DE19840010A1 - Verfahren zur Überwachung der Luftzufuhr zu einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Luftzufuhr zu einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Motoren für Kraftfahrzeuge sind immer höheren Anforderungen an Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit ausgesetzt. Um die­ sen Anforderungen genügen zu können, müssen die Motoren unter wohldefinierten Betriebsverhältnissen gefahren werden; Fehler, die den Betrieb beeinflussen können, müssen einfach und schnell zu entdecken sein, um baldigst beseitigt werden zu können, so daß ihr unvorteilhafter Umwelteinfluß minimiert wird.

Es wurde bereits eine Anzahl verschiedener Verfahren vorge­ schlagen, um die Messung der Menge dem Motor zugeführter Luft zu verfeinern, damit die Kraftstoffmenge in geeigneter Weise angepaßt werden kann. In vielen Fällen mißt man den Luftstrom möglichst hoch stromaufwärts im Luftzufuhrsystem, damit sich weiter stromabwärts verschiedene Regelmöglichkeiten ergeben. Eine Konsequenz davon ist jedoch, daß eine Leckage im Luft­ zufuhrsystem Probleme verursachen kann, insbesondere im Zusam­ menhang mit Turboladung und sich daraus ergebenden hohen Drücken. Es ist daher wünschenswert, ein einfaches und siche­ res Verfahren zur Handhabung von Leckage im Luftzufuhrsystem bereitzustellen.

Immer mehr Behörden fordern außerdem, daß Kraftfahrzeuge mit Diagnoseausrüstung versehen sind, um entstandene Fehler umge­ hend feststellen zu können. Auch dies erhöht das Bedürfnis nach einer einfachen und zuverlässigen Methode, eine Luftleckage an­ zuzeigen.

Die Erfindung hat zum Zweck, es möglich zu machen, in einem Luftzufuhrsystem zu einem Verbrennungsmotor eine Luftleckage einfach und effektiv anzuzeigen. Ein Zweck ist auch, die vor­ handenen Komponenten des Kraftfahrzeuges soweit wie möglich auszunützen, dies aus u. a. ökonomischen und herstellungstech­ nischen Gründen.

Diese Zwecke werden erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 definierten Verfahren erreicht. Die Anwendung dieses Verfahrens ist in Turbomotoren, die zufolge hoher verwendeter Drücke im Luftzufuhrsystem gegen Luftleckage empfindlicher als andere Typen von Motoren sind, von besonderem Interesse.

Indem man auf Grund des Leckstroms die äquivalente Größe der in Betracht kommenden Leckfläche berechnet, ist es möglich, die Größe der Leckfläche für eine Leckanzeige zu verwenden. Bei einem gewissen Schwellwert der Leckfläche kann Leckalarm ausgelöst werden.

Die Berechnung der Leckfläche kann während eines Fahrzyklus bei einer großen Anzahl Gelegenheiten gemacht werden, gegebenen­ falls mehrmals in der Sekunde. Hierdurch kann die Leckanalyse auf Basis einer großen Menge Daten verfeinert werden.

Mit dem angezeigten Vorhandensein von Leckage und deren Größe ist es möglich, durch einen Indikator geeigneter Art den Fahrer des Kraftfahrzeuges zur Ergreifung geeigneter Maßnahmen auf den Fehler aufmerksam zu machen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus nachste­ hender Beschreibung hervor.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird.

Wie aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel hervorgeht, hat ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor 1, von dem hier nur ein Zylinder gezeigt wird, ein Luftansaugrohr 2 und einen Abgaskanal 3. In den Motor 1 einströmende Luft kann durch einen Abgasturbolader 4, in dem eine vom Abgas des Motors angetriebene Turbine 5 einen Kompressor 6 antreibt, in bekann­ ter Weise unter Druck gesetzt werden. Stromabwärts des Kompres­ sors 6 ist ein in einem Luftansaugkanal 7 angeordneter Lade­ luftkühler 8 angeordnet. Im Übergang zwischen dem Luftansaugka­ nal 7 und einem an das Luftansaugrohr 2 angeschlossenen Ansau­ grohr 9 ist zur Regelung des Luftstroms zum Motor 1 eine Dros­ selklappe 10 angebracht.

Der eintretende Luftstrom _s, d. h. die Luftmenge pro Zeitein­ heit, wird mit Hilfe eines Luftstromsensors 11, zweckmäßig vom Hitzdrahttyp od. dgl., stromaufwärts des Kompressors 6 gemessen. Das Signal von diesem Luftstromsensor 11 wird zu einer Steuer­ einheit 12 geleitet, die auch von einem Drucksensor 13 und einem Temperatursensor 14 im Luftansaugkanal 7 Signale erhält. Weiterhin erhält die Steuereinheit 12 Signale von einem Dros­ selklappensensor 15, der für die Drosselklappe 10 eine Winkel­ lage α anzeigt, sowie von einem Drucksensor 16 im Ansaugrohr 9 und von einem Drehzahlsensor 17 des Motors 1.

Die Steuereinheit 12 erhält auch Informationen u. a. vom At­ mosphärendruck und wirkt ihrerseits auf die Kraftstoffein­ spritzvorrichtung 18 des Motors 1 sowie auf einen Indikator 19 ein, dessen Funktion aus dem Nachstehenden hervorgeht.

Falls im Luftzufuhrsystem kein Leck vorliegt, ist der eintre­ tende Luftstrom _s bei normalem Betrieb genau so groß wie der Luftstrom _th an der Drosselklappe 10 vorbei und der eintre­ tende Luftstrom _cyl zum Motor. Bei Leckage im System weicht jedoch der Wert für entweder _th oder _cyl oder für beide vom Wert für _s ab, abhängig davon, wo im System die Leckage vor­ kommt.

Es hat sich erfindungsgemäß als möglich erwiesen, auf Grund eines leckfreien Modells für die Strömung im Luftzufuhrsystem in gegenwärtigen Betriebszuständen die Größe von _th oder _cyl zu berechnen und auf Grund eines Vergleichs mit der Größe des eintretenden Luftstroms _s in einem wirklichen Luftzufuhrsystem die Art etwaiger Luftleckage festzustellen.

Die Größe des Luftstroms _th an der Drosselklappe 10 vorbei kann mit Hilfe einer Formel für die Strömung durch Drosselung bestimmt und wie folgt ausgedrückt werden:

_th = K_th β (T_b,p_b,p_m) (1)

worin K_th ein Durchströmungskoeffizient ist, der vom Drossel­ klappenwinkel α abhängig ist, und β eine Funktion des Druckes p_b und der Temperatur T_b im Luftansaugkanal 7 sowie des Druc­ kes p_m im Ansaugrohr 9 ist. Diese Größen werden wie bereits angegeben mit den Sensoren 13 bis 16 ermittelt.

Der eintretende Luftstrom _cyl zum Motor 1 läßt sich nicht in entsprechend einfacher Weise wie _th berechnen. Es hat sich je­ doch als möglich erwiesen, mit der Kenntnis von der Drehzahl n des Motors und dem Druck p_m im Ansaugrohr 9 in gewissen be­ kannten Betriebspunkten den Wert für _cyl auch für andere Be­ triebspunkte als Funktion dieser Parameter zu interpolieren.

Durch Praktische Proben mit einem leckfreien Luftzufuhrsystem hat man unter verschiedenen Betriebsverhältnissen eine gute Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Luftstrom m_s und den beiden berechneten Luftströmen _th und _cyl ermitteln können. Die gewählten Berechnungsmodelle sind somit erfolgreich.

Falls im Luftzufuhrsystem ein Leck entsteht, strömt Luft hinaus oder hinein, in Abhängigkeit vom örtlichen Luftdruck im Ver­ gleich zum Atmosphärendruck. Bei Turbobetrieb wird der Druck im Luftansaugkanal 7 normalerweise den Atmosphärendruck überstei­ gen, so daß eine Leckage im Luftansaugkanal eine Luftaus­ strömung, d. h. einen Luftverlust, ergibt. Ein solcher Leckstrom kann grundsätzlich auf dieselbe Weise wie der Strom an der Drosselklappe 10 vorbei berechnet werden, wobei

_bl = K_b β (T_b,p_b,p_a) (2)

wo somit _bl im Luftansaugkanal der Leckstrom ist. Der Koef­ fizient K_b entspricht dem früheren Koeffizienten K_th und schließt nun die Leckfläche ein. T_b und p_b stellen die Tem­ peratur und den Druck im Luftansaugkanal 7 und p_a den At­ mosphärendruck dar.

Entsprechend gilt für einen Leckstrom _ml im Ansaugrohr 9

_ml = K_m β (T_m,p_a,p_m) (3)

wo der Koeffizient K_m die Leckfläche einschließt und T_m und p_m die Temperatur und den Druck im Ansaugrohr darstellen, während p_a den Atmosphärendruck darstellt. Normalerweise erfolgt hier bei Leckage ein Einströmen von Luft zum Ansaugrohr 9; bei Tur­ bobetrieb kann jedoch im Ansaugrohr ein Überdruck herrschen, weshalb in diesem Falle statt dessen Luft lecken kann.

Auf Grund eines Vergleichs zwischen den Strömen s, _th und _cyl kann man nun feststellen, wo die Leckage vorliegt, und weiter­ hin die Koeffizienten K_b und K_m bestimmen und auf Basis die­ ser Bestimmungen eine äquivalente Fläche des in Betracht kom­ menden Lecks feststellen.

Die Bestimmung der gegenwärtigen Leckfläche kann erfindungs­ gemäß während des Fahrzyklus bei einer großen Anzahl Gelegen­ heiten gemacht werden, z. B. mehrmals in jeder Sekunde während des ganzen Fahrzyklus. Besondere Meßgelegenheiten brauchen nicht gewählt zu werden. Mit einer auf diese Weise erhaltenen großen Datenmenge wird es möglich, ein sicheres Ergebnis zu erzielen, z. B. durch Mittelwertbildung.

Die erhaltene Leckfläche kann als Anzeige des Umfanges der Leckage verwendet werden. Es wird nun möglich, den Schwell­ wert, über welchem Maßnahmen gegen festgestellte Leckage er­ griffen werden müssen, mit guter Präzision festzustellen. Ober­ halb dieses Schwellwertes ergriffene Maßnahmen können von der Größe der Leckfläche abhängig gemacht werden.

Da eine Luftleckage den eintretenden Luftstrom zum Motor ge­ genüber dem mit dem Luftstromsensor 11 stromaufwärts des Kom­ pressors 6 gemessenen verändert, wird das vorgesehene Mi­ schungsverhältnis zwischen Luft und Kraftstoff auf die Gefahr hin verändert, daß Emissionen erhöht werden und die Fahrlei­ stung verschlechtert wird.

Es wird nun mit Hilfe der Steuereinheit 12 möglich, das Vor­ handensein einer Leckage anzuzeigen, und der Fahrer kann z. B. mit Hilfe des Indikators 19 darauf aufmerksam gemacht werden, daß ein Fehler vorliegt und richtiggestellt werden muß. Falls die Leckage begrenzt ist, ist es gegebenenfalls möglich, über die Steuereinheit 12 die Kraftstoffeinspritzung anzupassen, um die Änderung des Luftstroms wenigstens annähernd zu kompensie­ ren und auf diese Weise die Erhöhung nicht gewünschter Emis­ sionen zu reduzieren.

Praktische Proben haben ergeben, daß kleine Lecks, wie Löcher mit einem Durchmesser von etwa 2 mm, mit der beschriebenen Methode entdeckt werden können.

Es ist oft wünschenswert, den Fahrer bei unbedeutender Leckage nicht mit einem Alarm zu stören, und es ist daher möglich, für das Auslösen des Alarms ein geeignetes Schwellni­ veau zu setzen. Der Alarm kann natürlich je nach Wunsch dem Fahrer mannigfach mitgeteilt werden.

Das hier beschriebene Modell zur Stromberechnung ist statisch; man kann jedoch auch ein dynamisches Modell verwenden, in dem die Ableitung der Drücke p_b und p_m enthalten ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist oben in Verbindung mit einem Turbomotor beschrieben worden; es ist natürlich auch möglich, das Verfahren auf Motoren ohne Turbokompressor anzu­ wenden und somit ganz einfach den eintretenden Luftstrom am Einlaß des Luftzufuhrsystems, stromaufwärts der Drossel­ klappe zu messen. Dies kann z. B. erwünscht sein, um ein langes Luftzufuhrsystem zu überwachen. Das Verfahren ist jedoch zu­ folge der Leckgefahr, die bei hohen Drücken im Luftzufuhrsystem entstehen kann, bei Turbomotoren von besonderem Interesse.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung der Luftzufuhr zu einem Verbren­ nungsmotor (1), wobei ein eintretender Luftstrom (_s) im Luft­ zufuhrsystem des Motors an dessen Eintritt gemessen und der in den Motor eintretende Luftstrom (_cyl) durch eine stromab­ wärts des Eintritts angeordnete Drosselklappe (10) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der für ein leckfreies Modell des Luftzufuhrsystems des Motors (1) in einem gegen­ wärtigen Betriebszustand erforderliche Luftstrom (_cyl) zum Motor berechnet wird, daß die Größe dieses erforderlichen Luftstroms mit der Größe des eintretenden Luftstroms (_s) verglichen wird, und daß ein etwaiger Unterschied der Größe zwischen diesen Luftströmen als Indiz gewertet wird, daß ein Leck im Luftzufuhrsystem vorhanden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem erforderlichen Luftstrom (_cyl) zum Motor (1) auf Basis des Modells auch gleichzeitig der Luftstrom (_th) an der Drosselklappe (10) vorbei berechnet wird, daß die Größe dieses Luftstroms an der Drosselklappe vorbei mit der Größe des eintretenden Luftstroms (_s) verglichen wird, und daß ein etwaiger Unterschied der Größe zwischen diesen Luft­ strömen als Indiz gewertet wird, daß im Luftzufuhrsystem stromaufwärts der Drosselklappe ein Leck vorkommt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Falle, wo der eintretende Luftstrom (_s) von der Größe des erforderlichen Luftstroms (_cyl) zum Motor (1), jedoch nicht von der Größe des Luftstroms (_th) an der Drossel­ klappe (10) vorbei abweicht, dies als Indiz gewertet wird, daß stromabwärts der Drosselklappe ein Leck vorliegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf Basis der Größe eines festgestell­ ten Leckstroms die äquivalente Größe der gegenwärtigen Leck­ fläche berechnet wird, und daß die Größe dieser Leckfläche als Maß des Leckgrades benutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Leckfläche bei einer großen Anzahl Gelegen­ heiten während eines Fahrzyklus bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Leckfläche während eines ganzen Fahrzyklus kontinuierlich bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Überschreitung einer vorbestimmten Größe der Leckfläche Leckalarm ausgelöst wird, um dem Fahrer des Kraftfahrzeuges anzuzeigen, daß das Luftzufuhrsystem Wartung erfordert.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leckanzeige ausgenützt wird, um die Brennstoffzufuhr zum Motor (1) umzustellen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr im Verhältnis zur Größe der Leckage geändert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, für einen mit Kompressor versehenen Motor, dadurch gekennzeichnet, daß der eintretende Luftstrom (_s) stromaufwärts des Kompressors (6) gemessen wird, und daß der eintretende Luftstrom (m_cyl) zum Motor durch eine mittels einer stromabwärts des Kompressors angeordnete Drosselklappe (10) geregelt wird.