DE102018221546A1 - Verfahren zur Adaption eines Abgasturboladers mit variabler Verstellgeometrie - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Adaption eines Abgasturboladers (6) mit einer variabler Verstellgeometrie, wobei eine effektiv durchströmte Fläche (A) der variablen Verstellgeometrie modelliert wird, wobei die effektiv durchströmte Fläche (A) der variablen Verstellgeometrie in Abhängigkeit eines Abgasgegendruck (p) und/oder einer Abgastemperatur (T) und/oder eines Drucks (p) stromabwärts einer Turbine (61) des Abgasturboladers (6) und/oder eines Abgasmassenstroms (ṁ) über die Turbine (61) des Abgasturboladers (6) ermittelt wird und wobei in Abhängigkeit der modellierten effektiv durchströmten Fläche (A) die Adaption des Turboladers (6) mit variabler Verstellgeometrie durchgeführt wird.

Description

• Stand der Technik
• Aus der DE10 2015 111 713 A1 ist ein Steuerbetrieb-Abweichungskompensationsverfahren eines Turboladers bekannt und dieser kann Folgendes aufweisen: Beurteilen (S30) einer Lernbedingung unter einer gegebenen Abweichung einer Zielposition, welche unter Verwendung eines Turboladermodells und einer gegenwärtigen Position zusammen mit einem Atmosphärendruck berechnet wird, wenn ein Turboladersteuern beginnt, verwendend einen Ladedrucksteuerbetriebswert, welcher zu einem benötigten Ladedruckziel eine Motors basierend auf einer Steuerungsvorrichtung passt, Berechnen (S50) eines Lernwerts basierend auf (100 - Zielsteuerbetrieb)/(100 - gegenwärtiger Steuerbetrieb), wenn die Steuerbetrieb-Abweichungskompensationssteuerung des Zielsteuerbetriebswerts, welcher unter Verwendung des Turboladeraktuator-Steuerbetriebsmodells und des gegenwärtigen Steuerbetriebswerts des Turboladers berechnet wird, notwendig ist, und Erhalten (S60) eines Steuerns, in welchem irgendein Unterschied in den einrichtungsbasierten Charakteristiken des Antriebsmechanismus, welcher den Turbolader betrifft, reflektiert sind, da der Steuerbetriebswert des Zielposition mit dem berechneten Lernwert korrigiert wird und der Turbolader gesteuert wird.
• Offenbarung der Erfindung
• In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Adaption eines Abgasturboladers mit einer variabler Verstellgeometrie vorgestellt, wobei eine effektiv durchströmte Fläche der variablen Verstellgeometrie modelliert wird, wobei die effektiv durchströmte Fläche der variablen Verstellgeometrie in Abhängigkeit eines Abgasmassenstroms und/oder einer Abgastemperatur und/oder eines Drucks stromabwärts einer Turbine des Abgasturboladers und/oder eines Abgasmassenstroms über die Turbine des Abgasturboladers ermittelt wird und wobei in Abhängigkeit der modellierten effektiv durchströmten Fläche die Adaption des Turboladers mit variabler Verstellgeometrie durchgeführt wird. Durch die Adaption bzw. Korrektur der Min-Flow-Position während der Laufzeit des Kraftfahrzeugs können korrekte Drehmomenteinstellungen eingestellt werden und somit Emissionen verringert werden.
• Das Verfahren ist von besonderem Vorteil, weil die Kalibration bzw. Adaption der Min-Flow-Position nun während des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann. Stand der Technik ist nach wie vor die Ermittlung der Min-Flow-Position in Prüfstandsmessungen. Weiterhin kann die Min-Flow-Position nun über die Lebensdauer bzw. Betriebsdauer des Abgasturboladers korrigiert werden. Die Min-Flow-Position kann sich z. B. durch Alterungsprozesse und/oder thermische Beanspruchung und/oder durch Ablagerungen von Schmutz und/oder Verbrennungsrückständen an den Leitschaufeln über Lebensdauer verändern und mit dem Verfahren korrigiert werden.
• Ferner ist es von Vorteil, wenn in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der modellierten effektiv durchströmten Fläche und einer effektiv durchströmten Referenzfläche die Adaption des Turboladers mit der variablen Verstellgeometrie durchgeführt wird. Somit kann in einfacher Weise die Adaption des Turboladers mit der variablen Verstellgeometrie durchgeführt werden.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Adaption des Turboladers durch ein Einstellen einer Referenzposition für die variable Verstellgeometrie durchgeführt wird. Das Einstellen der neuen Referenzposition hat den Vorteil, dass eine korrekte Min-Flow-Position einen optimaleren Betrieb der Brennkraftmaschine herstellt, so dass z. B. weniger Emissionen erzeugt und/oder korrekte Drehmomente und/oder ein gleichbleibendes Fahrverhalten eingestellt werden.
• Ferner ist es von Vorteil, wenn das Verfahren in einem stationären oder quasi-stationären Zustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird. Der stationäre bzw. quasi-stationäre Betriebszustand während der Durchführung des Verfahrens hat den Vorteil, dass unterschiedliche Messungen innerhalb eines Toleranzbereiches miteinander verglichen werden können.
• Weiterhin ist es von Vorteil, wenn ein konstanter bzw. ein in etwa konstanter Abgasmassenstrom durch ein Erhöhen einer Last der Verbrennungskraftmaschine eingestellt wird. Hiermit kann in einfacherweise ein stationärer bzw. ein quasi-stationärer Zustand für das Verfahren zur Adaption eines Abgasturboladers mit einer variabler Verstellgeometrie eingestellt werden. Beispielsweise kann dies mittels einer vorgebbaren Drehzahl für die Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden.
• In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
• Figurenliste
• Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
• 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer Verbrennungskraftmaschine 22,
• 2 den beispielhaften Ablauf des Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms in einer bevorzugten Ausführungsform.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Motorsystem 20 und einer Verbrennungskraftmaschine 22, die eine Anzahl von Zylindern 23 aufweist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt ohne Einschränkung eine vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine 22. Die Verbrennungskraftmaschine 22 kann als Diesel- oder Ottomotor ausgebildet sein.
• Der Verbrennungskraftmaschine 22 wird in an sich bekannter Weise Umgebungsluft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt und Verbrennungsabgas aus den Zylindern 23 über ein Abgassystem 5 abgeführt. Das Luftzuführungssystem 4 steht über Einlassventile (nicht gezeigt) mit den Zylindern 23 der Verbrennungskraftmaschine 22 in an sich bekannter Weise in Verbindung. Verbrennungsabgas wird über entsprechende Auslassventile (nicht gezeigt) in das Abgassystem 5 in an sich bekannter Weise ausgestoßen.
  In Strömungsrichtung der Luft 2 ist im Luftzuführungssystem 4 Folgendes angeordnet: Ein Heißluftmassenmesser 3 (HFM), ein Abgasturbolader 6, der eine Abgasturbine 61 im Abgassystem 5 und einen Verdichter 62 im Luftzuführungssystem 4 aufweist.
  Der Abgasturbolader 6 ist dabei vorzugsweise als ein Abgasturbolader mit einer variablen Verstell- bzw. Turbinengeometrie (VNG: Variable Nozzle Turbocharger VTG: Variable-Turbinengeometrie-Lader) ausgebildet. Die Turbine 61 ist mit dem Verdichter 62 mechanisch gekoppelt, so dass Abgasenthalpie, die in der Turbine 61 in mechanische Energie umgesetzt wird, zur Verdichtung von aus der Umgebung entnommener Umgebungsluft in dem Verdichter 62 verwendet wird. Vorzugsweise verfügt die Turbine 61 des Turboladers 6 über verstellbare Leitschaufeln, deren Stellung den Wirkungsgrad der in mechanische Energie gewandelten Abgasenthalpie bestimmen.
  Stromabwärts des Verdichters 62 kann ein Ladeluftkühler 7 vorgesehen sein. Der Ladedruck im Ladeluftabschnitt 41 ergibt sich aus den Verdichtungsleistungen des Verdichters 62.
  Der Ladeluftabschnitt 41 wird durch eine Drosselklappe 9 stromabwärts begrenzt. Zwischen der Drosselklappe 9 und Einlassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 23 der Verbrennungskraftmaschine 22 befindet sich ein Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4.
• In dem Abgassystem 5 ist ausgehend von der Brennkraftmaschine 22 in Strömungsrichtung des Abgases 24 Folgendes angeordnet: ein Sensor 50 der einen Druck p₃ und eine Temperatur T₃ ermittelt, eine Turbine 61 und ein Sensor 51 der einen Druck p₄ ermittelt. Alternativ oder zusätzlich können die Drücke p₃, p₄ und die Temperatur T₃ z.B. als Sensorwerte oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen oder als Modellwerte vorliegen. Die Berechnung der Modellwerte erfolgt vorzugsweise durch das Steuergerät 15.
• Es ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die die Verbrennungskraftmaschine 22 in an sich bekannter Weise durch Stellen der Stellgeber, wie beispielsweise der Drosselklappe 9, eines Laderstellers an der Turbine 61, und dergleichen entsprechend eines momentanen Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine 22 und entsprechend einer Vorgabe, beispielsweise einem Fahrerwunschmoment, betreibt.
• Mittels Leitschaufeln der Abgasturboladers 6 kann die Drehzahl des Turbinenrads bei gleichem Abgasstrom verändert werden, wodurch die von dem Verdichterrad erzeugte Verdichtung, der sogenannte Ladedruck verändert werden kann. Mittels des Drucks p₃ und eines Modells lässt sich in bekannter Weise der Abgasmassenstrom ṁ_exh ermitteln.
• Die vom Abgasmassenstrom ṁ_exh durchströmte effektive Fläche A_eff der Turbine 61 des Abgasturboladers kann folgendermaßen berechnet werden: $$A_{eff}=\frac{{\dot{m}}_{exh}\cdot \sqrt{R\cdot T_3\cdot \mathrm{0,5}}}{p_3\cdot \psi \left(\pi \right)}$$

  
• Mit R der allgemeinen Gaskonstante, ṁ_exh dem Abgasmassenstrom, T₃ der Temperatur des Abgases, p₃ dem Abgasmassenstrom ṁ_exh und ψ(π) der Durchflussfunktion mit $\pi =\frac{p_3}{p_4}$

  

  dem Druckverhältnis der Drücke p₃ und p₄.
• Die Mindestöffnungsstellung der Leitschaufeln der variablen Verstellgeometrie des Abgasturboladers 6 wird dabei als Min-Flow Position bezeichnet. Hierbei ist die Stellung der Leitschaufeln so eingestellt, dass bei definierten Randbedingungen ein vorgegebener Massenstrom durch die variable Verstellgeometrie fließt. Die Min-Flow-Position der Leitschaufeln ist ein zentraler Kalibrationspunkt für die den Abgasturbolader 6 und ist essentiell für dessen optimalen Betrieb.
• In der 2 ist der beispielhafte Ablauf des Verfahrens zur Adaption eines Turboladers (6) mit variabler Verstellgeometrie gezeigt.
• In einem ersten Schritt 500 wird die Verbrennungskraftmaschine 22 in einem stationären bzw. quasi-stationären Betriebszustand betrieben. Als stationärer oder quasi-stationärer Zustand wird hier vorzugsweise ein Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 verstanden, bei dem der Abgasmassenfluss der Verbrennungskraftmaschine 22 bei einem konstanten Wert bzw. der Abgasmassenfluss in einem engen Toleranzband gehalten wird. Vorzugsweise kann dies ein Leerlaufbetriebszustand für die Verbrennungskraftmaschine 22 sein, in dem ein gleichbleibender Abgasmassenfluss ṁ_exh durch die Turbine 61 geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich können auch vorgebbare Drehzahlen für die Verbrennungskraftmaschine 22 vorgeben werden, bei denen ein gleichbleibender Abgasmassenstrom ṁ_exh vorliegt.
  Diese Messgrößen für den stationären bzw. quasi-stationären Zustand werden vorzugsweise durch abspeichern des Drehzahlsignals n_eng und/oder der Abgastemperatur T₃ des dabei ermittelten Abgasmassenstrom ṁ_exh im Steuergerät 15 abgespeichert.
  In einem Schritt 510 werden die Leitschaufeln des Verdichters 61 in eine im Vorfeld ermittelte Referenzposition überführt. Die Referenzposition wird vorzugsweise im Vorfeld an z. B. einem Prüfstand für den Abgasturbolader 6 ermittelt und ist im Steuergerät 15 abgespeichert. Diese Referenzposition wird auch Min-Flow-Position des Abgasturboladers 6 genannt.
  In einem Schritt 520 werden die Messgrößen der Temperatur T_3,, der Drücke p₃ und p₄ und der Abgasmassenstrom ṁ_exh kontinuierlich durch das Steuergerät 15 ermittelt und abgespeichert. Alternativ können die Messgrößen auch über einen vorgebbaren Zeitbereich, insbesondere kontinuierlich, empfangen und/oder ermittelt werden.
  Unter einem vorgebbaren Zeitbereich kann vorzugsweise ein Zeitintervall startend zu einem ersten Zeitpunkt und endend mit einem zweiten Zeitpunkt verstanden werden. Vorzugsweise können die im Zeitbereich empfangenen und/oder ermittelten Werte über den Zeitbereich gemittelt werden.
  In einem Schritt 530 wird aus den Messgrößen aus Schritt 520 die effektiv durchströmte Referenzfläche A_eff,ref ermittelt und im Steuergerät 15 abgespeichert. Diese effektive durchströmte Referenzfläche A_eff,ref bildet dabei eine Referenzfläche für den Abgasturbolader 6 und wird vorzugsweise bei einem ersten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 22 ermittelt. Dies kann z. B. während einer Testfahrt für das Kraftfahrzeug 1 nach dem Produktionsprozess durchgeführt werden. Diese Referenzfläche A_eff,ref entspricht dabei der vorgegebenen Referenzposition für die Leitschaufeln, also der Min-Flow-Position.
  In einem Schritt 540 wird vorzugsweise nach einer vorgebbaren Fahrdistanz, von z. B. 10000, 15000, 20000, 25000 oder 30000 km, erneut die Ermittlung der effektiv durchströmten Fläche A_eff des Abgasturboladers 6 für die Min-Flow-Position durchgeführt. Hierzu wird erneut ein stationärer bzw. quasi-stationärer Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 22 eingestellt, der in etwa dem Betriebszustand aus dem Schritt 500 entspricht. Um zu überprüfen, ob ein in etwa gleicher Betriebszustand während der erneuten Ermittlung der effektiv durchströmten Fläche A_eff vorliegt, werden die Messgrößen der Drehzahl neng, der Abgastemperatur T₃ und der Abgasmassenstrom ṁ_exh ermittelt und abgespeichert. Diese Messgrößen werden mit den im Schritt 500 ermittelten Messgrößen verglichen und anschließend bewertet, ob ein ähnlicher bzw. in etwa gleicher Betriebszustand vorliegt. Vorzugsweise wird dafür jeweils ein Toleranzband für die Messgrößen der Drehzahl n_eng, der Abgastemperatur T₃ und des Abgasmassenstroms ṁ_exh aus der vorherigen Messung bestimmt und ermittelt, ob die aktuellen Messgrößen innerhalb dieser Toleranzbänder liegen. Für den Fall, dass eine der Messgrößen außerhalb des jeweiligen Toleranzbands liegt, wird die Messung verworfen und eine neue Messung startend mit dem Schritt 540 durchgeführt. Für den Fall, dass die Messgrößen innerhalb der Toleranzbänder liegen, liegt ein ähnlicher bzw. ein in etwa gleicher stationärer bzw. quasi-stationärer Zustand der Verbrennungskraftmaschine 22 vor.
  Während dieser Überprüfung des stationären bzw. quasi-stationären Zustands werden die aktuellen Messgrößen der Temperatur T₃, der Drücke p₃ und p₄ und der Abgasmassenstrom ṁ_exh kontinuierlich durch das Steuergerät 15 ermittelt und abgespeichert. Alternativ können die Messgrößen auch über einen vorgebbaren Zeitbereich, insbesondere kontinuierlich, empfangen und/oder ermittelt werden.
  Unter einem vorgebbaren Zeitbereich kann vorzugsweise ein Zeitintervall startend zu einem ersten Zeitpunkt und endend mit einem zweiten Zeitpunkt verstanden werden. Vorzugsweise können die im Zeitbereich empfangenen und/oder ermittelten Werte über den Zeitbereich gemittelt werden.
  Anschließend wird im Schritt 550 aus den in Schritt 540 ermittelten Messgrößen der Temperatur T₃, der Drücke p₃ und p₄ und der Abgasmassenstrom ṁ_exh die aktuell effektiv durchströmte Fläche A_eff,Ist ermittelt und im Steuergerät 15 abgespeichert.
  In einem Schritt 560 wird die Differenz zwischen der ermittelten Referenzfläche A_eff,ref und der aktuellen Fläche A_eff,Ist durch das Steuergerät 15 ermittelt und abgespeichert.
• In einem Schritt 570 wird in Abhängigkeit der Differenz zwischen der ermittelten Referenzfläche A_ett,ref und der aktuellen Fläche A_eff,Ist eine Adaption der Min-Flow Position der Leitschaufeln des Abgasturobladers 6 vorgenommen.
  Für den Fall das die Differenz einen positiven Wert annimmt, werden die Leitschaufeln in Abhängigkeit der Differenz so verändert, dass eine größere effektiv durchströmte Fläche für die Min-Flow Position eingestellt wird.
  Für den Fall das die Differenz einen negativen Wert annimmt, werden die Leitschaufeln in Abhängigkeit der Differenz so verändert, dass eine kleine effektiv durchströmte Fläche für die Min-Flow Position eingestellt wird.
  Dieser ermittelte Wert für die effektiv durchströmte Fläche bildet die neue effektive durchströmte Referenzfläche A_eff,ref,neu und somit die neue Min-Flow-Position die Leitschaufeln des Abgasturboladers 6. Die ursprüngliche Referenzfläche (A_eff,ref) sollte nicht überschrieben werden. Diese wird für spätere Adaptionsvorgänge wieder herangezogen.
  Anschließend kann das Verfahren im Schritt 540 vorzugsweise wieder nach einer neuen vorgebbaren Fahrdistanz, von z. B. 10000, 15000, 20000, 25000 oder 30000 km, durchgeführt werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015111713 A1 [0001]

Claims (8)

1. Verfahren zur Adaption eines Abgasturboladers (6) mit einer variabler Verstellgeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass eine effektiv durchströmte Fläche (A_eff) der variablen Verstellgeometrie modelliert wird, wobei die effektiv durchströmte Fläche (A_eff) der variablen Verstellgeometrie in Abhängigkeit eines Abgasgegendrucks (p₃) und/oder einer Abgastemperatur (T₃) und/oder eines Drucks (p₄) stromabwärts einer Turbine (61) des Abgasturboladers (6) und/oder eines Abgasmassenstroms (ṁ_Exh) über die Turbine (61) des Abgasturboladers (6) ermittelt wird und wobei in Abhängigkeit der modellierten effektiv durchströmten Fläche (A_eff) die Adaption des Turboladers (6) mit variabler Verstellgeometrie durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der modellierten effektiv durchströmten Fläche (A_eff) und einer effektiv durchströmten Referenzfläche (A_eff,ref) die Adaption des Turboladers (6) mit der variablen Verstellgeometrie durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaption des Turboladers (6) durch ein Einstellen einer Referenzposition für die variable Verstellgeometrie durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem stationären oder quasi-stationären Zustand der Verbrennungskraftmaschine (22) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstanter bzw. ein in etwa konstanter Abgasmassenstrom (ṁ_Exh) durch ein Erhöhen einer Last der Verbrennungskraftmaschine (22) eingestellt wird.
6. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
7. Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 6.
8. Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (15), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.

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