EP2867681A2 - Verfahren zur bestimmung einer drehzahl eines verdichters - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer drehzahl eines verdichters

Info

Publication number
EP2867681A2
EP2867681A2 EP13726179.8A EP13726179A EP2867681A2 EP 2867681 A2 EP2867681 A2 EP 2867681A2 EP 13726179 A EP13726179 A EP 13726179A EP 2867681 A2 EP2867681 A2 EP 2867681A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
pressure
flow
signal
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13726179.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Baeuerle
Michael Nau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2867681A2 publication Critical patent/EP2867681A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the air charge in a combustion chamber of the internal combustion engine is increased by the use of a compressor, such as an exhaust gas turbocharger to increase the power.
  • a compressor such as an exhaust gas turbocharger
  • the pressure with which the air is forced into the combustion chamber of the internal combustion engine is also referred to as boost pressure and generally measured in the vicinity of the combustion chamber by a pressure sensor.
  • the pressure signal is supplied to a closed loop, which controls the exhaust gas turbocharger and thus sets a desired boost pressure.
  • exhaust gas turbocharger have a pronounced time constant, so react relatively slow to changed control signals, which makes it difficult to control the boost pressure. Therefore, it is advantageous if a direct state variable of the exhaust gas turbocharger to be controlled is detected. Particularly suitable for this is the speed of the exhaust gas turbocharger to be controlled.
  • the compressor speed can be calculated in principle by means of a known compressor map, provided certain variables, such as the pressure before and after the compressor, the air mass flow through the compressor and the temperature in front of the compressor are known. Based on these quantities, the location of an operating point in the Compressor map and thus the speed of the compressor known without a sensor for speed determination must be used.
  • Ambient pressure sensor used typically, this sits in the engine control unit to keep the wiring costs low.
  • the problem here is the fact that different load conditions of the air filter, such as moisture, ice or dirt, which are relevant to the compressor of the exhaust gas turbocharger
  • this ambient pressure sensor is integrated into the air filter box. In the integration of the
  • Engine control unit requires additional cabling.
  • the exhaust gas turbocharger speed determining factors such.
  • the above-described estimation of the rotational speed of the exhaust gas turbocharger is associated with significant inaccuracies. These are in addition to the tolerances of the above-mentioned sensors, the inaccuracies in the compressor map, tolerances of
  • a method for determining a rotational speed of a compressor in particular a turbocharger, an internal combustion engine and an internal combustion engine is proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known methods and strategies for determining the rotational speed of a compressor and with which in particular the above-mentioned safety distance to the maximum rotational speed the compressor can be avoided or at least significantly reduced.
  • the aim of the present invention is to determine the speed of the compressor without the use of another sensor.
  • the method for determining a rotational speed of a compressor, in particular a turbocharger, an internal combustion engine in which a flow signal of the
  • Speed of the compressor is determined from a periodic fluctuation of at least a portion of the flow signal and / or pressure signal is characterized in that the flow and / or the pressure upstream of the compressor is detected.
  • the internal combustion engine may include an air filter, wherein the flow signal and / or the pressure are detected in a region downstream of the air filter. From the pressure signal and a pressure signal of an ambient pressure sensor, a pressure difference or pressure ratio can be determined and from this a functional state of the air filter can be determined. The periodic fluctuations can be caused by a
  • High pass filtering are separated from the flow signal and / or the pressure signal.
  • a frequency of the periodic fluctuations can be determined by a frequency analysis, in particular a Fourier transformation.
  • the speed of the compressor can be obtained by dividing the frequency by a number of the blades of the compressor.
  • the speed of the compressor can be determined from a periodic fluctuation of at least a portion of the flow signal and the pressure signal.
  • An internal combustion engine according to the invention comprises a compressor, which in a
  • An air supply passage for supplying air to a combustion chamber of the internal combustion engine is arranged, a pressure sensor for detecting a pressure of the combustion chamber supplied air and for generating an associated pressure signal and / or a flow sensor for detecting a flow of the combustion chamber, the supplied air and for generating an associated flow signal
  • the internal combustion engine further comprises an evaluation circuit for determining the rotational speed of the compressor, wherein the rotational speed of the compressor from a periodic fluctuation of at least a portion of the flow signal and / or pressure signal can be determined, the flow sensor and / or the pressure sensor in the air supply passage in a
  • Regions are arranged upstream of the compressor.
  • the evaluation circuit for determining the rotational speed of the compressor can be arranged in a control and / or regulating device of the internal combustion engine, a sensor housing for the flow sensor and / or the pressure sensor or in a separate component.
  • the internal combustion engine may include the flow sensor and the Include pressure sensor, wherein the flow sensor and the pressure sensor are integrated in a common sensor housing.
  • a flow signal is to be understood as a signal that any physically and / or chemically measurable property of a flow indicates an air supplied to a combustion chamber of an internal combustion engine and qualifies or quantifies it. In particular, this may be a flow velocity and / or an air mass flow and / or a
  • the flow signal is at least one signal selected from a mass flow signal, volume flow signal and
  • a mass flow is usually given in kg / h and indicates an air mass that flows through a measuring cross-sectional area in a certain time.
  • a volume flow is usually given in m 3 / h.
  • a volume flow indicates an air volume that flows through a measuring cross-sectional area in a certain time.
  • the flow rate is usually expressed in m / s.
  • the sensed and signal-converted flow characteristics relate to periodically fluctuating flow characteristics.
  • a periodic fluctuation is to be understood as an alternating component of a signal which is generated by the periodic pressure waves of the compressor.
  • the pressure waves are through the individual
  • Compressor blades of the compressor caused.
  • upstream of the compressor is meant a position in an air supply duct which is earlier than the air flowing in the main flow direction
  • Exhaust gas recirculation downstream of the air filter is to be understood a position in an air supply channel which reaches the air flowing in the main flow direction later than the air filter.
  • the main flow direction is to be understood as meaning the local flow direction of the fluid medium at the location of the sensor, whereby, for example, local irregularities can be disregarded.
  • the local average transport direction of the flowing fluid medium can thus be understood.
  • analog-to-digital conversion means the conversion of analog input signals into digital data or a data stream, which can then be further processed or stored.
  • analog-to-digital converter quantizes a continuous input signal, such as an electrical voltage, in both time and signal magnitude. Each signal is therefore represented by the conversion in a signal-time diagram in a sequence of points with stepped horizontal and vertical distances.
  • the quantization means that a delimited step-by-step store of values is transferred to a likewise delimited but stepped value store. In quantization, the previously infinitely variable size in a system assumes discrete and therefore isolably separated values.
  • a high-pass filter is to be understood as a filter which allows signal components with frequencies above its cut-off frequency to pass approximately unattenuated and attenuates components having lower frequencies.
  • Cutoff frequency is the value of the frequency above which the signal amplitude or the modulation amplitude at the output of a component drops below a certain value.
  • Cutoff frequency is the value of the frequency above which the signal amplitude or the modulation amplitude at the output of a component drops below a certain value.
  • a low-pass filter in the context of the present invention is to be understood as a filter which allows signal components with frequencies below their cut-off frequency to pass approximately unattenuated, but attenuates components with higher frequencies.
  • a Fourier transformation is to be understood as meaning a method of Fourier analysis which makes it possible to decompose continuous signals into a continuous spectrum.
  • the flow characteristic and / or the pressure upstream of the compressor be detected.
  • the indication upstream of the compressor refers to a position in a feed channel for feeding of air, in particular ambient air, to a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the indication upstream is to be seen in time, so that the air first reaches the specified position and then the compressor.
  • a basic idea of the present invention is that the rotating blades of the compressor generate pressure waves which propagate in the compressed air downstream of the compressor and in the ambient air upstream of the compressor. Core of the present
  • Fluctuations can be detected by an air mass meter and / or a pressure sensor.
  • the periodic fluctuations of both sensors are then detected.
  • the signal processing in the sensor can be done locally, in the engine control unit or in an additional component.
  • Air filter loading state allows, in addition, a speed of the exhaust gas turbocharger can be determined without the need for another sensor. This has in the
  • Compressor has the advantage that only intake air with significantly lower temperatures reaches the pressure sensor and this applied, whereas a pressure sensor downstream of the compressor comparatively high temperatures due to
  • 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a pressure sensor
  • FIG. 2 is a schematic representation of a compressor and its outlet area
  • FIG. 3 is another schematic view of a compressor
  • 4 shows a flow chart of a method for determining a rotational speed of a compressor
  • Fig. 5 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a pressure sensor according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a further flowchart of a method for determining a rotational speed of a compressor
  • Fig. 1 shows an internal combustion engine 10. It is used to drive a motor vehicle, not shown.
  • the internal combustion engine 10 may be formed as a gasoline internal combustion engine with intake manifold injection, diesel internal combustion engine or internal combustion engine with direct fuel injection.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders 12, which comprise a combustion chamber 14. Combustion air passes into the combustion chamber 14 via a
  • Air supply passage 16 may be formed, for example, as an intake passage.
  • An in the combustion chamber 14 befindettess fuel-air mixture is ignited by a spark plug, which is connected to an ignition system.
  • Hot combustion exhaust gases are discharged from the combustion chamber 14 through an exhaust valve and an exhaust pipe.
  • a turbine is arranged in the exhaust pipe.
  • a compressor 20 is further arranged, which is mechanically connected to the turbine.
  • the turbine and compressor 20 together form an exhaust gas turbocharger 22.
  • the compressor 20 has a plurality of compressor blades 24, as shown for example in FIG. 2 or 3.
  • the heated by the compression intake air is through a charge air cooler 26, which in the Air supply passage 16 is disposed between the compressor 20 and the throttle valve 18, cooled.
  • the operation of the internal combustion engine 10 is controlled by a control and / or
  • Control device 28 controlled and / or regulated.
  • Control device 28 controlled.
  • the control and / or regulating device 28 receives signals from various sensors.
  • the control and / or regulating device 28 receives signals from various sensors.
  • Ambient pressure sensor 32 between the air filter 30 and the compressor
  • Pressure sensor 34 between the charge air cooler 26 and the throttle valve 18 a
  • the pressure sensors 32, 34, 36, 38 may be designed and operate like pressure sensors described in Konrad Reif (ed.): Sensors in the
  • the compressor 20 By the compressor 20, the combustion chamber 14 supplied combustion air is compressed, which allows a higher power of the internal combustion engine 10.
  • the pressure of the compressed air in the cargo space 14, d. H. the boost pressure is provided in a manner to be described in more detail by the pressure sensors 36 and 38 and adjusted in a closed loop by the control and / or regulating device 28.
  • Boost pressure but also regulated on the basis of the current speed of the compressor 20.
  • the boost pressure p L and the rotational speed ⁇ ⁇ ⁇ _ be determined based on a provided by the pressure sensor 34 signal U P using a method which will now be explained in more detail with reference to Figures 2 to 4.
  • FIG. 2 shows the compressor 20 and, by way of example, a compressor blade 24.
  • a compressor blade 24 Each time, for example, when a compressor blade 24 has passed a certain position in an axial compressor, the speed and therefore also the speed change Pressure of the extracted air. This leads to periodic pressure fluctuations whose periods are related to the speed of the compressor 20. This relationship is exploited according to the invention for obtaining the rotational speed of the compressor 20.
  • a knock sensor it has been found, for example, by means of a knock sensor that the pressure vibrations propagate as structure-borne noise onto a compressor housing 40.
  • FIG. 2 shows a static pressure distribution 46 and the propagation of pressure waves 48 to the compressor housing 40.
  • a static pressure distribution 46 and the propagation of pressure waves 48 to the compressor housing 40.
  • FIG. 3 shows, for example, schematically how an exemplary recorded body sound signal 50 looks over time in the area of the compressor tongue 42.
  • the rotational speed ⁇ ⁇ ⁇ _ of the compressor 20 is determined by an evaluation circuit not shown in detail.
  • the evaluation circuit may be located in a control and / or regulating device, which has the control and / or regulating device 28.
  • the evaluation circuit can be located in a sensor housing for the pressure sensor 34 or in a separate component.
  • the corresponding method is shown schematically in FIG. 4.
  • the pressure signal U P of the pressure sensor 34 is subjected to A D conversion (analog-to-digital conversion) in step 52.
  • a D conversion analog-to-digital conversion
  • Compressor 20 caused.
  • these periodic fluctuations U n it is necessary to arrange them comparatively close to the compressor 20, as shown in FIG. 1.
  • the pressure sensor 34 must have a corresponding dynamics.
  • the periodic variations separated by the high-pass filter 54 are now subjected to a Fourier transform at step 56, which determines the frequency F of the periodic variations.
  • This frequency F is the product of the speed ⁇ ⁇ ⁇ _ and the number n s of the compressor blades 24. Therefore, at step 58, the determined frequency F is divided by the number n s of the compressor blades 24, which finally to the speed ⁇ ⁇ ⁇ _ the compressor 20 leads.
  • the signal U P of the pressure sensor 34 is also used to determine the charge pressure p L , which prevails immediately upstream of the intake valve or in the combustion chamber 14 itself.
  • the signal U p is subjected to low-pass filtering in step 60, which results in an average value U p _ m of the pressure signal U p .
  • This mean value U p _ m corresponds to the pressure between the compressor 20 and the charge air cooler 26.
  • the value U p _ m is subjected to a correction at step 62.
  • the value U p _ m is applied with a correction factor K multiplicatively or additively.
  • the correction factor K is used during the design of the parameters of the control and / or
  • Control device 40 for example, on a Motorprüf determined by the pressure before and after the intercooler 26 at different operating conditions of
  • the correction factor K may in turn depend on operating variables, for example on an air mass flow dm / dt, which is detected by a hot film air mass meter 64.
  • the pressure can also be determined by means of the pressure sensor 38.
  • Fig. 5 shows another possible embodiment of the present invention.
  • H combinatorial film air mass meter 62 In the internal combustion engine 10 of the second embodiment is located upstream of the compressor 20, a so-called hot film air mass meter 62, as described for example in Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1. Edition 2010, pp. 156-158.
  • Such H combinuuftmassenmesser 62 are usually based on a sensor chip, in particular a silicon sensor chip, with a measuring surface, which is overflowed by the flowing fluid medium.
  • the sensor chip usually comprises at least one heating element and at least two temperature sensors, which are arranged, for example, on the measuring surface of the sensor chip. From one
  • Asymmetry of the temperature profile detected by the temperature sensors, which is influenced by the flow of the fluid medium, can be concluded that a mass flow and / or volume flow of the fluid medium.
  • H mustfileinuftmassenmesser are usually designed as plug-in sensor, which is fixed or replaceable in the air supply passage 16 can be introduced.
  • the hot-film air mass meter 62 is configured to detect an air mass flow of intake air flowing through the air supply passage 16 and generate a flow signal indicative of the air mass flow. Again, the generate
  • Compressor blades 24 a pressure pulse, which upstream in the
  • Air supply duct 16 can spread to the hot film air mass meter 62.
  • This pressure pulse is periodic and can be determined as a so-called rotary sound frequency.
  • the sought-after useful signal can be separated from interfering signals on the basis of the air mass meter signal, as will be described in more detail below with reference to FIG. 6. More specifically, the speed of the compressor is determined by an evaluation circuit.
  • the evaluation circuit may be located in a control and / or regulating device, which has the control and / or regulating device 28. Alternatively, the evaluation circuit in a sensor housing for the
  • Hot-film air mass meter 62 or in a separate component.
  • the flow signal ULM of the air mass meter 62 is subjected to A / D conversion (analog-to-digital conversion) in step 66.
  • a / D conversion analog-to-digital conversion
  • a high-pass filter 68 periodic fluctuations U N , ie alternating components, of the flow signal ULM are then separated. These periodic fluctuations U N are caused by the pressure waves of the compressor 20, which are caused by the individual compressor blades 24 of the compressor 20.
  • the periodic fluctuations separated by the high-pass filter 68 are now subjected to a Fourier transformation at step 70, which determines the frequency F of the periodic fluctuations.
  • This frequency F is the product of the speed n A TL and the number n s of the compressor blades 24. Therefore, at step 72, the determined frequency F is divided by the number n s of the compressor blades 24, which finally to the speed n A TL of the compressor 20 leads.
  • the air mass meter 62 can detect, for example, flow signals in the relevant speed or frequency range up to approximately 25 kHz. It is conceivable to combine a rotational speed determination of the compressor 20 by means of the above-described pressure sensor 34 and the air mass meter 62 described, since these increase the signal-to-noise ratio or ensure the uniqueness of a separated signal component.
  • the above pressure sensor 34 may be integrated into the housing of the air mass meter 62. It should be noted that the useful signals are phase-shifted. In particular, the pressure signal is leading with respect to the mass flow signal, which must be taken into account accordingly.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl (nATL) eines Verdichters (20), insbesondere eines Turboladers (20), einer Brennkraftmaschine (10) vorgeschlagen. Bei der Brennkraftmaschine (10) wird eine Strömung und/oder ein Druck einer der Brennkraftmaschine (10) zugeführten Luft erfasst und ein zugehöriges Strömungssignal (ULM) und/oder Drucksignal (UP) erzeugt. Die Drehzahl (nATL) des Verdichters (20) wird aus einer periodischen Schwankung (Un) mindestens eines Anteils des Strömungssignals (ULM) und/oder des Drucksignals (UP) ermittelt. Die Strömung und/oder der Druck wird stromaufwärts des Verdichters (20) erfasst. Ferner wird eine Brennkraftmaschine (10) vorgeschlagen, die einen Verdichter (20), der in einem Luftzuführungskanal (16) zum Zuführen von Luft zu einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist, einen Drucksensor (34) zum Erfassen eines Drucks der dem Brennraum (14) zugeführten Luft und zum Erzeugen eines zugehörigen Drucksignals (UP) und/oder einen Strömungssensor (62) zum Erfassen einer Strömung der dem Brennraum (14) zugeführten Luft und zum Erzeugen eines zugehörigen Strömungssignals (ULM) umfasst. Die Brennkraftmaschine (10) umfasst weiterhin eine Auswerteschaltung zur Bestimmung einer Drehzahl (nATL) des Verdichters (20), Die Drehzahl (nATL) des Verdichters (20) ist aus einer periodischen Schwankung (UN) mindestens eines Anteils des Strömungssignals (ULM) und/oder des Drucksignals (UP) ermittelbar. Der Strömungssensor (62) und/oder der Drucksensor (34) in dem Luftzuführungskanal (16) sind stromaufwärts des Verdichters (20) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters Stand der Technik
Bei Brennkraftmaschinen, beispielsweise Benzin- und Dieselkolbenmotoren, wird zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines Verdichters, wie beispielsweise eines Abgas-Turboladers, erhöht. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Brennkraftmaschine gepresst wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet und im Allgemeinen in der Nähe des Brennraums von einem Drucksensor gemessen. Das Drucksignal wird einem geschlossenen Regelkreis zugeführt, welcher den Abgas-Turbolader steuert und so einen gewünschten Ladedruck einstellt.
Insbesondere Abgas-Turbolader besitzen eine ausgeprägte Zeitkonstante, reagieren also vergleichsweise träge auf geänderte Steuersignale, was die Regelung des Ladedrucks erschwert. Daher ist es vorteilhaft, wenn eine direkte Zustandsgröße des zu regelnden Abgas-Turboladers erfasst wird. Besonders geeignet ist hierfür die Drehzahl des
Verdichters des Abgas-Turboladers. Die Kenntnis der Verdichterdrehzahl ist von besonderem Interesse, da bei einem Betrieb des Turboladers eine bestimmte maximale Drehzahlschwelle nicht überschritten werden darf, da ansonsten der Turbolader Schaden nehmen kann bedingt durch die Überschreitung kritischer Spannungen im Verdichterrad, einer Verformung des Verdichterrads, die zu einem Streifen des Rotors am Gehäuse führt.
Die Verdichterdrehzahl ist prinzipiell mittels eines bekannten Verdichterkennfelds berechenbar, sofern bestimmte Größen, wie beispielsweise der Druck vor und nach dem Verdichter, der Luftmassenstrom durch den Verdichter und die Temperatur vor dem Verdichter bekannt sind. Anhand dieser Größen ist die Lage eines Betriebspunktes im Verdichterkennfeld und somit auch die Drehzahl des Verdichters bekannt, ohne dass ein Sensor zur Drehzahlbestimmung eingesetzt werden muss.
Zur Begrenzung der Drehzahl des Abgas-Turboladers wird üblicherweise ein
Umgebungsdrucksensor eingesetzt. Typischerweise sitzt dieser im Motorsteuergerät, um den Verkabelungsaufwand niedrig zu halten. Problematisch zeigt sich dabei die Tatsache, dass unterschiedliche Beladungszustände des Luftfilters, wie beispielsweise Nässe, Eis oder Schmutz, welche den für den Verdichter des Abgas-Turboladers relevanten
Luftdruck mitbeeinflussen, nicht berücksichtigt werden. Daher wird in Einzelfällen dieser Umgebungsdrucksensor in die Luftfilterbox integriert. Bei der Integration des
Umgebungsdrucksensors in die Luftfilterbox ist jedoch gegenüber der Montage im
Motorsteuergerät ein zusätzlicher Verkabelungsaufwand erforderlich. Weitere, die Abgas- Turbolader-Drehzahl bestimmende Faktoren, wie z. B. Toleranzen der Drucksensoren, d. h. Drucksensoren für die Bestimmung des Drucks der Umgebung sowie des Ladedrucks, und Liedergradtoleranzen des Motors werden und können damit nicht erfasst werden.
Entsprechend ist die oben beschriebene Schätzung der Drehzahl des Abgas-Turboladers mit signifikanten Ungenauigkeiten behaftet. Diese sind neben den Toleranzen der oben erwähnten Sensoren die Ungenauigkeiten im Verdichterkennfeld, Toleranzen der
Steuerzeiten oder Modellungenauigkeiten. Ferner ist dies die Unkenntnis des genauen Beladungszustands des Luftfilters. Beispielsweise führt ein durchnässter Luftfilter zu einer erheblichen Erhöhung der Ladedrehzahl, ohne dass dies unter Verwendung der vorher genannten Größen bei einem Rückgriff auf das Verdichterkennfeld berücksichtigt wird. Auch bei Leckagen stromaufwärts des Verdichters erhöht sich die Laderdrehzahl, ohne dass dies detektiert wird.
Wegen der beschriebenen Ungenauigkeit der geschätzten Laderdrehzahl und um eine Überschreitung der aus Festigkeitsgründen kritischen Maximaldrehzahl zu vermeiden, wird bei heutigen Anwendungen ein Sicherheitsabstand von ca. 5% bis 10% der
Maximaldrehzahl vorgehalten. Dies führt dazu, dass gegebenenfalls schon bei geodätischer Meereshöhe die Nennleistung des Motors begrenzt werden muss.
Außerdem kann das maximale Motordrehmoment bzw. die dazu erforderliche Luftfüllung bei steigender geodätischer Höhe nicht im gleichen Maße aufrechterhalten werden, wie es bei einer vollen Ausnutzung der Lader-Maximaldrehzahl möglich wäre. Diese Effekte werden mit den derzeit zu beobachtenden steigenden Aufladergraden und weiteren Absenkungen des Hubraums bzw. Steigerung des Downsizinggrades immer relevanter. Darüber hinaus ist bei dem beschriebenen Applikationsansatz mit Sicherheitsvorhalt trotzdem kein sicheres Vermeiden von Laderüberdrehen möglich, wenn sich Leckagen stromabwärts des Laders einstellen oder wenn der Druckabfall am Luftfilter infolge von beispielsweise einem komplett Durchnässen oder gar Einfrieren stark ansteigt. Um den beschriebenen Sicherheitsabstand von der maximale Drehzahl und die daraus resultierenden Nachteile zu vermeiden, ist eine genaue Messung der Drehzahl erforderlich. Dazu sind verschiedene Sensorkonzepte bekannt, wie beispielsweise induktive Sensoren und Wirbelstromsensoren, die allerdings wegen der entstehenden Zusatzkosten bisher noch keine Verbreitung im Massenmarkt der aufgeladenen
Fahrzeugmotoren gefunden haben. Im Gegensatz dazu sind allerdings
Fahrzeuganwendungen bekannt, bei denen zwar kein Drehzahlsensor, aber ein zusätzlicher Drucksensor zur Messung des Druckes stromabwärts des Luftfilter zur Anwendung kommt. Damit lässt sich der Beladungszustand des Luftfilters genau erfassen und die oben beschriebene Methode zur Bestimmung der Drehzahl per Rückgriff auf das Verdichterkennfeld wird genauer. Die Auswirkungen der Sensortoleranzen,
Ungenauigkeiten im Verdichterkennfeld, Toleranzen der Steuerzeiten,
Modellungenauigkeiten sowie die Auswirkungen von Leckagen auf die Laderdrehzahl bleiben allerdings bestehen. Infolgedessen kann bei diesem Ansatz der
Sicherheitsabstand zur maximalen Drehzahl mit den beschriebenen negativen Folgen begrenzt reduziert, aber nicht vermieden werden.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl eines Verdichters beinhalten diese daher noch
Verbesserungspotential.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers, einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zur Bestimmung der Drehzahl eines Verdichters zumindest weitgehend vermeiden und mit denen insbesondere der oben erwähnte Sicherheitsabstand zur maximalen Drehzahl des Verdichters vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden kann. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ohne Einsatz eines weiteren Sensors die Drehzahl des Verdichters zu bestimmen. Das Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers, einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Strömungssignal der der
Brennkraftmaschine zugeführten Luft und ein Drucksignal erzeugt wird, wobei die
Drehzahl des Verdichters aus einer periodischen Schwankung mindestens eines Anteils des Strömungssignals und/oder Drucksignals ermittelt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Strömung und/oder der Druck stromaufwärts des Verdichters erfasst wird.
Die Brennkraftmaschine kann einen Luftfilter umfassen, wobei das Strömungssignal und/oder der Druck in einem Bereich stromabwärts des Luftfilters erfasst werden. Aus dem Drucksignal und einem Drucksignal eines Umgebungsdrucksensors kann eine Druckdifferenz oder Druckverhältnis bestimmt und hieraus ein Funktionszustand des Luftfilters bestimmt werden. Die periodischen Schwankungen können durch eine
Hochpassfilterung von dem Strömungssignal und/oder dem Drucksignal separiert werden. Eine Frequenz der periodischen Schwankungen kann durch eine Frequenzanalyse, insbesondere eine Fourier-Transformation, ermittelt werden. Die Drehzahl des Verdichters kann durch eine Division der Frequenz durch eine Anzahl der Schaufeln des Verdichters erhalten werden. Die Drehzahl des Verdichters kann aus einer periodischen Schwankung mindestens eines Anteils des Strömungssignals und des Drucksignals ermittelt werden. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einen Verdichter, der in einem
Luftzuführungskanal zum Zuführen von Luft zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist, einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks der dem Brennraum zugeführten Luft und zum Erzeugen eines zugehörigen Drucksignals und/oder einen Strömungssensor zum Erfassen einer Strömung der dem Brennraum zugeführten Luft und zum Erzeugen eines zugehörigen Strömungssignals, wobei die Brennkraftmaschine weiterhin eine Auswerteschaltung zur Bestimmung der Drehzahl des Verdichters umfasst, wobei die Drehzahl des Verdichters aus einer periodischen Schwankung mindestens eines Anteils des Strömungssignals und/oder Drucksignals ermittelbar ist, wobei der Strömungssensor und/oder der Drucksensor in dem Luftzuführungskanal in einem
Bereich stromaufwärts des Verdichters angeordnet sind.
Die Auswerteschaltung zur Bestimmung der Drehzahl des Verdichters kann in einem Steuer- und/oder Regelgerät der Brennkraftmaschine, einem Sensorgehäuse für den Strömungssensor und/oder des Drucksensors oder in einem davon getrennten Bauteil angeordnet sein. Die Brennkraftmaschine kann den Strömungssensor und den Drucksensor umfassen, wobei der Strömungssensor und der Drucksensor in einem gemeinsamen Sensorgehäuse integriert sind.
Unter einem Strömungssignal ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Signal zu verstehen, dass jede beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaft einer Strömung einer einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft anzeigt und diese qualifiziert oder quantifiziert. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Luftmassenstrom und/oder einen
Luftvolumenstrom handeln. Mit anderen Worten ist das Strömungssignal mindestens ein Signal ausgewählt aus einem Massenstromsignal, Volumenstromsignal und
Strömungsgeschwindigkeitssignal. Ein Massenstrom wird üblicherweise in kg/h angegeben und gibt eine Luftmasse an, die durch eine Messquerschnittsfläche in einer bestimmten Zeit strömt. Ein Volumenstrom wird üblicherweise in m3/h angegeben. Ein Volumenstrom gibt ein Luftvolumen an, das durch eine Messquerschnittsfläche in einer bestimmten Zeit strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit wird üblicherweise in m/s angegeben. Insbesondere beziehen sich die erfassten und in ein Signal umgewandelten Strömungseigenschaften auf periodisch schwankende Strömungseigenschaften.
Unter einer periodischen Schwankung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Wechselanteil eines Signals zu verstehen, die durch die periodischen Druckwellen des Verdichters erzeugt werden. Die Druckwellen werden durch die einzelnen
Verdichterschaufeln des Verdichters verursacht.
Unter stromaufwärts des Verdichters ist eine Position in einem Luftzuführungskanal zu verstehen, die die in der Hauptströmungsrichtung strömende Luft früher als den
Verdichter erreicht. Dabei bezieht sich die Position ausschließlich auf einen
Luftzuführungskanal und nicht auf eine Position in einem Zuführungskanal einer
Abgasrückführung. Analog ist stromabwärts des Luftfilters eine Position in einem Luftzuführungskanal zu verstehen, die die in der Hauptströmungsrichtung strömende Luft später als den Luftfilter erreicht.
Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort des Sensors zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums verstanden werden.
Unter einer Analog-Digital-Wandlung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Umsetzung analoger Eingangssignale in digitale Daten bzw. einen Datenstrom zu verstehen, der dann weiterverarbeitet oder gespeichert werden kann. Dazu wird üblicherweise ein so genannter Analog-Digital-Wandler verwendet. Der Analog-Digital- Wandler quantisiert ein kontinuierliches Eingangssignal, wie beispielsweise eine elektrische Spannung, sowohl in der Zeit als auch in der Signalhöhe. Jedes Signal stellt sich dadurch nach der Umsetzung in einem Signal-Zeit-Diagramm in einer Punktfolge mit gestuften horizontalen und vertikalen Abständen dar. Die Quantisierung bedeutet, dass ein abgegrenzter stufen loser Wertevorrat in einen ebenfalls abgegrenzten, aber gestuften Wertvorrat überführt wird. Bei der Quantisierung nimmt die in einem System zuvor stufenlose Größe diskrete und daher isolierbar getrennte Werte an.
Unter einem Hochpassfilter ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Filter zu verstehen, der Signalanteile mit Frequenzen oberhalb seiner Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lässt und Anteile mit tieferen Frequenzen dämpft. Die
Grenzfrequenz ist der Wert der Frequenz, bei dessen Überschreitung die Signalamplitude oder die Modulationsamplitude am Ausgang eines Bauteils unter einen bestimmten Wert sinkt. Bei einem einfachen RC- oder RL-Hochpassfilter hat beispielsweise der
Spannungsübertragungsfaktor den Maximalwert 1. Bei der Grenzfrequenz sinkt die
i
übertragene Amplitude auf den v'^-fachen Wert ab. Analog ist unter einem Tiefpassfilter im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Filter zu verstehen, der Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lässt, Anteile mit höheren Frequenzen dagegen abschwächt.
Unter einer Fourier-Transformation ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der Fourier-Analyse zu verstehen, das es erlaubt, kontinuierliche Signale in ein kontinuierliches Spektrum zu zerlegen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Strömungseigenschaft und/oder der Druck stromaufwärts des Verdichters erfasst werden. Dabei bezieht sich die Angabe stromaufwärts des Verdichters auf eine Position in einem Zuführungskanal zum Zuführen von Luft, insbesondere Umgebungsluft, zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine. Dabei ist die Angabe stromaufwärts zeitlich zu sehen, so dass die Luft zuerst die angegebene Position und dann den Verdichter erreicht. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass die rotierenden Schaufeln des Verdichters Druckwellen erzeugen, die sich in der verdichteten Luft stromabwärts des Verdichters und in der Umgebungsluft stromaufwärts des Verdichters ausbreiten. Kern der vorliegenden
Erfindung ist es also, diese Druckpulsation durch eine insbesondere auch thermisch geeignete Positionierung des Drucksensors stromabwärts eines Luftfilters und
stromaufwärts des Verdichters zu messen und daraus die Drehzahl des Turboladers mit geeigneten Mitteln der Signalverarbeitung zu bestimmen. Die periodischen
Schwankungen können dabei von einem Luftmassenmesser und/oder einem Drucksensor erfasst werden. Vorteilhafterweise werden dann die periodischen Schwankungen von beiden genannten Sensoren erfasst. Dabei kann die Signalverarbeitung im Sensor vor Ort, im Motorsteuergerät oder in einem zusätzlichen Bauteil erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht also darin, dass neben der Bestimmung des mittleren Drucks stromabwärts des Luftfilters, der eine genaue Erfassung des
Luftfilterbeladungszustandes erlaubt, zusätzlich eine Drehzahl des Abgas-Turboladers bestimmt werden kann, ohne dass ein weiterer Sensor benötigt wird. Dies hat im
Vergleich zur Drehzahlerfassung mittels eines Drucksensors stromabwärts des
Verdichters den Vorteil, dass nur Ansaugluft mit deutlich geringeren Temperaturen zu dem Drucksensor gelangt und diesen beaufschlagt, wohingegen ein Drucksensor stromabwärts des Verdichters vergleichsweise hohen Temperaturen infolge der
Luftverdichtung ausgesetzt wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgas- Turbolader und einem Drucksensor,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verdichters und seines Austrittsbereichs,
Fig. 3 eine weitere schematische Ansicht eines Verdichters, Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgas- Turbolader und einem Drucksensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 6 ein weiteres Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 kann als Benzin-Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung, Diesel-Brennkraftmaschine oder Brennkraftmaschine mit Kraftstoff- Direkteinspritzung ausgebildet sein.
Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder 12, die einen Brennraum 14 umfassen. Verbrennungsluft gelangt in den Brennraum 14 über einen
Luftzuführungskanal 16 und durch ein nicht näher gezeigtes Einlassventil. Der
Luftzuführungskanal 16 kann beispielsweise als Ansaugkanal ausgebildet sein.
Unmittelbar stromaufwärts des Einlassventils wird Kraftstoff durch einen nicht gezeigten Injektor eingespritzt, der an ein Kraftstoffsystem angeschlossen ist. Stromaufwärts des Injektors befindet sich in dem Luftzuführungskanal 16 eine Drosselklappe 18.
Ein im Brennraum 14 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze entflammt, welche mit einem Zündsystem verbunden ist. Heiße Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 14 durch ein Auslassventil und ein Abgasrohr abgeleitet. In dem Abgasrohr ist eine Turbine angeordnet.
In dem Luftzuführungskanal 16 ist ferner ein Verdichter 20 angeordnet, der mit der Turbine mechanisch verbunden ist. Die Turbine und der Verdichter 20 bilden zusammen einen Abgas-Turbolader 22. Zur Verdichtung der Luft verfügt der Verdichter 20 über mehrere Verdichterschaufeln 24, wie beispielsweise in Fig. 2 oder 3 gezeigt ist. Die durch die Verdichtung erwärmte Ansaugluft wird durch einen Ladeluftkühler 26, der in dem Luftzuführungskanal 16 zwischen dem Verdichter 20 und der Drosselklappe 18 angeordnet ist, gekühlt.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird durch eine Steuer- und/oder
Regeleinrichtung 28 gesteuert und/oder geregelt. Insbesondere werden die Drosselklappe 18, der Injektor, das Zündsystem und dergleichen von der Steuer- und/oder
Regeleinrichtung 28 angesteuert. Hierzu erhält die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 28 Signale von verschiedenen Sensoren. Beispielsweise befindet sich stromaufwärts eines Luftfilters 30, der stromaufwärts des Verdichters 20 angeordnet ist, ein
Umgebungsdrucksensor 32, zwischen dem Luftfilter 30 und dem Verdichter ein
Drucksensor 34, zwischen dem Ladeluftkühler 26 und der Drosselklappe 18 ein
Ladedrucksensor 36 und zwischen der Drosselklappe 18 und dem Brennraum 14 ein weiterer Drucksensor 38 zur Bestimmung des Drucks der gedrosselten Ladeluft. Aus einem Drucksignal des Drucksensors 34 und einem Signal des Umgebungsdrucksensors 32 kann eine Druckdifferenz bestimmt und hieraus ein Funktionszustand des Luftfilters 30 bestimmt werden. Die Drucksensoren 32, 34, 36, 38 können beispielsweise ausgebildet sein und arbeiten wie Drucksensoren, die in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im
Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 80-82 und 134-136 beschrieben sind. Durch den Verdichter 20 wird die dem Brennraum 14 zugeführte Verbrennungsluft verdichtet, was eine höhere Leistung der Brennkraftmaschine 10 ermöglicht. Der Druck der in dem Laderaum 14 gepressten Luftfüllung, d. h. der Ladedruck, wird auf noch näher darzustellende Art und Weise von den Drucksensoren 36 und 38 bereitgestellt und in einem geschlossenen Regelkreis durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 28 eingestellt.
Um eine möglichst schnelle und präzise Regelung des Ladedrucks zu erreichen, wird dieser nicht nur auf der Basis des von den Drucksensoren 36, 38 bereitgestellten
Ladedrucks, sondern auch auf der Basis der aktuellen Drehzahl des Verdichters 20 geregelt. Der Ladedruck pL und die Drehzahl ηΑτι_ werden ausgehend von einem von dem Drucksensor 34 bereitgestellten Signal UP anhand eines Verfahrens ermittelt, welches nun unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 4 näher erläutert wird.
Fig. 2 zeigt den Verdichter 20 und beispielhaft eine Verdichterschaufel 24. Jedes Mal, wenn beispielsweise bei einem Axialverdichter eine Verdichterschaufel 24 an einer bestimmten Position vorbeistreicht, ändert sich die Geschwindigkeit und damit auch der Druck der geförderten Luft. Dies führt zu periodischen Druckschwankungen, deren Perioden mit der Drehzahl des Verdichters 20 zusammenhängen. Dieser Zusammenhang wird erfindungsgemäß für die Gewinnung der Drehzahl des Verdichters 20 ausgenutzt. Grundsätzlich wurde beispielsweise mittels eines Klopfsensors festgestellt, dass sich die Druckschwingungen als Körperschall auf ein Verdichtergehäuse 40 ausbreiten. Dies ist beispielsweise in Fig. 2 an einer Verdichterzunge 42, die einen Auslass 44 aus dem Verdichter 20 begrenzt, schematisch dargestellt. Insbesondere zeigt Fig. 2 eine statische Druckverteilung 46 und die Ausbreitung von Druckwellen 48 zu dem Verdichtergehäuse 40. Es hat sich jedoch durch diese Messungen herausgestellt, dass sich die
Druckschwingungen auch stromaufwärts des Verdichters 20 ausbreiten. Fig. 3 zeigt beispielsweise schematisch, wie ein beispielhaftes erfasstes Körperschallsignal 50 über die Zeit im Bereich der Verdichterzunge 42 aussieht.
Nun wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Drehzahl ηΑτι_ des Verdichters 20 mittels des stromaufwärts davon angeordneten Drucksensors 34 zu bestimmen. Genauer wird die Drehzahl ηΑτι_ des Verdichters 20 von einer nicht näher gezeigten Auswerteschaltung bestimmt. Die Auswerteschaltung kann sich in einem Steuer-und/oder Regelgerät befinden, das die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 28 aufweist. Alternativ kann sich die Auswerteschaltung in einem Sensorgehäuse für den Drucksensor 34 oder in einem davon getrennten Bauteil befinden. Das entsprechende Verfahren ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Zunächst wird das Drucksignal UP des Drucksensors 34 einer A D-Wandlung (Analog-Digital-Wandlung) in Schritt 52 unterzogen. Mittels eines Hochpassfilters 54 werden dann periodische Schwankungen Un, d. h. Wechselanteile, des Signals UP separiert. Diese periodischen Schwankungen Un werden durch die Druckwellen des Verdichters 20 hervorgerufen, die durch die einzelnen Verdichterschaufeln 24 des
Verdichters 20 verursacht werden. Damit diese periodischen Schwankungen Un von dem Drucksensor 34 erfasst werden können, ist es erforderlich, diesen, wie in Fig. 1 dargestellt, vergleichsweise nahe zum Verdichter 20 anzuordnen. Außerdem muss der Drucksensor 34 eine entsprechende Dynamik aufweisen.
Die durch den Hochpassfilter 54 separierten periodischen Schwankungen werden nun bei Schritt 56 einer Fourier-Transformation unterzogen, durch die die Frequenz F der periodischen Schwankungen ermittelt wird. Diese Frequenz F ist das Produkt aus der Drehzahl ηΑτι_ und der Anzahl ns der Verdichterschaufeln 24. Daher wird nun bei Schritt 58 die ermittelte Frequenz F durch die Anzahl ns der Verdichterschaufeln 24 dividiert, was schließlich zur Drehzahl ηΑτι_ des Verdichters 20 führt. Wie bereits oben erwähnt worden ist, wird das Signal UP des Drucksensors 34 auch zur Ermittlung des Ladedrucks pL verwendet, der unmittelbar stromaufwärts vom Einlassventil bzw. im Brennraum 14 selbst herrscht. Hierzu wird in dem Schritt 60 das Signal Up einer Tiefpassfilterung unterzogen, was zu einem Mittelwert Up_m des Drucksignals Up führt. Dieser Mittelwert Up_m entspricht dem Druck zwischen dem Verdichter 20 und dem Ladeluftkühler 26. Um hieraus den Druck unmittelbar stromaufwärts des Einlassventils zu erhalten, wird der Wert Up_m bei Schritt 62 einer Korrektur unterzogen. Beispielsweise wird der Wert Up_m mit einem Korrekturfaktor K multiplikativ oder additiv beaufschlagt. Der Korrekturfaktor K wird während der Auslegung der Parameter der Steuer- und/oder
Regeleinrichtung 40 beispielsweise auf einem Motorprüf stand ermittelt, indem der Druck vor und nach dem Ladeluftkühler 26 bei unterschiedlichen Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine 10 gemessen wird. Der Korrekturfaktor K kann wiederum von Betriebsgrößen abhängen, beispielsweise von einem Luftmassenstrom dm/dt, der von einem Heißfilmluftmassenmesser 64 erfasst wird Alternativ kann der Druck auch mittels des Drucksensors 38 bestimmt werden.
Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der Brennkraftmaschine 10 der zweiten Ausführungsform befindet sich stromaufwärts des Verdichters 20 ein so genannter Heißfilmluftmassenmesser 62, wie er beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1 . Auflage 2010, S. 156-158 beschrieben ist. Derartige Heißfilmluftmassenmesser 62 basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silicium-Sensorchip, mit einer Messoberfläche, welche von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind. Aus einer
Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden.
Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in den Luftzuführungskanal 16 einbringbar ist. Der Heißfilmluftmassenmesser 62 ist eingerichtet zur Erfassung eines Luftmassenstroms einer durch den Luftzuführungskanal 16 strömenden Ansaugluft und zum Erzeugen eines Strömungssignals, das den Luftmassenstrom anzeigt. Auch hier erzeugen die
Verdichterschaufeln 24 einen Druckpuls, der sich stromaufwärts in dem
Luftzuführungskanal 16 zu dem Heißfilmluftmassenmesser 62 ausbreiten kann. Dieser Druckpuls ist periodisch und kann als so genannte Drehklangfrequenz bestimmt werden. Durch das oben genannte Verfahren kann anhand des Luftmassenmessersignals das gesuchte Nutzsignal von Störsignalen separiert werden, wie nachfolgend ausführlicher anhand der Fig. 6 beschrieben wird. Genauer wird die Drehzahl des Verdichters von einer Auswerteschaltung bestimmt. Die Auswerteschaltung kann sich in einem Steuer-und/oder Regelgerät befinden, das die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 28 aufweist. Alternativ kann sich die Auswerteschaltung in einem Sensorgehäuse für den
Heißfilmluftmassenmesser 62 oder in einem davon getrennten Bauteil befinden. Zunächst wird das Strömungssignal ULM des Luftmassenmessers 62 einer A/D-Wandlung (Analog-Digital-Wandlung) in Schritt 66 unterzogen. Mittels eines Hochpassfilters 68 werden dann periodische Schwankungen UN, d. h. Wechselanteile, des Strömungssignals ULM separiert. Diese periodischen Schwankungen UN werden durch die Druckwellen des Verdichters 20 hervorgerufen, die durch die einzelnen Verdichterschaufeln 24 des Verdichters 20 verursacht werden.
Die durch den Hochpassfilter 68 separierten periodischen Schwankungen werden nun bei Schritt 70 einer Fourier-Transformation unterzogen, durch die die Frequenz F der periodischen Schwankungen ermittelt wird. Diese Frequenz F ist das Produkt aus der Drehzahl nATL und der Anzahl ns der Verdichterschaufeln 24. Daher wird nun bei Schritt 72 die ermittelte Frequenz F durch die Anzahl ns der Verdichterschaufeln 24 dividiert, was schließlich zur Drehzahl nATL des Verdichters 20 führt.
Ist eine Schallausbreitung stromaufwärts des Verdichters 20 nicht oder nur unzureichend gewährleistet, beispielsweise weil die Drehzahl des Verdichters 20 zu klein ist oder Störeinflüsse zu groß sind, wird die Drehzahlerfassung konventionell auf Basis des gemessenen mittleren Luftdrucks über die bekannte Modulierung der Drehzahl des Verdichters 20 vorgenommen. Die Toleranzeinflüsse dieser Modulierung auf die Drehzahl werden über entsprechende Sicherheitsabstände berücksichtigt. Der Luftmassenmesser 62 kann beispielsweise im relevanten Drehzahl- bzw. Frequenzbereich bis ca. 25 kHz Strömungssignale erfassen. Denkbar ist eine Kombination einer Drehzahlbestimmung des Verdichters 20 mittels dem oben beschriebenen Drucksensor 34 und dem beschriebenen Luftmassenmesser 62, da diese das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis steigern bzw. die Eindeutigkeit eines separierten Signalanteils sicherstellen. Beispielsweise kann der obige Drucksensor 34 in das Gehäuse des Luftmassenmessers 62 integriert werden. Dabei ist zu beachten, dass sich die Nutzsignale phasenverschoben sind. Insbesondere ist das Drucksignal gegenüber dem Massenstromsignal voreilend, was entsprechend zu berücksichtigen ist.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl (ηΑτι_) eines Verdichters (20), insbesondere eines Turboladers (20), einer Brennkraftmaschine (10), bei der eine Strömung und/oder ein Druck einer der Brennkraftmaschine (10) zugeführten Luft erfasst und ein zugehöriges Strömungssignal (ULM) und/oder Drucksignal (UP) erzeugt wird, wobei die Drehzahl (ηΑτι_) des Verdichters (20) aus einer periodischen Schwankung (Un) mindestens eines Anteils des Strömungssignals (ULM) und/oder des Drucksignals (UP) ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömung und/oder der Druck stromaufwärts des Verdichters (20) erfasst wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Brennkraftmaschine (10) einen Luftfilter (30) umfasst, wobei die Strömung und/oder der Druck stromabwärts des Luftfilters (30) erfasst wird.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei aus dem Drucksignal (UP) und einem Drucksignal eines Umgebungsdrucksensors (32) eine Druckdifferenz oder Druckverhältnis bestimmt und hieraus ein Funktionszustand des Luftfilters (30) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die periodischen
Schwankungen (UN) durch eine Hochpassfilterung von dem Strömungssignal (ULM) und/oder dem Drucksignal (UP) separiert werden.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Frequenz (F) der
periodischen Schwankungen (UN) durch eine Frequenzanalyse, insbesondere eine Fourier-Transformation, ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehzahl (nATL) des Verdichters (20) durch eine Division der Frequenz (F) durch eine Anzahl der
Schaufeln (ns) des Verdichters (20) erhalten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehzahl (ηΑτι_) des Verdichters (20) aus einer periodischen Schwankung (UN) mindestens eines Anteils des Strömungssignals (ULM) und des Drucksignals (UP) ermittelt wird.
8. Brennkraftmaschine (10) umfassend einen Verdichter (20), der in einem
Luftzuführungskanal (16) zum Zuführen von Luft zu einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist, einen Drucksensor (34) zum Erfassen eines Drucks der dem Brennraum (14) zugeführten Luft und zum Erzeugen eines zugehörigen Drucksignals (UP) und/oder einen Strömungssensor (62) zum Erfassen einer Strömung der dem Brennraum (14) zugeführten Luft und zum Erzeugen eines zugehörigen Strömungssignals (ULM), wobei die Brennkraftmaschine (10) weiterhin eine Auswerteschaltung zur Bestimmung einer Drehzahl (ηΑτί) des Verdichters (20) umfasst, wobei die Drehzahl (ηΑτί) des Verdichters (20) aus einer periodischen Schwankung (UN) mindestens eines Anteils des Strömungssignals (ULM) und/oder des Drucksignals (UP) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungssensor (62) und/oder der Drucksensor (34) in dem Luftzuführungskanal (16) stromaufwärts des Verdichters (20) angeordnet sind.
9. Brennkraftmaschine (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Auswerteschaltung zur Bestimmung der Drehzahl (ηΑτί) des Verdichters (20) in einem Steuer- und/oder Regelgerät der Brennkraftmaschine (10), einem Sensorgehäuse für den Strömungssensor (62) und/oder des Drucksensors (34) oder in einem davon getrennten Bauteil angeordnet ist.
10. Brennkraftmaschine (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
umfassend den Strömungssensor (62) und den Drucksensor (34), wobei der
Strömungssensor (62) und der Drucksensor (34) in einem gemeinsamen
Sensorgehäuse integriert sind.
EP13726179.8A 2012-07-02 2013-05-28 Verfahren zur bestimmung einer drehzahl eines verdichters Withdrawn EP2867681A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012211425.4A DE102012211425A1 (de) 2012-07-02 2012-07-02 Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl eines Verdichters
PCT/EP2013/060987 WO2014005767A2 (de) 2012-07-02 2013-05-28 Verfahren zur bestimmung einer drehzahl eines verdichters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2867681A2 true EP2867681A2 (de) 2015-05-06

Family

ID=48539144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP13726179.8A Withdrawn EP2867681A2 (de) 2012-07-02 2013-05-28 Verfahren zur bestimmung einer drehzahl eines verdichters

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20150276785A1 (de)
EP (1) EP2867681A2 (de)
CN (1) CN104541171A (de)
DE (1) DE102012211425A1 (de)
WO (1) WO2014005767A2 (de)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105158494A (zh) * 2015-08-06 2015-12-16 浙江工业大学 一种往复式制冷压缩机转速测量的方法
US11053875B2 (en) 2016-02-10 2021-07-06 Garrett Transportation I Inc. System and method for estimating turbo speed of an engine
CN110346594B (zh) * 2019-05-29 2022-04-08 浙江工业大学 一种便携式全封闭压缩机高精度转速测量方法及装置
CN110455509B (zh) * 2019-08-07 2021-05-11 中国北方发动机研究所(天津) 一种涡轮增压器试验台
KR102346619B1 (ko) * 2019-11-06 2022-01-05 주식회사 모트롤 건설 기계의 유압 장치의 회전 속도 측정 방법
DE102020200118A1 (de) * 2020-01-08 2021-07-08 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Detektion eines kritischen Zustands bei einem Kältemittelkreislauf eines Fahrzeuges

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19750496A1 (de) * 1997-11-14 1999-05-20 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Bestimmung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luft und Sensor für eine Brennkraftmaschine
DE102010043062A1 (de) * 2010-10-28 2012-05-03 Robert Bosch Gmbh Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100296671B1 (ko) * 1992-08-10 2001-10-24 스티븐에스. 그레이스 압축기의제어와모니터링을위한장치및공정
DE10047405A1 (de) * 2000-09-26 2002-04-11 Daimler Chrysler Ag Turbolader, insbesondere Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
DE10053145A1 (de) * 2000-10-26 2002-05-08 Mann & Hummel Filter Ansaugsystem
JP2003097281A (ja) * 2001-09-21 2003-04-03 Toyota Motor Corp ターボチャージャーの回転数計測方法及びターボチャージャー
FR2858664B1 (fr) * 2003-08-06 2007-04-06 Renault Sa Systeme d'indication de l'etat d'un filtre a air d'un vehicule
US7104120B2 (en) * 2004-03-02 2006-09-12 Caterpillar Inc. Method and system of determining life of turbocharger
US7127892B2 (en) * 2004-08-13 2006-10-31 Cummins, Inc. Techniques for determining turbocharger speed
US7089738B1 (en) * 2005-04-09 2006-08-15 Cummins, Inc. System for controlling turbocharger compressor surge
DE102005056517A1 (de) * 2005-11-28 2007-05-31 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers
US7296562B2 (en) * 2006-03-30 2007-11-20 Caterpiller Inc. Control system and method for estimating turbocharger performance
DE102006027422B4 (de) * 2006-06-13 2014-02-06 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Abgasturboladers
US7428839B2 (en) * 2006-07-17 2008-09-30 Honeywell International, Inc. Method for calibrating a turbocharger
JP4815294B2 (ja) * 2006-07-25 2011-11-16 本田技研工業株式会社 エンジンの過給装置における過給圧制御手段の故障検知装置
DE102006060313A1 (de) * 2006-12-20 2008-06-26 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
US7757549B2 (en) * 2008-02-21 2010-07-20 Cummins Ip, Inc Apparatus, system, and method for predictive control of a turbocharger
DE102008011415B3 (de) * 2008-02-27 2009-08-27 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader
DE102008041145A1 (de) * 2008-08-11 2010-02-18 Robert Bosch Gmbh Sensoranordnung zur Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums
JP5331435B2 (ja) * 2008-10-07 2013-10-30 ヤンマー株式会社 エンジン
BRPI1004914A2 (pt) * 2009-01-12 2018-02-06 Optimum Power Tech L P "aparelhos, sistemas, e métodos para o desempenho melhorado de um sistema pressurizado"
DE102010003347B4 (de) * 2009-05-20 2021-08-05 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer oder mehrerer Drehzahlen einer Aufladeeinrichtung, insbesondere für einen Verbrennungsmotor
DE102010044164B4 (de) * 2010-11-19 2022-07-14 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
DE102011016489A1 (de) * 2011-04-08 2012-10-11 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters und Kraftfahrzeug
DE102012200091A1 (de) * 2012-01-04 2013-07-04 Robert Bosch Gmbh Sensorvorrichtung zur berührungslosen Erfassung einer Rotationseigenschaft eines drehbaren Gegenstandes

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19750496A1 (de) * 1997-11-14 1999-05-20 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Bestimmung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luft und Sensor für eine Brennkraftmaschine
DE102010043062A1 (de) * 2010-10-28 2012-05-03 Robert Bosch Gmbh Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2014005767A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014005767A2 (de) 2014-01-09
WO2014005767A3 (de) 2014-03-20
CN104541171A (zh) 2015-04-22
US20150276785A1 (en) 2015-10-01
DE102012211425A1 (de) 2014-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015211808B4 (de) Steuervorrichtung für Verbrennungskraftmaschine
DE10310221B4 (de) Verfahren zur Begrenzung eines Ladedrucks
DE112005001963B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Turboladerdrehzahl
DE60320199T2 (de) Vorrichtung zur Schätzung der Abgasrückführrate in einer Brennkraftmaschine
EP2867681A2 (de) Verfahren zur bestimmung einer drehzahl eines verdichters
DE19922044C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Berechnung der Abgasrückführung bei einem Verbrennunsmotor sowie Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses in dem Verbrennungsmotor
DE102012223772A1 (de) Steuervorrichtung für Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Steuern einer Verbrennungskraftmaschine
DE102014201947B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladeluftmassenstroms
DE102005056517A1 (de) Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers
DE102015200906B4 (de) Steuervorrichtung und Steuerverfahren für einen Verbrennungsmotor mit einem Auflader
DE19615033A1 (de) Anordnung zum Erkennen von Drehzahlabweichungen zwischen zwei Abgasturboladern
DE112006003091T5 (de) Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine
DE102014224399B4 (de) Schätzvorrichtung und Verfahren für eine Zylinderansaugluftmenge eines Verbrennungsmotors
DE102010032510A1 (de) Steuerstrategie für das Verringern von Resonanz in einem Turbolader
DE102012208727A1 (de) System und Verfahren zum Detektieren von Störungen von Luftmassenströmungssensoren in einem Motor mit parallelem Einlass
DE102014108240A1 (de) Systeme und verfahren zur steuerung einer einlasstemperatur zum schutz eines einlasskrümmers
DE102015213825A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Dynamiküberwachung eines Luftfüllungssystems einer Brennkraftmaschine
DE102006057528A1 (de) System und Verfahren zum Überwachen von Partikelfilterleistung
DE102019209028A1 (de) Steuervorrichtung für Verbrennungsmotor
EP1076166A2 (de) Verfahren und Vorrichtung für die Frischluftbestimmung an einer Brennkraftmaschine
DE102004038733A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
DE102010018007B4 (de) Steuerungssystem und Verfahren zur Detektion einer Sensorsignalbereichsüberschreitung
DE102013204558A1 (de) Motor-Steuerungseinheit und Verfahren zum Schätzen von atmosphärischem Druck
DE102010029325B4 (de) Abgasemissionssteuerungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
DE102010055641B4 (de) Verfahren und Steuereinrichtung zur Ermittlung einer Rußbeladung eines Partikelfilters

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20150202

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20170830

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20180310