DE112005001963T5 - Vorgehensweisen zum Ermitteln einer Turboladerdrehzahl - Google Patents

Vorgehensweisen zum Ermitteln einer Turboladerdrehzahl Download PDF

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Abstract

Verfahren, umfassend:
– Erfassen der Drehzahl eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor einen Turbolader mit einem Kompressor aufweist, der Kompressor einen Einlass und einen Auslass hat und der Auslass mit einem Einlass des Motors gekoppelt ist,
– Erfassen des Eingangsdrucks und des Ladedrucks des Kompressors,
– Ermitteln eines der Turboladerdrehzahl entsprechenden Wertes aus der Drehzahl des Verbrennungsmotors, dem Eingangsdruck und dem Ladedruck, und
– Verfeinern des Wertes als Funktion einer zeitlichen Änderung des Ladedrucks, um die Turboladerdrehzahl wiederzugeben.

Description

  • Hintergrund und Zusammenfassung der Anmeldung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader.
  • Turbolader sind wohlbekannte Einrichtungen zum Unterdrucksetzen der in die Brennkammern eines Verbrennungsmotors eintretenden Einlassluft, um dadurch den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe des Motors zu erhöhen. Allgemein erhöht ein Unterdrucksetzen der Einlassluft die während des Ansaugens in die Motorbrennkammern eintretende Luftmenge, was es erlaubt, beim Erstellen einer Kraftstoffzufuhr mit einem gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis mehr Kraftstoff zu verwenden. Typischerweise ergeben sich daraus ein erhöhtes Motordrehmoment und eine erhöhte Motorleistung im Vergleich zu einem ähnlichen, nicht turbogeladenen Motor.
  • Bei einem Turbomotor steht der Abgaskrümmer des Motors über eine Abgasleitung in Fluidverbindung mit einer drehbaren Turbine des Turboladers und das durch diese Leitung strömende Abgas bewirkt ein Drehen der Turbine mit einer Geschwindigkeit, die vom Abgasdruck und der Abgasmenge abhängt. Ein Kompressor des Turboladers ist mechanisch mit der Turbine gekoppelt. Der Kompressor wird von der sich drehenden Turbine drehangetrieben. Ein Einlass des Kompressors empfängt frische Umgebungsluft und ein Auslass des Kompressors steht über eine Einlassleitung in Fluidverbindung mit einem Einlasskrümmer des Motors. Die Drehung des Kompressors erhöht die dem Motor zugeführte Einlassluftmenge, was zu einem erhöhten Druck führt, der häufig als der Ladedruck bezeichnet wird.
  • Ein Abgasrückführungssystem (EGR = exhaust gas recirculation), das in solch einem turbogeladenen Motor eingebaut ist, führt über eine Abgasrückführungsleitung geregelte Mengen an Abgas aus dem Abgaskrümmer dem Einlasskrümmer zu. Um einen positiven Abgasrückführungsfluss durch die Abgasrückführungsleitung aufrechtzuerhalten, wird der Druck in der Abgasleitung auf einem höheren Niveau als in der Einlassleitung gehalten, und Turbolader in Motoren mit Abgasrückführung arbeiten typischerweise bei höheren Drehzahlen als in solchen ohne Abgasrückführung. In jedem Fall ist es oft wünschenswert, eine genaue Kenntnis der Turboladerdrehzahl zu haben, insbesondere bei Turbomotoren mit Abgasrückführung, um einen positiven Abgasrückführungsfluss sicherzustellen und zugleich die Turboladerdrehzahl innerhalb sicherer Betriebsgrenzen zu halten.
  • In Fällen, in denen eine Implementierung eines Turboladerdrehzahlsensors unpraktisch oder zu teuer ist, und/oder in Fällen, in denen eine redundante oder „Reserve"-Turboladerdrehzahlinformation erwünscht ist, wird ein System zum genauen Abschätzen oder Synthetisieren der Turboladerdrehzahl benötigt. Es besteht somit ein Bedarf für weitere Beiträge auf diesem Gebiet der Technik.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine besondere Vorgehensweise zum Ermitteln von Turboladerdrehzahlen bereitgestellt. In anderen Ausführungsformen werden besondere Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zum Ermitteln von Turboladerdrehzahlen zur Verfügung gestellt.
  • Eine weitere Ausführungsform umfasst: Sensieren der Drehzahl eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader, der einen Kompressor mit einem Einlass und einem Auslass aufweist. Dieser Auslass ist mit einem Einlass des Motors gekoppelt. Die Ausführungsform umfasst ferner das Sensieren von Eingangsdruck und Ladedruck des Kompressors und das Ermitteln eines der Turboladerdrehzahl entsprechenden Wertes aus der Drehzahl des Verbrennungsmotors, des Eingangsdrucks und des Ladedrucks. Dieser Wert wird in Abhängigkeit einer zeitlichen Änderung des Ladedrucks verfeinert, um die Turboladerdrehzahl abzubilden.
  • Eine andere Ausführungsform umfasst: Bereitstellen eines Verbrennungsmotors umfassend einen Turbolader mit einem Kompressor, der einen mit einem Einlass des Motors gekoppelten Auslass hat; Bestimmen eines Turboladerdrehzahlschätzwertes aus der Motordrehzahl und einem Druckverhältnis des Kompressors; und Anpassen des Turboladerdrehzahlschätzwertes als Funktion einer zeitlichen Ladedruckänderung des Kompressors.
  • Eine noch weitere Ausführungsform umfasst: Einen Verbrennungsmotor; einen Drehzahlsensor, der betriebsfähig ist, um ein erstes eine Motordrehzahl repräsentierendes Signal zu liefern; einen Turbolader einschließlich eines Kompressors mit einem Einlass und einem Auslass, der mit einem Einlass des Motors gekoppelt ist; eine Druckerfassungsanordnung, die betriebsfähig ist, um ein einen Eingangsdruck des Kompressors repräsentierendes zweites Signal und ein einen Ausgangsdruck des Kompressors repräsentierendes drittes Signal zu liefern; und ein auf das erste Signal, das zweite Signal und das dritte Signal ansprechendes Steuergerät zum Bestimmen eines Wertes als Funktion der Motordrehzahl und eines Druckverhältnisses. Dieses Verhältnis ergibt sich zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck. Das Steuergerät passt ferner den Wert basierend auf einer zeitlichen Änderung des Ausgangsdrucks an, um ein für die Turboladerdrehzahl repräsentatives Signal zu liefern.
  • Eine noch weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Einrichtung zum Erfassen der Drehzahl eines Verbrennungsmotors, der einen Turbolader aufweist. Ein Kompressor des Turboladers hat einen Einlass und einen mit einem Einlass des Motors gekoppelten Auslass. Die Ausführungsform umfasst ferner: eine Einrichtung zum Filtern der Drehzahl des Verbrennungsmotors; eine Einrichtung zum Erfassen der Eingangstemperatur, des Eingangsdrucks und des Ladedrucks des Turboladerkompressors; eine Einrichtung zum Filtern des Ladedrucks; eine Einrichtung zum Bestimmen eines einer unkorrigierten Turboladerdrehzahl entsprechenden Wertes aus der Drehzahl des Verbrennungsmotors, dem Eingangsdruck und dem Ladedruck; eine Einrichtung zum Korrigieren des Wertes mit der Eingangstemperatur, um einem temperaturkorrigierten Turboladerdrehzahlwert zu entsprechen; und eine Einrichtung zum Verfeinern des Wertes als Funktion einer Ladedruckänderung über der Zeit, um einen verfeinerten Turboladerdrehzahlwert bereitzustellen.
  • Diese und weitere Ausführungsbeispiele, Formen, Merkmale, Ziele, Vorteile, Nutzen und Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung werden aus der genauen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Motorsystems einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein einen dreidimensionalen Zusammenhang für das System aus 1 angebendes Kennfeld.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm einer Turboladerdrehzahlabschätzroutine, die in dem System aus 1 implementiert werden kann.
  • 4 ist ein der Routine aus 3 entsprechendes Steuerschema.
  • Beschreibung ausgewählter Ausführungsformen
  • Zum Zwecke eines besseren Verständnisses der Grundlagen der Erfindung wird nun Bezug genommen werden auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen und es werden spezielle Ausdrücke verwendet werden, um diese zu beschreiben. Es versteht sich nichtsdestoweniger, dass dadurch keine Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Jegliche Änderungen und weitere Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsformen und jegliche weitere Anwendungen der Grundlagen der Erfindung wie hierin beschrieben, wie sie einem Fachmann auf dem die Erfindung betreffenden Gebiet normalerweise einfallen würden, sind gemeint.
  • Bezugnehmend nunmehr auf 1 ist ein Motorsystem 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System 10 umfasst einen Verbrennungsmotor 12 und einen Turbolader 18. Der Turbolader 18 enthält einen Kompressor 16 und eine Turbine 26. Der Motor 12 weist einen Einlasskrümmer 14 auf, der über eine Druckluftleitung 20 fluidleitend mit einem Auslass 15 des Kompressors 16 verbunden ist. Der Kompressor 16 hat einen Kompressoreinlass 17, der mit einer Einlassleitung 22 verbunden ist, um daraus Frischluft zu empfangen. Optional kann ein Ansaugluftkühler bekannten Aufbaus in der Leitung 20 zwischen dem Turboladerkompressor 16 und dem Einlasskrümmer 14 angeordnet sein (nicht dargestellt). Der Turboladerkompressor 16 ist mechanisch über eine Antriebskupplung 25 mit der Turbine 26 gekoppelt, wobei die Turbine 26 einen Turbineneinlass 27 aufweist, der über eine Abgasleitung 30 fluidleitend mit einem Abgaskrümmer 28 des Motors 12 verbunden ist, und ferner einen Turbinenauslass 29 aufweist, der über eine Abgasleitung 32 fluidleitend mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist. In einer Abgasrückführungsleitung 34 ist ein Abgasrückführungsventil 36 angeordnet. Die Leitung 34 steht in Fluidverbindung mit der Leitung 20 und der Abgasleitung 30. Optional kann ein Abgasrückführungskühler bekannter Konstruktion in der Abgasrückführungsleitung 34 zwischen dem Abgasrückführungsventil 36 und der Leitung 20 angeordnet sein (nicht dargestellt).
  • In einer Ausgestaltung ist der Motor 12 von der Art eines herkömmlichen Viertakthubkolbenmotors. Jedoch kann anstelle eines Hubkolbenmotors ein Drehkolbenmotor in einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Auch kann in anderen Ausführungsformen ein Motor mit einer anderen Anzahl an Arbeitstakten, wie etwa ein Zweitaktzyklus, verwendet werden. Die Kupplung 25 kann die Gestalt einer drehbaren Antriebswelle, einer Riemen- und Riemenscheibenanordnung, von kämmenden Zahnrädern, einer Kombination aus diesen und/oder einer anderen Anordnung zum Antreiben des Kompressors 16 durch die Turbine 26 haben, wie sie Fachleuten auf dem Gebiet einfällt. In noch weiteren Ausführungsformen sind mehrstufige Kompressoren, mehrstufige Turbinen oder eine Kombination davon vorgesehen.
  • Das System 10 enthält ein Steuergerät 40, das vorzugsweise mikroprozessorgestützt ist und allgemein dazu in der Lage ist, den Gesamtbetrieb des Motors 12 zu steuern und zu verwalten. Das Steuergerät 40 hat einen Speicher 45 sowie eine Reihe von Eingängen und Ausgängen zur Verbindung mit verschiedenen mit dem Motor 12 gekoppelten Sensoren und Systemen. Das Steuergerät 40 kann in Gestalt einer oder mehrerer Komponenten basierend auf digitaler Schaltungstechnik, analoger Schaltungstechnik oder einer Kombination daraus vorgesehen sein, und/oder kann auf einer oder mehreren Prozessoreinheiten (CPUs), arithmetischen Logikeinheiten (ALUs), oder ähnlichem basieren, vom RISC, CISC oder jeglichem anderen Typ. Bei einer Ausgestaltung mit Mehrfachkomponenten können solche Komponenten in eine einzige Einheit integriert sein oder relativ zueinander entfernt angeordnet sein. Das Steuergerät 40 kann in einer Ausführungsform eine bekannte Steuereinheit sein, die manchmal als elektronisches oder Motorsteuermodul (ECM), elektronische oder Motorsteuereinheit (ECU) oder ähnlich bezeichnet wird oder kann alternativ eine Vielzwecksteuerschaltung sein, die zum nachfolgend beschriebenen Betrieb in der Lage ist. Das Steuergerät 40 enthält gewünschte Hilfskomponenten, wie etwa eine Stromversorgung, Signalaufbereiter, Filter, Begrenzer, Formatwandler (wie etwa Analog-Digital und/oder Digital/Analog-Wandler), Eingabe-/Ausgabe-Controller, Datenanschlüsse, Bedienereingabe/Ausgabeeinrichtungen und ähnliches, wie für Fachleute ersichtlich. Der Speicher 45 kann aus einer oder mehreren Arten bestehen, einschließlich aber nicht beschränkt auf elektronische, optische und/oder elektromagnetische Arten und/oder kann flüchtig, nicht-flüchtig oder eine Kombination daraus sein.
  • Das Steuergerät 40 führt vorzugsweise eine Betriebslogik aus, um eine oder mehrere Steuerroutinen durchzuführen, wie im Folgenden genauer beschrieben wird. Eine solche Logik kann in Gestalt von softwaremäßigen oder hardwaremäßigen Programmanweisungen, dedizierter Hardware (wie etwa eine synchrone Zustandsmaschine oder eine asynchrone Zustandsmaschine), einem oder mehrerer zum Liefern von Steueranweisungen und/oder unmittelbaren Steuerbefehlen codierter Signale oder eine Kombination daraus sein, um nur einige wenige Beispiele zu nennen. In einer Ausgestaltung ist die Betriebslogik des Steuergeräts dazu ausgelegt, eine Steuerroutine zum Ermitteln eines Turboladerdrehzahlschätzwertes basierend auf Ein gangssignalen von einer Reihe von Motor- und/oder Turboladerbetriebsbedingungssensoren ganz oder teilweise auszuführen, wie genauer im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben werden wird.
  • Das Steuergerät 40 weist eine Reihe von Eingängen zum Empfangen von Signalen von verschiedenen Sensoren oder Erfassungs-Subsystemen auf, die mit dem System 10 zusammenhängen. Beispielsweise umfasst das System 10 einen Temperatursensor 50, der in Fluidverbindung mit der Einlassleitung 22 angeordnet ist und elektrisch über einen Signalweg 52 mit dem Steuergerät 40 verbunden ist. Der Sensor 50 kann von bekanntem Aufbau sein und ist allgemein betriebsfähig, um über den Signalweg 52 ein Kompressoreinlasstemperatursignal (IT) zu liefern, welches die Temperatur der in den Einlass 17 des Kompressors 16 eintretenden Umgebungsluft angibt (d.h. die in die Einlassleitung 22 eintritt). Alternativ braucht der Sensor 50 nicht in Fluidverbindung mit der Einlassleitung 22 angeordnet zu sein und kann stattdessen an jeder passenden Stelle bezüglich des Systems 10 positioniert sein, um auf dem Signalweg 52 ein die Temperatur der in die Leitung 22 eintretenden frischen Umgebungsluft angebendes Signal zu erzeugen. Gemäß einer Alternative wird IT manchmal oder immer synthetisiert oder basierend auf einem oder mehreren anderen Sensoren und/oder Betriebsparametern auf andere Art geschätzt.
  • Das System 10 enthält ferner eine Druckerfassungsanordnung 60. Die Anordnung 60 umfasst einen Drucksensor 62a und einen Drucksensor 62b, die elektrisch über Signalwege 64a bzw. 64b mit dem Steuergerät 40 verbunden sind. Der Sensor 62a kann von bekanntem Aufbau sein und ist allgemein dazu betriebsfähig, auf dem Signalweg 64a ein Kompressoreinlassdrucksignal (IP) zu erzeugen, welches den Druck der in den Einlass 17 des Kompressors 16 eintretenden Umgebungsluft angibt (d.h. die in die Einlassleitung 22 eintritt). Es versteht sich, dass für die Zwecke der vorliegenden Erfindung der Sensor 54 nicht in Fluidverbindung mit der Einlassleitung 22 angeordnet zu sein braucht und stattdessen an jeder passenden Stelle bezüglich des Systems 10 positioniert sein kann, solange der Sensor 62a dazu betriebsfähig ist, auf dem Signalweg 64a ein den Druck der in die Leitung 22 eintretenden Umgebungsluft angebendes Signal zu erzeugen. Der Drucksensor 62b ist in Fluidverbindung mit der Leitung 20 angeordnet und elektrisch über den Signalweg 64b mit einem Eingang (IN4) des Steuergerätes 40 verbunden. Der Sensor 62b kann von bekanntem Aufbau sein und ist allgemein betriebsfähig, um auf dem Signalweg 64b ein Kompressorauslassdrucksignal (OP) zu erzeugen, welches den Druck innerhalb der Leitung 20 angibt (auch als Kompressor-Ladedruck oder Kompressor-Ausgangsdruck bezeichnet). Es sollte verstanden werden, dass der Ausgangsdruck/Ladedruck des Kompressors 16 vom Sensor 62b unabhängig von seiner Position längs der Leitung 20 geliefert werden kann, so dass der Sensor 62b sich stromaufwärts oder stromabwärts der Leitung 34 und/oder jeder anderen Ausrüstung befinden kann, die zwischen dem Kompressor 16 und dem Einlass 14 fluidleitend mit der Leitung 20 verbunden sein kann, wie etwa ein Ladeluftkühler (nicht dargestellt). Bei anderen Ausführungsformen kann die Anordnung 60 mehr oder weniger Sensoren aufweisen und/oder eines oder mehrere Drucksignale können manchmal oder immer synthetisiert oder auf andere Art aus einem oder mehreren Sensoren und/oder Betriebsparametern abgeschätzt werden.
  • Das System 10 umfasst ferner einen Motordrehzahlsensor 66, der über einen Signalweg 68 elektrisch mit dem Steuergerät 40 verbunden ist. In einer Ausführungsform ist der Sensor 66 vom Hall-Typ und dazu betriebsfähig, den Durchgang eines jeden einer Reihe von auf einem Zahn- oder Resolverrad ausgebildeten Zähnen zu erfassen, welches synchron mit dem Motor 12 rotiert. Alternativ kann der Sensor 66 ein Sensor mit variabler Reluktanz oder ein anderer bekannter Drehzahlsensor sein und ist in jedem Fall dazu betriebsfähig, auf dem Signalweg 68 ein Drehzahlsignal (ES) zu erzeugen, welches die Drehzahl des Motors 12 angibt. In noch anderen Ausführungsformen kann die Drehzahl manchmal oder immer synthetisiert oder auf andere Weise basierend auf einem oder mehreren anderen Sensoren und/oder Betriebsparametern geschätzt werden.
  • Das Steuergerät 40 umfasst auch eine Reihe von Ausgängen zum Steuern einer oder mehrerer mit dem Motor 12 und/oder dem System 10 zusammenhängender Motorsteuereinrichtungen. Beispielsweise umfasst das Steuergerät 40 auch wenigstens einen Ausgang zum Steuern der Turboladerschluckfähigkeit/Wirksamkeit, wobei der Ausdruck „Turboladerschluckfähigkeit/Wirksamkeit" für die Zwecke der vorliegenden Erfindung als das Gasdurchströmungsvermögen der Turboladerturbine 26 definiert ist. Beispielsweise ist, wie in 1 wiedergegeben, das Steuergerät 40 über einen Signalweg 70 elektrisch mit einer Turboladerschluckvermögen/Wirksamkeits-Steuereinrichtung 72 verbunden, wobei die Turboladerschluckvermögen/Wirksamkeits-Steuereinrichtung 72 auf eines oder mehrere Turboladersteuersignale anspricht, um das Schluckvermögen und/oder die Effizienz des Turboladers 18 zu ändern. Allgemein schlägt die vorliegende Erfindung vor, das Schluckvermögen und/oder die Effizienz des Turboladers 18 mittels einer oder mehrerer bekannter Steuereinrichtungen 70 unter der Führung des Steuergerätes 40 zu steuern. Beispiele für solche Steuereinrichtungen schließen ein, sind jedoch nicht begrenzt auf jede Kombination einer Einrichtung zum Verändern der Geometrie der Turboladerturbine 26, ein zwischen den Leitungen 30 und 32 angeordnetes Abblasventil (Wastegate) zum selektiven Ableiten von Abgas aus der Turboladerturbine 26, und eine Abgasdrossel zum selektiven Steuern der Abgasdurchflussmenge durch die Leitung 30 oder 32. Das Steuergerät 40 umfasst ferner einen zweiten Ausgang, der über einen Signalweg 74 elektrisch mit dem Abgasrückführungsventil 36 verbunden ist. Das Steuergerät 40 ist auf bekannte Weise dazu betriebsfähig, die Querschnittsfläche des Ventils 36 zu steuern, um den durch es rückgeführten Abgasstrom selektiv zu steuern.
  • Auf der Grundlage herkömmlicher Kompressorströmungslehre ist gefunden worden, dass bei Gegebensein zweier der folgenden Variablen die übrigen eindeutig bestimmt werden können: [TS/sqrt(IT), OP/IP, MAF·sqrt(IT)/IP],wobei
    • MAF
    der Massenstrom an in den Einlass 17 des Turboladerkompressors 16 eintretender Luft ist,
    IT
    die Temperatur der in den Kompressor 16 eintretenden Luft ist,
    IP
    der Druck der in den Kompressor 16 eintretenden Luft ist,
    OP
    der Druck der Luft in der Leitung 20 ist (d.h. am Auslass 15 des Turboladerkompressors 16), der demzufolge den absoluten Ladedruck in der Leitung 20 repräsentiert,
    TS
    die Drehzahl des Turboladers 18 ist, und
    „sqrt()"
    ein Wurzeloperator ist, der die Quadratwurzel des Operanden in der Klammer zurückbringt.
  • In der obigen Beziehung betrifft der Ausdruck TS/sqrt(IT) eine temperaturkorrigierte Turboladerdrehzahl, im Folgenden als CTS bezeichnet; der Ausdruck OP/IP betrifft das Kompressordruckverhältnis, im Folgenden als PR bezeichnet; und der Ausdruck MAF·sqrt(IT)/IP betrifft einen korrigierten Kompressormassenstrom, im Folgenden als CMAF bezeichnet. Die Zusammenhänge zwischen CTS, PR und CMAF können mittels eines Kompressorkennfeldes der in 2 des US-Patents 6 539 714 der Anmelderin, auf welches hiermit explizit Bezug genommen wird, gezeigten Art dargestellt werden. Anhang solcher Beziehungen ist festgestellt worden, dass die temperaturkorrigierte Turboladerdrehzahl CTS gemäß der folgenden Gleichung (1) abgeschätzt werden kann: CTS = ∱(PR, CMAF) (1).
  • Demgemäß kann bei Ausführungsformen, die einen Luftmassenstromsensor in Fluidverbindung mit der Einlassleitung 22 angeordnet haben, CTS unmittelbar als Funktion gemessener Werte für PR und CMAF abgeleitet werden. Jedoch kann es bei Ausführungsformen des Systems 10, die keinen solchen Luftmassenstromsensor aufweisen und/oder bei Ausführungsformen, die einen Einlassluftmassenstromsensor oder eine CMAF-Synthesetechnik mit unakzeptabler Genauigkeit oder Präzision aufweisen, nicht erwünscht sein, CTS unmittelbar als eine Funktion von PR und CMAF zu bestimmen.
  • Es ist auch festgestellt worden, dass die temperaturkorrigierte Turboladerdrehzahl CTS empfindlicher gegenüber Änderungen des Kompressordruckverhältnisses PR ist als gegenüber dem korrigierten Kompressormassenstrom CMAF. Eine Kenntnis der momentanen Motordrehzahl ES ermöglicht ein Abbilden von Kompressordruckverhältnisfluktuationen auf konstante temperaturkorrigierte Turboladerdrehzahlwerte. Als Ergebnis ergibt sich die Gleichung (2) wie folgt: CTS = ∱(PR, ES) (2),so dass eine geschätzte oder synthetisierte Turboladerdrehzahl (TSE) dann durch die folgende Gleichung (3) wie folgt festgelegt ist: TSE = sqrt(IT)·∱[OP/IP), ES] (3).
  • 2 gibt ein dreidimensionales Diagramm 110 der unkorrigierten Turboladerdrehzahl TS, des Kompressordruckverhältnisses PR und der Motordrehzahl ES wieder, das eine Motoranordnung der mit Bezug auf 1 beschriebenen Art charakterisiert. Für jedes gegebene Paar von PR und ES zeigt das Diagramm 110, dass ein eindeutig bestimmter Turboladerdrehzahlwert TS existiert.
  • 3 illustriert das Steuerprogramm 120 in Fließbildform. Das Programm 120 stellt eine nicht beschränkende Ausführungsform einer Prozedur zum Abschätzen oder Synthetisieren der Turboladerdrehzahl dar. Das Programm 120 entspricht dem Steuerflussdiagramm 220 der 4, welches mit ihm zusammen beschrieben wird. Das Programm 120 kann mit dem System 10 implementiert sein und in Übereinstimmung mit der Betriebslogik des Steuergerätes 40 ablaufen. Gemäß einer Ausgestaltung ist das Programm 120 als im Speicher 45 abgespeicherte Programmanweisungen vorgesehen und wird auf eine bekannte Weise vom Steuergerät 40 ausgeführt. In anderen Ausführungsformen ist das Programm 120 in einem anderen System und/oder mit anderer Betriebslogik implementiert.
  • Das Programm 120 beginnt mit der Operation 122. Im Schritt 122 werden der Kompressoreingangsdruck IP anhand einer vom Drucksensor 62a (1) bereitgestellten Information und der Kompressorausgangsdruck (OP) anhand einer vom Drucksensor 62b bereitgestellten Information ermittelt. Das Programm 120 fährt mit dem Schritt 124 fort, in dem das Kompressordruckverhältnis PR als ein Verhältnis aus OP und IP berechnet wird. Der PR-Eingang ist im Steuerflussdiagramm 220 der 4 als Eingang 224 bezeichnet. Es versteht sich, dass der Kehrwert von PR, PR multipliziert mit einer bekannten Konstanten und/oder eine andere geeignete Funktion von PR mit entsprechenden Anpassungen verwendet werden können. Der Schritt 124 kann das Aufzwingen eines Wertebereiches bezüglich IP umfassen, um ein „durch Null teilen" zu vermeiden und/oder einen unrealistisch niedrigen Wert PR zu verhindern, zu dem es aufgrund eines Sensorfehlers kommen könnte.
  • Das Programm 120 fährt vom Schritt 124 zum Schritt 126 fort. Im Schritt 126 wird die Motordrehzahl ES aus einer vom Drehzahlsensor 66 bereitgestellten Information bestimmt, was dem Eingang 226 des Steuerflussdiagramms 220 entspricht. Vom Schritt 126 fährt das Programm mit dem Schritt 128 fort. Im Schritt 128 wird ES einem Tiefpassfilter zugeführt, um Einschaltstöße zu entfernen. Im Steuerflussdiagramm 220 entspricht der Filter 228 dem Schritt 128. Der Filter 228 ist in Gestalt einer komplexen Variable (T1s + 1)–1 mit einer Filterzeitkonstante P1 dargestellt. Typischerweise ist der Filter 228 als eine diskrete softwarebestimmte Ausgestaltung eines digitalen Filters implementiert.
  • Ausgehend vom Schritt 128 wird der Schritt 130 erreicht, in dem die Einlasstemperatur IT anhand einer Information des Sensors 50 bestimmt wird. Der Schritt 130 entspricht dem Eingang 230 des Steuerflussdiagramms 220. Vom Schritt 130 fährt das Programm 120 mit dem Schritt 132 fort, in dem IT zur Ausführung einer Turboladerdrehzahltemperaturkorrektur angepasst wird. Der Schritt 132 berechnet die Quadratwurzel von IT (Operator 232a im Steuerflussdiagramm 220) und multipliziert mit einem Umwandlungsfaktor von 0,06 (Operator 232b des Steuerflussdiagramms 220), um den Temperaturkorrekturfaktor TCF = 0,06·(IT)1/2 zu liefern. Der Umwandlungsfaktor des Operators 232b entspricht 60 s/1000 Umdrehungen pro Minute, was in anderen Ausführungsformen unterschiedlich sein kann.
  • Vom Schritt 132 des Programms 120 wird der Schritt 140 erreicht, der PR und den gefilterten ES als Eingänge benutzt, um aus einer 3-Variablen Beziehung wie etwa dem Diagramm 110 gemäß 2, welches im Steuerflussdiagramm 220 durch den 3D-Abbildungsoperator 240 dargestellt ist, einen unkorrigierten TS-Wert zu liefern. Die vorliegende Erfindung sieht eine Reihe von Vorgehensweisen zum Ausführen des Schrittes 140 (3D-Abbildungsoperator 240) vor, um TS basierend auf den Eingangsvariablen PR und ES bereitzustellen. Beispielsweise können in einer Ausführungsform die Daten des Diagramms 110 im Speicher 45 in einer oder mehreren graphischen oder Tabellenformen abgespeichert sein. In dieser Ausführungsform ist das Steuergerät 40 dazu in der Lage, den Schritt 140 durch Zuordnen aktueller Werte von PR und ES auszuführen, um TS zu bestimmen. Falls die aktuellen Werte für PR und ES zwischen Datenpunkten liegen, können geschätzte Werte durch Verwenden bekannter linearer und/oder nicht-linearer Interpolationstechniken erhalten werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die dreidimensionale Beziehung des Diagramms 110 der 2 durch ein im Speicher 45 abgelegtes Polynom dargestellt sein, welches für TS mit bekannten Werten der zwei übrigen Parameter gelöst werden kann. Beispielsweise stellt das Diagramm 110 der 2 eine glatte Fläche dar und kann deshalb als ein Polynom zweiter Ordnung entsprechend der folgenden Gleichung (4) modelliert werden: TS = a + b·PR + c·PR2 + d·ES + e·ES2 + f·PR·ES (4),wobei: a, b, c, d, e und f Modellkonstanten sind. In dieser Ausführungsform ist das Steuergerät 40 dazu in der Lage, den Schritt 140 des Programms 120 durch Lösen der Gleichung (4) als Funktion der aktuellen Werte für PR und ES auszuführen.
  • In noch einer alternativen Ausführungsform kann das dreidimensionale Diagramm 110 aus 2 als ein neuronales Netzwerk mit zwei Eingangsgrößen modelliert werden, das als geeignete Fläche zum Anpassen der Datenpunkte für TS entsprechend den bekannten Variablen PR und ES trainiert ist. In dieser Ausführungsform ist das Steuergerät 40 dazu in der Lage, den Schritt 140 des Programms 120 durch Berechnen von TS gemäß dem neuronalen Netzwerk mit zwei Eingangsgrößen auszuführen.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Diagramm 110 aus 2 als ein Polynom zweiter Ordnung für PR und einer Skalierungsfunktion für ES gemäß der Gleichung: TS = (a + b·PR + c·PR2)·∱(ES) (5)modelliert sein, wobei: der Ausdruck (a + b·PR + c·PR2) das PR-Modell zweiter Ordnung darstellt; ∱(ES) ein Skalierfaktor ist, der von dem aktuellen Wert der Motordrehzahl abhängt; und a, b und c Modellkonstanten sind. In dieser Ausführungsform ist das Steuergerät 40 dazu in der Lage, den Schritt 140 des Programms 120 durch Lösen der Gleichung (5) für TS auszuführen. In noch weiteren Ausgestaltungen könnte eine Kombination dieser Vorgehensweisen dazu benutzt werden, den Schritt 140/Operator 240 zu implementieren, jegliche dreidimensionale Daten können durch zwei- oder mehrdimensionale Tabellen, Kennfelder oder ähnliches dargestellt sein, oder andere Vorgehensweisen, die Fachleuten einfallen, können verwendet werden.
  • Der Multiplikator 242 im Steuerflussdiagramm 220 stellt die Anwendung von TCF auf den Ausgang des 3D-Abbildungsoperators 240 dar, in jeder seiner unterschiedlichen Ausgestaltungen, um CTS aus TS zu liefern. Genauer ist CTS = TS·TCF = TS·0,06·sqrt(IT). Der Multiplikator 242 ist im Schritt 140 eingeschlossen, um CTS zu erzeugen. Es ist zu erwähnen, dass der Umwandlungsfaktor 0,06 alternativ im Operator 240 oder 242 berücksichtigt sein kann. Alternativ oder zusätzlich können der Schritt 140 und entsprechend der Operator 240 so ausgeführt sein, dass sie Standardvorgehensweisen zum Liefern von CTS als Ausgang basierend auf Eingängen PR und ES anstelle von TS unter Berücksichtigung der Quadratwurzel von IT und zutreffender Korrekturfaktoren liefern. Gemäß einer Alternative wird IT zusammen mit PR und ES als Eingang behandelt, um einen entsprechenden CTS-Wert basierend auf einer Vier-Variablen-Beziehung zu liefern, die als ein Kennfeld, eine Tabelle, eine Polynom- oder andere mathematische Gleichung(en), ein neuronales Netzwerk oder ähnliches gegeben ist, um nur einige mögliche Beispiele zu nennen. In noch anderen Ausführungsformen kann es unerwünscht sein, eine Korrektur bezüglich der Einlasstemperatur vorzunehmen oder nur selektiv eine Temperaturkorrektur vorzunehmen, wenn die Turboladerdrehzahl aus PR und ES als Funktion der Zeit abgeschätzt oder synthetisiert wird.
  • Vom Schritt 140 fährt das Programm 120 mit dem Schritt 150 fort. Im Schritt 150 wird die korrigierte Turboladerdrehzahl CTS weiter als Funktion des Ausgangsdrucks OP verfeinert. OP entspricht dem Eingang 244 im Steuerflussdiagramm 220. In einer Ausgestaltung umfasst diese Funktion von OP ein Tiefpassfiltern und Verwenden der ersten Ableitung nach der Zeit. Das Ergebnis wird mit CTS kombiniert, um den verfeinerten Ausgang bereitzustellen. Bezugnehmend auf das Steuerflussdiagramm 220 sind das Filtern und die zeitliche Ableitung im Operator 250 in komplexer, Laplacevariablen Form durch Ks/T2s + 1) dargestellt, wobei: die Zeitkonstante T2 für den Tiefpassfilter von OP gilt und K eine auf OP angewandte Konstante ist. Typischerweise ist der Operator 250 in diskreter Form mittels Programmanweisungen implementiert. Der Summationsoperator 252 kombiniert den Verfeinerungs- oder Anpassungsfaktor vom Operator 250, indem er ihn zum korrigierten Turboladerdrehzahlwert-CTS-Ausgang des Operators 242 hinzuaddiert. Die Operatoren 250 und 252 sind im Schritt 150 des Programms 120 verkörpert.
  • Es wurde festgestellt, dass das Filtern mittels der Operationen 128 und 150 (und entsprechend den Operatoren 228 und 250) die Wahrscheinlichkeit eines Irrtums aufgrund von Spitzen und Übergangsphänomenen vermindert, die während rascher Veränderungen der Motordrehzahl ES auftreten können. Ferner verbessert häufig die Zeitableitungskomponente des Ladedrucks (OP), wie sie im Schritt 150 und dem Operator 250 verkörpert ist, die Vorhersage bei raschen Motordrehzahländerungen, weil der Ladedruck typischerweise Systemänderungen hinterherhinkt.
  • Es sollte sich verstehen, dass hierin verwendete Ausdrücke wie Variable, Kriterium, Eigenschaft, Menge, Maß, Wert, Konstante, Marke, Daten, Datensatz, Schwellenwert, Grenze, Eingang, Ausgang, Matrix, Befehl und Nachschlagetabelle jeweils allgemein einem oder mehreren Signalen innerhalb der Verarbeitungseinrichtung der vorliegenden Erfindung entsprechen. Es ist vorgesehen, dass verschiedene funktionale Blöcke, Operatoren, Schritte, Stufen, Bedingungen, Prozeduren, Schwellenwerte und Prozesse, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, geändert, anders angeordnet, substituiert, gestrichen, dupliziert, kombiniert oder hinzugefügt werden können, wie es Fachleuten auf dem Gebiet einfällt, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Alle hier zitierten Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen sind explizit durch Bezugnahme aufgenommen, so als wäre jede einzelne Veröffentlichung, jedes Patent oder jede Patentanmeldung speziell und einzeln durch Bezugnahme aufgenommen und in ihrem gesamten Umfang hier eingeschlossen. Jedwede Theorie oder jeglicher Schritt oder jegliches hierin beschriebenes Ergebnis ist lediglich dazu gedacht, ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu geben und sollte nicht als den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, auf eine angegebene Theorie oder ein angegebenes Ergebnis beschränkend ausgelegt werden. Obgleich die Erfindung in den Figuren und der vorstehenden Beschreibung genau illustriert und erläutert worden ist, ist selbige als illustrativ und vom Grundsatz her nicht einschränkend zu betrachten, wobei es sich versteht, dass nur die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde und dass alle Änderungen, Abwandlungen und Äquivalente, die in den Rahmen der zuvor beschriebenen und illustrierten Erfindung fallen und/oder durch die folgenden Ansprüche festgelegt sind, geschützt sein sollen.
  • Zusammenfassung
  • Vorgehensweisen zum Ermitteln einer Turboladerdrehzahl
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader. Der Turbolader weist einen Kompressor mit einem Auslass, der mit einem Einlass des Motors gekoppelt ist, und eine Turbine auf, die mit einem Abgaskrümmer des Motors gekoppelt ist. Ein Turboladerdrehzahlschätzwert wird aus der Motordrehzahl und einem Verhältnis zwischen Eingangs- und Ladedruck des Kompressors bestimmt. Der Turboladerdrehzahlschätzwert wird ferner in Abhängigkeit einer zeitlichen Änderung des Kompressorladedrucks angepasst.

Claims (21)

  1. Verfahren, umfassend: – Erfassen der Drehzahl eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor einen Turbolader mit einem Kompressor aufweist, der Kompressor einen Einlass und einen Auslass hat und der Auslass mit einem Einlass des Motors gekoppelt ist, – Erfassen des Eingangsdrucks und des Ladedrucks des Kompressors, – Ermitteln eines der Turboladerdrehzahl entsprechenden Wertes aus der Drehzahl des Verbrennungsmotors, dem Eingangsdruck und dem Ladedruck, und – Verfeinern des Wertes als Funktion einer zeitlichen Änderung des Ladedrucks, um die Turboladerdrehzahl wiederzugeben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst: – Erfassen der Eingangstemperatur des Kompressors, und – Korrigieren des Wertes basierend auf der Eingangstemperatur.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Ermitteln ein Ermitteln eines Verhältnisses zwischen dem Eingangsdruck und dem Ladedruck einschließt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das ein Filtern der Drehzahl des Verbrennungsmotors einschließt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfeinern ein Filtern des Ladedrucks umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Funktion einer zeitlichen Ableitung des Ladedrucks entspricht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, das umfasst: – Erfassen der Eingangstemperatur des Kompressors, – Korrigieren des Wertes basierend auf der Eingangstemperatur, – Filtern der Drehzahl des Verbrennungsmotors, und – Ausführen des Ermittelns gemäß einem Verhältnis zwischen dem Eingangsdruck und dem Ladedruck.
  8. Verfahren, umfassend: – Bereitstellen eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader, wobei der Turbolader einen Kompressor mit einem Ausgang aufweist, der mit einem Einlass des Motors gekoppelt ist, – Ermitteln eines Turboladerdrehzahlschätzwertes aus der Motordrehzahl und einem Druckverhältnis des Kompressors, und – Anpassen des Turboladerdrehzahlschätzwertes als Funktion einer zeitlichen Kompressorladedruckänderung.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das ein Korrigieren des Turboladerdrehzahlschätzwertes hinsichtlich der Temperatur umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Druckverhältnis zwischen dem Ladedruck und dem Kompressoreingangsdruck besteht.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Funktion einer zeitlichen Ableitung des Ladedrucks entspricht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die zeitliche Ableitung des Ladedrucks durch eine diskrete Zeitdomänenbeziehung repräsentiert ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, das ein Filtern der Motordrehzahl und des Ladedrucks umfasst.
  14. System, mit: – einem Verbrennungsmotor, – einem Drehzahlsensor zum Liefern eines ersten die Motordrehzahl angebenden Signals, – einem Turbolader mit einem Kompressor, der einen Einlass und einen Auslass hat, wobei der Auslass mit einem Einlass des Motors gekoppelt ist, – einer Druckerfassungsanordnung zum Liefern eines zweiten Signals, das einen Eingangsdruck des Kompressors angibt, und eines dritten Signals, das einen Ausgangsdruck des Kompressors angibt, und – einem Steuergerät, das auf das erste Signal, das zweite Signal und das dritte Signal anspricht, um einen Wert als Funktion der Motordrehzahl und eines Druckverhältnisses zu bestimmen, wobei das Druckverhältnis zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck besteht, und wobei das Steuergerät den Wert basierend auf einer zeitlichen Änderung des Ausgangsdrucks anpassen kann, um ein viertes Signal zu liefern, welches die Turboladerdrehzahl repräsentiert.
  15. System nach Anspruch 14, ferner aufweisend einen Temperatursensor zum Liefern eines fünften Signals, das der Kompressoreingangstemperatur entspricht.
  16. System nach Anspruch 15, bei dem das Steuergerät ferner den Wert in Übereinstimmung mit der Eingangstemperatur temperaturkorrigieren kann.
  17. System nach Anspruch 14, bei die Kompressorausgangsdruckänderung durch eine diskrete Zeitdomänenbeziehung charakterisiert ist.
  18. System nach Anspruch 14, bei dem der Turbolader eine Turbine in Fluidverbindung mit einem Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors aufweist.
  19. System nach Anspruch 18, ferner umfassend eine Einrichtung zum Rückführen von Abgas, wobei die Rückführungseinrichtung auf das die Turboladerdrehzahl repräsentierende vierte Signal anspricht.
  20. System nach Anspruch 14, bei dem das Steuergerät eine Einrichtung zum Filtern der Motordrehzahl und des Ausgangsdrucks des Kompressors aufweist.
  21. Vorrichtung, mit: – einer Einrichtung zum Erfassen der Drehzahl eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor einen Turbolader mit einem Kompressor aufweist und der Kompressor einen Einlass und einen Auslass hat, der mit einem Einlass des Motors gekoppelt ist, – einer Einrichtung zum Filtern der Drehzahl des Verbrennungsmotors, – Mitteln zum Erfassen von Eingangstemperatur, Eingangsdruck und Ladedruck des Turboladerkompressors, – Mitteln zum Filtern des Ladedrucks, – Mitteln zum Bestimmen eines Wertes, der einer unkorrigierten Turboladerdrehzahl entspricht, aus der Drehzahl des Verbrennungsmotors, dem Eingangsdruck und dem Ladedruck, – Mitteln zum Korrigieren des Wertes hinsichtlich der Eingangstemperatur, um einen temperaturkorrigierten Turboladerdrehzahlwert zu erhalten, und – Mitteln zum Verfeinern des Wertes als Funktion einer zeitlichen Ableitung des Ladedrucks, um einen verfeinerten Turboladerdrehzahlwert bereitzustellen.
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