen der erlaubten Grenzdrehzahl zuverlässig entsprechende motorische Maßnahmen über die Motorsteuerung eingeleitet werden (z. B. Leistungsreduktion), um ein Überschreiten der maximalen Laderdrehzahl zu verhindern.
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Die eine zur Modellierung der Laderdrehzahl notwendige physikalische Modellgröße, der Luftvolumenstrom durch den Verdichter, liegt in der Motorsteuerung in der Regel mit hoher Genauigkeit vor, da er direkt aus der angesaugten Luftmasse der Brennkraftmaschine errechnet werden kann und diese aufgrund ihrer Wichtigkeit für die restliche Steuerung der Brennkraftmaschine mit hoher Genauigkeit berechnet wird.
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Die zweite zur Modellierung der Laderdrehzahl zentrale Größe, das Druckverhältnis über Verdichter, wird innerhalb der Motorsteuerung aus dem Quotienten von Druck nach Verdichter zu Druck vor Verdichter berechnet. Der Druck nach Verdichter wird in der Regel aus dem Messwert eines auch im Serieneinsatz (z. B. vor Drosselklappe) vorhandenen Drucksensors nach Verdichter und dem modellierten Druckabfall über einen eventuell zwischen Turboladeverdichter und Druckmessstelle angeordneten Ladeluftkühler berechnet. Der Druck vor Verdichter wird in der Regel berechnet aus dem Messwert eines auch im Serieneinsatz vorhandenen Umgebungsdrucksensors und dem modellierten Druckabfall über den Luftfilter.
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Bei Bi-Turboanlagen, deren Luftführungen jeweils nach dem Verdichter vor der Drosselklappe eventuell vor einem für beide Turbolader gemeinsamen Ladeluftkühler oder eventuell nach den für beide Turbolader separaten Ladeluftkühlern zusammengeführt werden, sogenannten Parallelturboanlagen oder Turbolader im Parallelbetrieb, herrscht in jedem Betriebspunkt nach jedem der beiden Verdichter der gleiche Druck, da über die gemeinsame Luftführung ein Druckausgleich stattfindet. Damit herrscht unter der Annahme baugleicher Luftfilter oder eines gemeinsamen Luftfilters sowie unter der Annahme baugleicher Ladeluftkühler oder eines gemeinsamen Ladeluftkühlers über beide Verdichter das gleiche Druckverhältnis. Bei gängigen „druckgeführten” (d. h. nur mit Saugrohrdrucksensor, nicht jedoch mit Luftmassenmesser ausgestatteten) Systemen wird die vom Motor angesaugte Luftmasse in der Motorsteuerung auf Basis eines Drucksensorsignals nach Drosselklappe berechnet. Aufgrund des Fehlens von für einzelne Turbolader spezifischen Messwerten (gleicher Druck nach beiden Verdichtern) kann bei gemeinsamer Ansteuerung der beiden Turbinenaktuatoren (z. B. Wastegates) die tatsächliche Verteilung des Ansaugluftstromes auf die beiden Turbolader nur angenommen werden. Hierbei wird in der Regel davon ausgegangen, dass sich das System symmetrisch verhält und damit über beide Verdichter der gleiche Volumenstrom gefördert wird. Daraus folgt, dass in der Motorsteuerung für beide Turbolader in allen Betriebszuständen die gleiche Laderdrehzahl berechnet wird. Somit können die beiden Turbolader in der Modellbildung in der Motorsteuerung als gleichwertig mit einem Turbolader betrachtet werden (halber Luftvolumenstrom, gleiches Druckverhältnis, gleiche Laderdrehzahl). Voraussetzung für ein System mit einer solchen Modellbildung ist hiermit, dass die beiden Turbolader sich innerhalb systembedingt möglicher Toleranzen gleich verhalten.
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Wenn die Turbolader in der Praxis durch Wirkungsgradunterschiede, z. B. infolge von Produktionstoleranzen, unterschiedlichen Alterungseffekten oder Beschädigungen, unterschiedlich fördern, kann dies bedingt durch die beschriebene Systemkonfiguration vom Motorsteuerungssystem nicht erkannt werden. Die Ansteuerung beider Turbinenaktuatoren wird durch die Ladedruckregelung synchron so lange nachgeregelt, bis der angeforderte Soll-Ladedruck erreicht wird. Dies führt dazu, dass für das Gesamtsystem ein eventueller Wirkungsgradverlust eines Turboladers ausgeglichen wird, jedoch führt dies auch dazu, dass bedingt durch die unterschiedlichen Wirkungsgrade die beiden Turbolader unterschiedliche Laderdrehzahlen aufweisen. Die Motorsteuerung ist jedoch aufgrund der beschriebenen Aktuator- und Sensorkonfiguration nicht in der Lage (wie vorstehend beschrieben), unterschiedliche Drehzahlen für die beiden Turbolader zu modellieren. So kann es mit den derzeitigen Ansteuerstrategien in der Motorsteuerung dazu kommen, dass bei großen Wirkungsgradunterschieden zwischen den beiden Ladern bei einem der beiden Lader die zulässige Grenzdrehzahl überschritten wird und es demzufolge zur Bauteilschädigung oder -zerstörung kommt. Mit anderen Worten, ein Wirkungsgradverlust eines Turboladers, beispielsweise durch Schädigung, führt bei derartigen Systemen früher oder später zwangsweise zur Schädigung des zweiten Laders, ohne dass dies von der Motorsteuerung verhindert werden kann.
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Ohne die Verwendung von zusätzlichen kostenintensiven Sensoren, beispielsweise Luftmassensensor vor jedem Verdichter, Turboladerdrehzahlsensor in zumindest einem Verdichter, ist für Systeme mit gemeinsamer Ansteuerung der Turbinenaktuatoren eine turboladerspezifische Diagnose und ein Schutz nicht möglich. Es wird in Kauf genommen, dass bei Schädigung eines Turboladers eine Schädigung des zweiten Laders auftreten kann.
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Weiterhin offenbart beispielsweise das Dokument
DE 10 2011 104 016 A1 ein Verfahren zum Überprüfen der Funktion von Ladedrucksteuerungen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, mit zumindest einem Abgasturbolader, wobei unter vorbestimmten Betriebsbedingungen der Ladedruck in der Ladedruckleitung erfasst und mit im Motorsteuergerät abgelegten Druckwerten verglichen wird und wobei bei definierten Abweichungen Fehlfunktionen erkannt und als Fehlersignale ausgegeben werden. Dazu wird die Motordrehzahl auf einen, im Vergleich zur Leerlaufdrehzahl erhöhten, konstanten Wert angehoben und das Schubumluftventil wird dabei geschlossen. In einem ersten Verfahrensschritt wird zugleich das Bypassventil geöffnet und der Ist-Ladedruckwert wird erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Ein Fehlersignal wird dann generiert, wenn der Ist-Ladedruckwert den Sollwert um einen definierten Schwellwert übersteigt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Bypassventil geschlossen und der Ist-Ladedruckwert erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Ein Fehlersignal wird dann generiert, wenn der Ist-Ladedruckwert mit einem definierten Schwellwert unterhalb des Sollwertes liegt.
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Desweiteren offenbart das Dokument
DE 10 2013 114 449 A1 eine Bi-Turbolader-Ladedruckregelklappensteurung mit einem ersten Turbolader mit einer ersten Ladedruckregelklappe, einem ersten Ladedruckregelklappenaktor und einem ersten Turboladersensor und mit einem zweiten Turbolader mit einer zweiten Ladedruckregelklappe, einem zweiten Ladedruckregelklappenaktor und einem zweiten Turboladersensor. Die zugehörige Steuerung ist zum Einstellen des ersten Ladedruckregelklappenaktors derart konfiguriert, dass ein Parameter des ersten Turboladers mit einem Parameter des zweiten Turboladers übereinstimmt, basierend auf der Ausgabe des ersten und des zweiten Turboladersensors. Auf diese Weise kann die Turboladerausgabe zwischen den zwei Turboladern ausgeglichen werden, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu optimieren.
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Schließlich ist aus dem Dokument
DE 10 2010 055 137 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit zwei Turboladern bekannt, wobei den Turboladern jeweils eine Gruppe von Zylindern zugeordnet ist und für jeden Turbolader eine Temperatur eines Ladeluftstromes in Strömungsrichtung der Ladeluft hinter einem Verdichterrad des jeweiligen Turboladers gemessen wird und eine Differenz der jeweiligen Temperaturen gebildet wird. Ein Unterschied der Temperaturen für die beiden Turbolader zeigt an, dass einer der Turbolader eine gegenüber dem anderen Turbolader erhöhte Drehzahl aufweist. Auf Grundlage dieser Temperaturmessung können daher Maßnahmen ergriffen werden, um Beschädigungen der Turbolader durch eine Drehzahlüberschreitung zuverlässig zu verhindern.
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Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Bi-Turboanlage zur Verfügung zu stellen, mit dem eine besonders gute Betriebssicherheit erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Synchrones Ansteuern der beiden Aktuatoren der Turbolader im Normalbetrieb, in dem die Aktuatorsollposition zur Einstellung eines gewünschten Ladedrucks gewählt wird, zur Einstellung einer Position der Aktuatoren, die für beide Aktuatoren gleich ist;
nach Stabilisierung des Hubes des zugehörigen Ladedruckreglers Durchführen einer Vertrimmung der beiden Aktuatoren zueinander;
Beobachten der dadurch bewirkten Änderung des zum Erreichen des Soll-Ladedrucks nötigen Ladedruckreglerausgangs und Speichern derselben in der Motorsteuereinheit;
Durchführen einer Vertrimmung der beiden Aktuatoren zueinander in umgekehrter Weise;
wiederum Beobachten der dadurch bewirkten Änderung des zum Erreichen des Soll-Ladedrucks nötigen Ladedruckreglerausgangs und Speichern derselben in der Motorsteuereinheit;
Vergleichen des Verhaltens des Ladedruckreglers bei den Vertrimmungen; und
wenn die Differenz der bei Vertrimmung der Sollwerte für die beiden Aktuatoren nötigen Änderungen des Ladedruckreglerausgangs eine Schwelle überschreitet, Feststellen eines spezifischen Fehlers für den zugehörigen Turbolader.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die beiden Turbinenaktuatoren der beiden Turbolader von der Motorsteuereinheit unabhängig voneinander angesteuert. Erfindungsgemäß wird eine separate Diagnose der beiden Turbolader nach dem folgenden Verfahren ausgeführt.
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Im Normalbetrieb werden die beiden Aktuatoren aufgrund der vorstehend beschriebenen Randbedingungen gleich (synchron) angesteuert. In geeigneten Fahrzuständen im Aufladebereich der Brennkraftmaschine, die von der Motorsteuereinheit aufgrund von hinterlegten Algorithmen erkannt werden (z. B. Stationärfahrt), wird eine Diagnoseroutine ausgeführt, um die Turbolader spezifisch zu diagnostizieren. Im jeweiligen Betriebszustand stellt sich aufgrund der synchronen Ansteuerung (Vorsteuerung) und Ladedruckregelung eine Position der Turbinenaktuatoren (z. B. eine Wastegateposition) ein, die für beide Aktuatoren gleich ist. Nachdem sich der Hub des Ladedruckreglers in dem betrachteten Betriebspunkt stabilisiert hat (Stationärbetrieb), wird als nächster Schritt eine Vertrimmung der beiden Turbinenaktuatoren zueinander vorgenommen. Dazu wird die Position eines Aktuators relativ zur Position des anderen Aktuators entsprechend verändert. Einzelheiten der entsprechenden Vorgehensweise werden nachfolgend beschrieben.
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Während dieser Vertrimmung wird die dadurch bewirkte Änderung des zum Erreichen des Soll-Ladedrucks nötigen Ladedruckreglerausgangs beobachtet und in der Motorsteuereinheit gespeichert. Im Anschluss daran wird die Vertrimmung der Aktuatoren in Umkehrung ausgeführt. Wiederum wird nun die dadurch bewirkte Änderung des zum Erreichen des Soll-Ladedrucks nötigen Ladedruckreglerausgangs beobachtet und in der Motorsteuereinheit abgelegt.
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Als nächster Schritt wird nunmehr das Verhalten des Ladedruckreglers bei den Vertrimmungen verglichen. Bei einem intakten System, d. h. wenn beide Turbolader innerhalb der Toleranz identisch sind, verhält sich der Hub des Ladedruckreglers bei beiden Vertrimmvorgängen gleich. Bei unterschiedlichen Wirkungsgraden der beiden Lader ist ein Unterschied im Verhalten des Ladedruckreglers bei den beiden Vertrimmvorgängen zu beobachten.
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Beispielsweise ist bei einer bestimmten Vertrimmung der Sollposition des Turbinenaktuators eines Turboladers mit schlechterem Wirkungsgrad in Richtung geringere Turboladerleistung der dadurch bewirkte Anstieg des zum Erreichen des Soll-Ladedrucks nötigen Ladedruckreglerausgangs größer als bei gleicher Vertrimmung der Sollposition des Aktuators eines Turboladers mit besserem Wirkungsgrad. Dadurch kann der Turbolader mit schlechterem Wirkungsgrad, d. h. der wahrscheinlich geschädigte Turbolader, erkannt werden.
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Wesentlich ist dabei, dass der Ladedruckregler auf eine Vertrimmung der Ansteuerung verschieden guter Lader verschieden reagiert. Wenn die Differenz der bei Vertrimmung der Sollwerte für die beiden Aktuatoren nötigen Änderungen des Ladedruckreglerausgangs eine applizierbare Schwelle überschreitet, kann die Motorsteuereinheit einen für den Turbolader mit schlechterem Wirkungsgrad spezifischen Fehler feststellen bzw. eintragen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher eine turboladerindividuelle Diagnose ohne zusätzliche Sensorik möglich. Es ist eine frühzeitige Erkennung der Verschlechterung des Wirkungsgrades eines Laders möglich. Damit kann die Folgeschädigung eines zweiten Laders verhindert werden. Die Folge ist eine deutliche Erhöhung der Betriebssicherheit und Reduktion der Reparaturkosten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Vertrimmung der beiden Aktuatoren durchgeführt, indem die Position eines Aktuators weiter geschlossen, die Position des anderen Aktuators in entsprechendem Maße weiter geöffnet wird. Eine Variante besteht darin, die Position des eines Aktuators vorzusteuern und die Position des anderen Aktuators über hinterlegte Turboladermodelle so zu ermitteln, dass der Ladedruck für ein nominelles System mit sich gleich verhaltenden Turboladern konstant bleibt.
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Es können jedoch auch beide Aktuatoren synchron vorgesteuert werden oder nur ein Aktuator vorgesteuert und der andere konstant gehalten werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Vertrimmungen in einzelnen Betriebspunkten durchgeführt werden. Bevorzugt wird eine Vertrimmung, die sich auf mehrere Betriebspunkte bezieht.
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Vorgesehen ist weiterhin eine Steuereinheit eines mit einer Bi-Turboanlage ausgestatteten Motors, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im vorliegenden Fall geht es um das Betreiben einer Bi-Turboanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Eine derartige Anlage umfasst zwei Turbolader jeweils mit Verdichter und Turbine, wobei deren Luftführungen jeweils nach dem Verdichter und vor der Drosselklappe der Brennkraftmaschine zusammengeführt sind. Jeder Turbolader besitzt einen geeigneten Aktuator, bei dem es sich beispielsweise um ein Wastegate handeln kann.
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In einem ersten Schritt 1 des Verfahrens werden beide Aktuatoren synchron angesteuert. Im jeweiligen Betriebszustand stellt sich aufgrund dieser synchronen Vorsteuerung und Ladedruckregelung eine Position der Aktuatoren ein, die für beide Aktuatoren gleich ist.
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Nachdem sich der Hub des Ladedruckreglers in dem betrachteten Betriebspunkt stabilisiert hat, wird gemäß Schritt 2 eine Vertrimmung der beiden Aktuatoren zueinander vorgenommen. Dazu wird die Position eines Aktuators weiter geschlossen und im entsprechenden Maße die Lage des anderen weiter geöffnet. Während dieser Vertrimmung wird in Schritt 3 die dadurch bewirkte Änderung des zum Erreichen des Soll-Ladedrucks nötigen Ladedruckreglerausgangs beobachtet und in der Motorsteuereinheit gespeichert.
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Im Anschluss darin wird in Schritt 4 die Vertrimmung der Aktuatoren in Umkehrung ausgeführt. Wiederum wird nun die dadurch bewirkte Änderung des zum Erreichen des Soll-Ladedrucks nötigen Ladedruckreglerausgangs beobachtet und in der Motorsteuereinheit abgelegt (Schritt 5).
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Daraufhin wird das Verhalten des Ladedruckreglers bei den Vertrimmungen verglichen (Schritt 6). Wenn beide Turbolader innerhalb eines Toleranzbereiches identisch sind, verhält sich der Hub des Ladedruckreglers bei beiden Vertrimmvorgängen gleich. Bei unterschiedlichen Wirkungsgraden der beiden Lader wird ein Unterschied im Verhalten des Ladedruckreglers bei den beiden Vertrimmvorgängen beobachtet.
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Der entsprechende Auswertungsvorgang wird in Schritt 7 durchgeführt. Wenn die Differenz der bei Vertrimmung der Sollwerte für die beiden Aktuatoren nötigen Änderungen des Ladedruckreglerausgangs eine Schwelle überschreitet, wird ein spezifischer Fehler für den zugehörigen Turbolader festgestellt.
