DE102004036064A1

DE102004036064A1 - Diagnoseverfahren zur Erkennung von Fehlern bei der Ladedruckregelung eines Abgasturboladers eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004036064A1
Application number: DE102004036064A
Authority: DE
Inventors: Jens Schlüter; Stefan Dr. Linka; Holger Dr. Braun; Daniel Beese
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-07-24
Filing date: 2004-07-24
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Erkennung von Fehlern bei der Ladedruckregelung eines Verbrennungsmotors (2) mit einem Abgasturbolader (3), dessen Ladedruck durch ein hinter dem Verbrennungsmotor (2) angeordnetes und mit dem Ladedruck als Steuerdruck beaufschlagtes Bypassventil (15) einer Turbine (4) des Abgasturboladers (3) geregelt wird, sowie mit einem dem Abgasturbolader (3) vorgeschalteten mechanischen Kompressor (6). Je nachdem, ob das System im reinen Turboladerbetrieb oder im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb arbeitet, wird vorgeschlagen, dass im zuerst genannten Fall mindestens ein Druck (pvtldsx, pvdkdsx) vor und hinter dem Verdichter (5) des Turboladers (3) gemessen wird und dass für einen reinen Turboladerbetrieb aus den gemessenen Drücken (pvtldsx, pvdkdsx) ein Verdichtungsverhältnis (PI¶verd¶) des Turboladers (3) ermittelt und mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Verdichtungsverhältnis (KF¶verd¶) des Turboladers (3) bei fehlerfreiem Betrieb verglichen wird, während im zuletzt genannten Fall ein Saugrohrdruck (ps) des Verbrennungsmotors (2), ein Druck (pvtldsx) zwischen dem Kompressor (6) und einem Verdichter (5) des Turboladers (3), ein Druck (pvdkdsx) zwischen dem Verdichter (5) des Turboladers (3) und dem Verbrennungsmotor (2) gemessen werden und zumindest ein Teil der gemessenen Drücke bzw. ein anhand dieser Drücke ermittelter Luftmassenfluss mit entsprechenden modellierten Drücken bzw. mit einem entsprechenden ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Erkennung von Fehlern bei der Ladedruckregelung eines Abgasturboladers eines Verbrennungsmotors.

Diagnoseverfahren dieser Art werden eingesetzt, um kritische Betriebszustände des Abgasturboladers zu erkennen, die zu einer Leistungsminderung oder zu einer Beschädigung bzw. einem Ausfall des Abgasturboladers oder zu einer dauerhaften Überlastung anderer Komponenten des Verbrennungsmotors führen können.

Wird infolge des Diagnoseverfahrens ein Fehler erkannt, wie beispielsweise eine Leckage in einem Ladeluftpfad vor oder hinter dem Abgasturbolader oder in einem Abgaspfad zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Turbine des Abgasturboladers, können geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, die verhindern, dass der Abgasturbolader oder andere Komponenten in einen kritischen Betriebszustand gelangen.

Ein derartiger kritischer Betriebszustand des Abgasturboladers ist das Überschreiten der maximalen Ladedrehzahl, was zum Beispiel durch eine Leckage vor der Drosselklappe des Verbrennungsmotors bei geringer Luftdichte, d.h. in größerer Höhe über dem Meeresspiegel, und/oder hoher Temperatur) hervorgerufen werden kann. Dieser Fehler führt zunächst zu einem Absinken des Ladedrucks. Aufgrund der entstehenden Regelabweichung wird dann der Massenstrom durch die Turbine des Turboladers vom Ladedruckregler erhöht, indem ein Wastegate- oder Turbinenbypassventil der Turbine geschlossen wird. Infolge des erhöhten Massenstroms durch die Turbine steigt die verfügbare Verdichterleistung und somit der geförderte Massenstrom und die Lederdrehzahl an, unter ungünstigen Umständen bis zur Überschreitung der kritischen Lederdrehzahl. Eine solche Überschreitung der kritischen Lederdrehzahl kann auch dadurch hervorgerufen werden, dass sich das Turbinenbypassventil zum Beispiel infolge eines Abfallens seines Druckschlauchs schließt, was als negative Leckage im Abgaspfad aufgefasst werden kann. Dies führt zu einem erhöhten Massenstrom durch die Turbine und damit zu einem Anstieg der Verdichterleistung.

Ein bekanntes Diagnoseverfahren zur Erkennung von Fehlern bei der Ladedruckregelung eines Abgasturboladers eines aufgeladenen Verbrennungsmotors nutzt einen Saugrohrdrucksensor und einen Luftmassensensor, zum Beispiel in Form eines Heißfilmmessers, um über die Erfassung der Zylinderfüllung Regelungs- und Leckagefehler (Klein- und Großleckagen) zu ermitteln, wobei jedoch weder eine Lokalisierung von Leckagefehlern noch eine Unterscheidung nach der genauen Art des Fehlers möglich ist. Außerdem macht das bekannte Diagnoseverfahren die Verwendung eines Luftmassensensors erforderlich, auf den bei einem neueren Antriebskonzept eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem zusätzlich zum Abgasturbolader vorgesehenen mechanischen Kompressor verzichtet werden soll.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Diagnoseverfahren zur Erkennung von Fehlern bei der Ladedruckregelung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader und einem dem Abgasturbolader vorgeschalteten mechanischen Kompressor zu entwickeln, das eine Verwendung eines Luftmassensensors entbehrlich macht und eine weitergehende Differenzierung der diagnostizierten Fehler nach Ort und/oder Fehlerart ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Erfindungsalternative für den kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb dadurch gelöst, dass mit Hilfe von Drucksensoren mindestens ein Saugrohrdruck des Verbrennungsmotors, ein Druck zwischen dem Kompressor und einem Verdichter des Turboladers sowie ein Druck zwischen dem Verdichter des Turboladers und dem Verbrennungsmotor, insbesondere einer Drosselklappe des Verbrennungsmotors, und vorzugsweise auch ein äußerer Umgebungsdruck gemessen wird, und dass zumindest ein Teil der gemessenen Drücke bzw. ein anhand dieser Drücke ermittelter Luftmassenfluss mit entsprechenden modellierten Drücken bzw. mit einem entsprechenden Modellmassenstrom für einen leckagefreien Betrieb verglichen werden, die für einen entsprechenden Betriebszustand ermittelt worden sind.

Vorzugsweise wird der Luftmassenfluss zwischen dem Kompressor und dem Verdichter mit einem entsprechenden Modellmassenstrom vom Kompressor zum Verdichter verglichen. Je nachdem, ob der Luftmassenfluss kleiner oder gleich dem Modellmassenstrom ist, lassen sich, ggf. unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen, Aussagen über die Art bzw. den Ort des Auftretens eines Fehlers treffen. Wenn der Modellmassenstrom größer ist als der ermittelte Luftmassenfluss kann dabei bereits auf einen ladeluftseitigen Fehler geschlossen werden.

Neben dem Luftmassenfluss wird aus den gemessenen Drücken zweckmäßig auch ein Verdichtungsverhältnis des Turboladers bzw. des Kompressors ermittelt und mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Verdichtungsverhältnis des Turboladers bzw. des Kompressors für einen entsprechenden Betriebszustand bei einem leckagefreien Betrieb verglichen. Darüber hinaus ist es auch von Vorteil, wenn der Quotient aus den ermittelten Verdichtungsverhältnissen des Kompressors und des Verdichters mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Quotienten dieser Verdichtungsverhältnisse für leckagefreien Betrieb verglichen wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht dann vor, dass eine Leckage vor der Drosselklappe in einem Ladeluftpfad zwischen dem Turbolader und dem Verbrennungsmotor diagnostiziert wird, wenn im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb der Modellmassenstrom größer ist als der Luftmassenfluss, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis des Turboladers kleiner ist als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert für leckagefreien Betrieb, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis des Kompressors größer ist als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert für leckagefreien Betrieb, und wenn zugleich ein Quotient aus dem Verdichtungsverhältnis des Kompressors und des Turboladers größer ist als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert für leckagefreien Betrieb.

Demgegenüber wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Leckage in einem Ladeluftpfad zwischen dem Kompressor und dem Turbolader diagnostiziert, wenn im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb der Modellmassenstrom größer ist als der Luftmassenfluss, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis des Kompressors gleich oder kleiner als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteten Wert für leckagefreien Betrieb ist, und wenn zugleich ein Quotient aus dem Verdichtungsverhältnis des Kompressors und des Turboladers kleiner ist als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert für leckagefreien Betrieb.

Eine Leckage im Abgaspfad oder ein Schließfehler des Turbinenbypassventils wird hingegen diagnostiziert, wenn der Luftmassenfluss dem Modellmassenstrom entspricht, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis des Turboladers kleiner ist als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert für leckagefreien Betrieb, und wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis des Kompressors größer ist als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert für leckagefreien Betrieb.

Wenn darüber hinaus als weitere Randbedingung auch die Ladedruckregelabweichung einbezogen wird, kann in allen zuvor genannten Fällen zudem zwischen einer Großleckage und einer Kleinleckage unterschieden werden, da im Gegensatz zu einer Kleinleckage bei einer Großleckage die Ladedruckregelabweichung größer ist als null. In dieser Patentanmeldung wird an verschiedenen Stellen zwischen einer Kleinleckage und einer Großleckage unterschieden. Alternativ ist es jeweils jedoch auch möglich, diese Unterscheidung nicht vorzunehmen, sodass das zur Kleinleckage Gesagte auch für die Großleckage gilt und umgekehrt.

Der zum Vergleich herangezogene Modellmassenstrom wird zweckmäßig als Differenz eines Modellmassenstroms durch den Kompressor und eines Modellmassenstroms durch eine in einem Bypass des Kompressors angeordnete Kompressorregelklappe berechnet, welche zur Regelung des geförderten Massenstroms im Betriebsbereich des Kompressors dient und die Einstellung eines gewünschten Solldrucks vor dem Abgasturbolader gestattet.

Während sich der Modellmassenstrom durch die Kompressorregelklappe aus einem Anstellwinkel dieser Regelklappe berechnen lässt, wird der Modellmassenstrom durch den Kompressor aus dessen Drehzahl und einem drehzahlabhängigen Verdichtungsverhältnis des Kompressors berechnet, aus dem sich über ein Kennfeld ein Volumenstrom durch den Kompressor und aus diesem Volumenstrom anhand des Drucks vor dem Kompressor der Massenstrom durch den Kompressor errechnen lässt.

Wenn das Verdichtungsverhältnis des Turboladers anders als bei den zuvor beschriebenen Fällen größer ist als ein entsprechender, aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert für leckagefreien Betrieb, zeigt dies einen Überladefehler oder eine Leckage infolge eines Öffnungsfehlers des Turbinenbypassventils an.

Eine weitere Erfindungsalternative für den reinen Turboladerbetrieb sieht vor, dass mit Hilfe von Drucksensoren mindestens ein Druck vor und hinter dem Turbolader gemessen wird und dass unter Zugrundlegung der gemessenen Drücke ein Verdichtungsverhältnis des Turboladers ermittelt und mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Verdichtungsverhältnis des Turboladers für leckagefreien Betrieb verglichen wird.

In diesem Fall wird eine Leckage im Ladeluftpfad zwischen dem Turbolader und dem Verbrennungsmotor oder eine Leckage in einem Abgaspfad bzw. ein Schließfehler des Turbinenbypassventils diagnostiziert, wenn das Verdichtungsverhältnis des Turboladers gleich oder kleiner ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis des Turboladers für leckagefreien Betrieb, und wenn zugleich ein Testverhältnis des Turbinenbypassventils größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Testverhältnis des Turbinenbypassventils für leckagefreien Betrieb.

Da im reinen Turboladerbetrieb eine Leckage im Ladeluftpfad zwischen dem Turbolader und dem Verbrennungsmotor nicht von einem Fehler infolge einer Leckage im Abgaspfad bzw. einem Schließfehler des Turbinenbypassventils unterschieden werden kann, wird in diesem Fall vorzugsweise ein Fehlerbit gesetzt, um im nachfolgenden kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb eine genaue Zuordnung des Fehlers zur Ladeluft- bzw. Abgasseite zu ermöglichen.

Auch in diesem Fall kann durch Betrachtung der Ladedruckregelabweichung zwischen einer Großleckage und einer Kleinleckage unterschieden werden.

Weiter wird im reinen Turboladerbetrieb eine Leckage infolge eines Öffnungsfehlers des Turbinenbypassventils oder ein Überladefehler diagnostiziert, wenn das Verdichtungsverhältnis des Turboladers größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis des Turboladers für leckagefreien Betrieb.

Eine Leckage im Saugrohr lässt sich im aufgeladenen Betrieb nicht von einer Leckage im Druckrohr unterscheiden, jedoch überschreitet in einem solchen Fall im nicht-aufgeladenen Betrieb der Druck im Saugrohr ein Diagnosekennfeld dieses Drucks für leckagefreien Betrieb, so dass sich in diesem Betriebsbereich Leckagen im Saug- und Druckrohr differenzieren lassen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1: eine schematische Darstellung eines Ladeluft- und Abgassystems eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader und einem zusätzlich vorgeschalteten mechanischen Kompressor;
2, 3 und 4: Reaktionen des Systems aus 1 bei einer Leckage vor der Drosselklappe bei unterschiedlichen Drehzahlen im reinen Turboladerbetrieb bzw. im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb;
5: ein Fehlerdiagramm für mögliche Fehler bei der Ladedruckregelung;
6: ein beispielhaftes Kennfeld für ein stationäres Verdichtungsverhältnis des Turboladers und den Motormassenstrom bei fehlerfreiem Betrieb;
7: eine Darstellung der Freigabezeiten für die Fehlerdiagnose im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb.
Das in 1 dargestellte Ladeluft- und Abgassystem 1 umfasst im Wesentlichen einen Verbrennungsmotor 2, einen Abgasturbolader (ATL) 3, bestehend aus einer im Abgaspfad des Verbrennungsmotors 2 angeordneten, vom Abgas angetriebenen Turbine 4 und einem von der Turbine 4 angetriebenen Verdichter 5 im Ladeluftpfad des Verbrennungsmotors 2, einen vor dem Verdichter 5 des Turboladers 3 angeordneten und mit diesem in Reihe geschalteten mechanischen Kompressor 6, der den Turbolader 3 in bestimmten Betriebszuständen unterstützt, einen vor dem Kompressor 6 angeordneten Luftfilter 7, sowie einen zwischen dem Verdichter 5 und einer Drosselklappe 8 des Motors 2 angeordneten Ladeluftkühler 9. Darüber hinaus weist der Kompressor 6 einen Kompressorbypass 10 mit einer Regelklappe 11 auf, während der Verdichter 5 einen Verdichterbypass 12 mit einem Schubumluftventil 13 und die Turbine 4 einen Turbinenbypass 14 mit einem Wastegate- oder Turbinenbypassventil 15 aufweist, von denen das letztere zur Regelung des Ladedrucks dient und von einem vor der Drosselklappe 8 angeordneten Drucksensor 16 über eine Steuerleitung 17 mit dem Ladedruck des Verdichters 5 als Steuerdruck beaufschlagt wird. Über ein in der Steuerleitung 17 verbautes Taktventil (nicht dargestellt) lässt sich der Steuerdruck des Turbinenbypassventils 15 gezielt verkleinern und somit der Massenstrom durch die Turbine 4 erhöhen. In den Betriebszuständen, in denen der mechanische Kompressor 6 zugeschaltet ist, d.h. im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb, wird die Regelung des geförderten Massenstroms durch Verstellung der Regelklappe 11 realisiert, um den gewünschten Solldruck vor dem Verdichter 5 des Turboladers 3 einzustellen.
Zur Diagnose von Fehlern bei der Ladedruckregelung sind neben einem Drucksensor (nicht dargestellt) zur Messung des Umgebungsdrucks pu zwei weitere Drucksensoren 18, 19 im Bereich des Saugrohrs 20 des Verbrennungsmotors 2 bzw. zwischen dem Kompressor 6 und dem Verdichter 5 vorgesehen, die jeweils mit einem Motorsteuergerät 21 des Verbrennungsmotors 2 verbunden sind. Im Motorsteuergerät 21 wird unter Heranziehung weiterer bekannter Größen, wie der Motordrehzahl nmot und der relativen Füllung rl, aus den von den Drucksensoren 16, 18, 19 gemessenen aktuellen Drücken pvdkdsx, ps und pvtldsx sowie dem Umgebungsdruck pu das jeweilige Verdichtungsverhältnis Π_verd und Π_komp des Verdichters 5 und des Kompressors 6 sowie ein jeweiliger Luftmassenfluss ml zwischen dem Kompressor 6 und dem Verdichter 5 ermittelt. Alternativ zum Vergleich der Verdichterverhältnisse des Verdichters und des Kompressors mit den modellierten Verdichterverhältnissen, kann auch ein Vergleich mit den im Motorsteuergerät abgelegten Kennfeldern erfolgen. Gleiches gilt für entsprechende nachfolgende Betrachtungen. Weiter sind im Motorsteuergerät 21 Kennfelder für das Verdichtungsverhältnis KF_verd und KF_komp des Verdichters 5 bzw. des Kompressors 6 bei fehlerfreiem Betrieb abgelegt, wie beispielhaft in 6 dargestellt, die zusammen mit dem Testverhältnis ldtvm des Turbinenbypassventils 15 und einer Ladedruckregelabweichung dpvdk sowie den ermittelten Verdichtungsverhältnissen Π_verd und Π_komp bzw. den von den Drucksensoren 16, 18, 19 gemessenen Drücken pvdkdsx, ps und pvtldsx und dem Umgebungsdruck pu ebenfalls zur Diagnose von Fehlern bei der Ladedruckregelung herangezogen werden.
Von den in 5 angegebenen möglichen Ladedruckregelungs- oder LDR-Fehlern sind mit dem nachfolgend beschriebenen Diagnoseverfahren die folgenden Fehler diagnostizierbar bzw. lokalisierbar:

A: Leckage im Luftpfad vor der Drosselklappe
B: Leckage im Abgaspfad bzw. Schließfehler Turbinenbypassventil
C: Leckage im Luftpfad zwischen Kompressor und Turbolader
D: Leckage durch Öffnungsfehler Turbinenbypassventil bzw. Überladefehler

Der Fehler E bezeichnet eine Leckage im Schubumluftventil 13 und ist mit dem beschriebenen Verfahren nicht diagnostizierbar.
Kritische Fälle sind vor allem Volllast in großer Flöhe mit plötzlichem Druckabfall, zum Beispiel durch Abfallen einer Schlauchleitung und ein schleichender Übergang von der Kleinleckage (MIN) zur Großleckage (MAX) ebenfalls unter Höheneinfluss.
Die 2 bis 4 zeigen beispielhaft die Systemreaktion bei einem durch eine Leckage im Ladeluftpfad vor der Drosselklappe 8 ausgelösten Fehler (Fehler A) für ausgewählte Lastpunkte. Zur Aufnahme der in diesen Figuren dargestellten Kurven wurde an einem Motorenprüfstand Messungen für den gesamten Lastbereich mit und ohne Kompressor 6 durchgeführt, wobei über das Schubumluftventil 13 mit einem zusätzlichen, extern ansteuerbaren Ventil (in 1 nicht dargestellt) gezielt eine Leckage vor der Drosselklappe 8 erzeugt wurde. Die Leckluft wurde dabei nicht in die Ansaugstrecke zurückgeführt. In den 2 bis 4 gibt das Signal U-Poti (Kurve F) den Öffnungszustand des Leckageventils an (4,2 V = geschlossen, 0,5 V = offen) und ist somit ein Maß für die größer werdende Leckage.
Wie man aus den 2 und 3 entnehmen kann, wird im reinen Turboladerbetrieb ohne den mechanischen Kompressor 6 das Turbinenbypassventil 15 durch die Ladedruckregelung geschlossen (ldtvm). Der steigende Massenstrom durch den Turbolader 3 gleicht dann die Leckage aus, so dass der Ladedruck pvdkdsx_w und der Motormassenstrom mmotor_w gehalten werden können. Dieser Bereich lässt sich als Kleinleckage charakterisieren.
Sobald das Stellsignal des Turbinenbypassventils 15 voll aufgesteuert ist, kann die Verdichterleistung zur Erhöhung des Turbolader-Massenstroms nicht weiter vergrößert werden. Infolgedessen verringert sich bei zunehmender Leckage der Ladedruck pvdkdsx_w, die relative Füllung rl, sowie der Motormassenstrom mmotor_w und damit der Abgasmassenstrom, was durch die Rückkopplung über die Turbine 4 wiederum zu einer Verkleinerung der Verdichterleistung führt. Dadurch kommt es zu einer bleibenden Regelabweichung des Ladedrucks. Sobald das Turbinenbypassventil 15 vollständig geschlossen ist, lässt sich der Ladedruckregelfehler als Großleckage kennzeichnen.
Wenn bei Arbeitspunkten mit geringer Motordrehzahl und hoher Last zusätzlich der mechanische Kompressor 6 aktiv ist, gleicht dieser eine eventuelle Leckage aus und hält somit den Ladedruck pvdkdsx_w konstant, wie in 4 dargestellt. Die Stellgröße, der Anstellwinkel (wkrk) der Regelklappe 11 im Kompressor-Bypass 10 verringert sich dabei bis zu einem Minimum, bei dem der gesamte, vom Kompressor 6 geförderte Massenstrom dem Verdichter 5 zugeführt wird. Wie in 2 und 3 dargestellt, können der Ladedruck pvdkdsx_w und der Motormassenstrom mmotor_w bis zum Ende des Stellbereichs konstant gehalten werden. Wenn die Leckage vor der Drosselklappe 8 noch größer wird, kommt es wie oben zu einer Regelabweichung des Ladedrucks pvdkdsx_w, so dass sich auch hier Groß- und Kleinleckagen in dieser Hinsicht unterscheiden.
Das Erreichen einer kritischen Turbolader-Drehzahl atldrz ist im Bereich einer Kleinleckage bei kleinen Massenströmen durch das Turbinenbypassventil 15 möglich, da bei geschlossenem Ventil 15 der maximale Abgasstrom für den Antrieb des Verdichters 5 zur Verfügung steht. Liegt hingegen eine Großleckage vor, dann ist der Turbinenmassenstrom aufgrund der Rückkopplung über die Füllung rl und den Motormassenstrom mmotor_w geringer als bei einer Kleinleckage.
Mögliche Fehler, die zum Auslösen einer Diagnose führen sollen, sind in Tabelle 1 aufgeführt, in welcher Tabelle der oben beschriebene und bereits am Motorenprüfstand untersuchte Fehler zusammen mit seinen Auswirkungen, dem Endzustand und dem Diagnoseansatz unter Ziffer A beschrieben ist.
In Tabelle 1 sind in Fettschrift Modellgrößen angegeben, die sich im Fehlerfall ggf. von den aktuellen Größen unterscheiden und daher zur Diagnose herangezogen werden können. Der Index a bezeichnet immer einen Anfangszustand, während der Index e einen Endzustand bezeichnet. Der Index dsx bezeichnet einen mittels eines Drucksensors ermittelten Druck, während KF die Bezeichnung für ein Kennfeld mit fehlerfreien IO-Werten der physikalischen Größen für den Motorlastbereich ist. Der Index m bezeichnet eine im Motorsteuergerät modellierte Größe. Diese Kennfelder KF werden in Abhängigkeit von der Motordrehzahl nmot und der relativen Füllung rl bestimmt, weil der Ladedruckaufbau auf den zu- und abfließenden Massenströmen beruht, die wiederum von der relativen Füllung rl und der Motordrehzahl nmot bestimmt werden. Die Bedeutung der übrigen Größen ist in der beigefügten Bezugszeichenliste angegeben.
Unter Ziffer B wird ein Fehler durch eine Leckage auf der Abgasseite, zum Beispiel einen Krümmerriss, oder durch ein nicht schließendes Turbinenbypassventil 15 zusammen mit seinen Auswirkungen, dem Endzustand und dem Diagnoseansatz beschrieben. Der Fehler B führt im reinen Turboladerbetrieb zu denselben Systemreaktionen wie eine Leckage auf der Ladeluftseite zwischen dem Verdichter 5 und dem Verbrennungsmotor 2, so dass in diesem Betriebszustand eine Unterscheidung nicht möglich ist.
Unter Ziffer C ist eine Leckage auf der Ladeluftseite vor dem Verdichter 5 beschrieben. Da im reinen Turboladerbetrieb vor dem Verdichter 5 ein Unterdruck herrscht, kann der Fehler C nur im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb erkannt werden.
Ziffer D beschreibt einen Fehler, der durch ein nicht öffnendes Turbinenbypassventil 15 verursacht wird, zum Beispiel infolge eines Steuerschlauchabfalls an der Druckdose des Ventils 15. Weil das Ventil 15 im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb geschlossen ist, um das gesamte Verdichtungspotential des Turboladers 3 auszunutzen, wird dieser Fehler erst im nachfolgenden reinen Turboladerbetrieb ersichtlich.
Kritische Betriebszustände bezüglich der Drehzahl des Turboladers 3 können durch die vorgenannten Fehler A und D hervorgerufen werden, da diese Fehler zu einer Vergrößerung des Turbinenmassenstroms führen. Im Fall des Fehlers A ist bei niedrigem Umgebungsdruck pu und hohen Lufttemperaturen im Übergang von einer Kleinleckage zu einer Großleckage eine stark ansteigende Turboladerdrehzahl zu erwarten. Kommt es hingegen zu einem plötzlichen Auftreten einer Großleckage, zum Beispiel infolge eines Schlauchabfalls am Ladedruckrohr, ist nicht mit einer Überschreitung der kritischen Lederdrehzahl zu rechnen, da der nutzbare Abgasmassenstrom sofort absinkt und somit die Turbinenleistung nicht vergrößert werden kann. Unter den gerade beschriebenen Umgebungsbedingungen kann es im Fall des Fehlers D infolge eines Hindurchtritts des gesamten Abgasmassenstroms durch die Turbine 4 ebenfalls zu einer Überschreitung der zulässigen Drehzahl des Turboladers 3 kommen.
Eine Diagnose der zuvor genannten Fehler A, B, C und D einschließlich einer Eingrenzung der jeweiligen Fehlerart, zum Beispiel Leckage oder Öffnungsfehler des Turbinenbypassventils 15 bzw. Überladefehler und einer Lokalisierung des Fehlers, zum Beispiel ladeluftseitig zwischen dem Kompressor 6 und dem Verdichter 5, ladeluftseitig vor der Drosselklappe 8 oder abgasseitig, wird ermöglicht, indem die von den Drucksensoren 16, 18, 19 gemessenen Drücke bzw. anhand dieser Drücke ermittelte Luftmassenflüsse mit modellierten Drücken bzw. mit Modellmassenströmen für entsprechende leckagefreie Betriebszustände verglichen werden.
Zur Ermittlung der Modellmassenströme werden auf einem Motorenprüfstand über den gesamten Lastbereich Messungen mit und ohne Kompressor 6 durchgeführt, wobei mittels einer drucksensorgeführten Füllungserfassung aus den von den Drucksensoren 18, 18, 19 gemessenen Drücken pvdkdsx, ps und pvtldsx sowie dem Umgebungsdruck pu unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung die gewünschten Massenströme modelliert werden.
Insbesondere wird zur Diagnose im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb zum einen aus den tatsächlich gemessenen Drücken ein Luftmassenfluss ml zwischen dem Kompressor 6 und dem Verdichter 5 ermittelt und mit einem einsprechenden Modellmassenstrom mkompatl vom Kompressor 6 zum Verdichter 5 verglichen. Zum anderen werden aus den tatsächlich gemessenen Drücken pvdkdsx, ps, pvtldsx und pu die Verdichtungsverhältnisse Π_verd und Π_komp des Verdichters 5 und des Kompressors 6 berechnet, die zur Diagnose mit entsprechenden aus Kennfeldern abgeleiteten Verdichtungsverhältnissen KF_verd bzw. KF_komp beziehungsweise mit den modellierten Verdichtungsverhältnissen für den fehlerfreien Betrieb verglichen werden.
Zur Diagnose im reinen Turboladerbetrieb wird aus den tatsächlich gemessenen Drücken pvtldsx und pvdkdsx ein Verdichtungsverhältnis Π_verd des Turboladers 3 ermittelt und mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Verdichtungsverhältnis Π_komp des Turboladers 3 beziehungsweise mit dem modellierten Verdichtungsverhältnis für den fehlerfreien Betrieb verglichen.
Tabelle 2 zeigt die diagnostizierbaren Fehler und die zugehörigen Diagnosekriterien Tabelle 2
Wie in Tabelle 2 dargestellt, wird ein Fehler A im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb (ATL + Komp.) diagnostiziert, wenn der Modellmassenstrom mkompatl vom Kompressor 6 zum Verdichter 5 größer ist als der ermittelte Luftmassenfluss ml zwischen dem Kompressor 6 und dem Verdichter 5, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis Π_verd des Turboladers 3 kleiner ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis KF_verd des Turboladers 3 oder kleiner ist als ein modelliertes Verdichterverhältnis Π_verdm des Turboladers 3 für fehlerfreien Betrieb, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis Π_komp des Kompressors 6 größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis KF_komp des Kompressors 6 oder kleiner ist als ein modelliertes Verdichtungsverhältnis Π_kompm des Kompressors 6 für fehlerfreien Betrieb, und wenn zugleich ein Quotient Π_komp/Π_verd des Verdichtungsverhältnisses Π_komp des Kompressors 6 und des Verdichtungsverhältnisses Π_verd des Turboladers 3 größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert dieses Quotienten KF_{Πkomp/Πverd} bei fehlerfreiem Betrieb, der von der Motordrehzahl (nmot) und der zeitlichen Änderung der Motordrehzahl (dnmot/dt) abhängig ist.
Ein Fehler B im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb wird hingegen diagnostiziert, wenn der Luftmassenfluss ml dem Modellmassenstrom mkompatl entspricht, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis Π_verd des Turboladers 3 kleiner ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis KF_verd des Turboladers 3 oder kleiner ist als ein modelliertes Verdichterverhältnis Π_verdm des Turboladers 3 für fehlerfreien Betrieb, und wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis Π_komp des Kompressors 6 größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis KF_komp des Kompressors 6 oder größer ist als ein modelliertes Verdichterverhältnis Π_kompm des Kompressors 6 für fehlerfreien Betrieb.
Demgegenüber wird ein Fehler C diagnostiziert, wenn der berechnete Modellmassenstrom mkompatl größer ist als der ermittelte Luftmassenfluss ml, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis Π_komp/Π_verd des Kompressors 6 gleich oder kleiner als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis KF_komp des Kompressors 6 oder kleiner ist als ein modelliertes Verdichtungsverhältnis Π_kompm des Kompressors 6 für fehlerfreien Betrieb ist, und wenn zugleich ein Quotient Π_komp/Π_verd des Verdichtungsverhältnisses Π_komp des Kompressors 6 und des Verdichtungsverhältnisses Π_verd des Turboladers 3 größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert dieses Quotienten KF_{Πkomp/Πverd} für fehlerfreien Betrieb, der wiederum von der Motordrehzahl (nmot) und der zeitlichen Änderung der Motordrehzahl (dnmot/dt) abhängig ist.
In allen drei Fällen kann darüber hinaus eine Großleckage diagnostiziert werden, wenn die Ladedruckregelabweichung dpvdk größer ist als null, während sich bei einer Kleinleckage keine Ladedruckregelabweichung zeigt.
Im reinen Turboladerbetrieb (ATL) kann ein Fehler A oder B diagnostiziert werden, wenn das Tastverhältnis ldtvm des Turbinenbypassventils 15 größer als ein aus einem Kennfeld abgeleiteter Wert KF_ldtvm, dieses Tastverhältnisses für fehlerfreien Betrieb und wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis Π_verd des Turboladers 3 gleich oder kleiner als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis KF_verd des Turboladers 3 oder kleiner als ein modelliertes Verdichtungsverhältnis Π_verdm des Turboladers 3 für fehlerfreien Betrieb ist.
Da sich die Fehler A und B im reinen Turboladerbetrieb nicht unterscheiden lassen, wird ein Fehlerbit gesetzt und ggf. eine Ersatzmaßnahme eingeleitet. Während des nachfolgenden kombinierten Turbolader- und Kompressorbetriebs kann dann eine genaue Zuordnung des Fehlers zur Ladeluft- bzw. Abgasseite erfolgen.
Während der Fehler C im reinen Turboladerbetrieb nicht auftritt, kann der Fehler D diagnostiziert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis Π_verd des Turboladers 3 größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis KF_verd des Turboladers 3 oder größer als ein modelliertes Verdichtungsverhältnis Π_verdm des Turboladers 3 für fehlerfreien Betrieb.
Aus den 7 lässt sich entnehmen, dass die zuvor beschriebenen Fehlerdiagnosen im reinen Turboladerbetrieb sowie im kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb sowohl während des Druckaufbaus als auch während eines druckstationären Betriebs möglich sind, nicht jedoch in einem Übergangszustand zwischen diesen beiden Betriebszuständen, so dass in diesem Übergangszustand eine LDR-Diagnose vom Motorsteuergerät 21 nicht freigegeben wird.
Mit den zuvor genannten Diagnoseverfahren lässt sich zwar eine Leckage im Saugrohr im aufgeladenen Betrieb nicht von einer Leckage im Druckrohr unterscheiden. Im nicht aufgeladenen Betrieb überschreitet jedoch der Saugrohrdruck entsprechende Werte aus einem in der Motorsteuerung abgelegten Kennfeld des Saugrohrdrucks, so dass sich mit diesem Kriterium nach einem Übergang in einen nicht-aufgeladenen Betriebszustand Leckagen im Saugrohr bzw. im Druckrohr differenzieren lassen.
Wenn eine Aufladung mit Vorspannung vorgesehen ist, d.h. ein erhöhter Ladedruck bei gleichzeitig angestellter Drosselklappe, ist eine Korrektur der Kennfelder erforderlich.

Claims

Diagnoseverfahren zur Erkennung von Fehlern bei der Ladedruckregelung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader, dessen Ladedruck durch ein hinter dem Verbrennungsmotor angeordnetes und mit dem Ladedruck als Steuerdruck beaufschlagtes Bypassventil einer Turbine des Abgasturboladers geregelt wird, sowie mit einem dem Abgasturbolader vorgeschalteten mechanischen Kompressor, dadurch gekennzeichnet, dass ein Saugrohrdruck (ps) des Verbrennungsmotors (2), ein Druck (pvtldsx) zwischen dem Kompressor (6) und einem Verdichter (5) des Turboladers (3), ein Druck (pvdkdsx) zwischen dem Verdichter (5) des Turboladers (3) und dem Verbrennungsmotor (2) gemessen werden, und dass zumindest ein Teil der gemessenen Drücke bzw. ein anhand dieser Drücke ermittelter Luftmassenfluss mit entsprechenden modellierten Drücken bzw. mit einem entsprechenden Modellmassenstrom bei fehlerfreiem Betrieb verglichen werden, die für einen entsprechenden Betriebszustand ermittelt worden sind.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für einen kombinierten Turbolader- und Kompressorbetrieb der Luftmassenfluss (ml) zwischen dem Kompressor (6) und dem Verdichter (5) mit einem entsprechenden Modellmassenstrom (mkompatl) vom Kompressor (6) zum Verdichter (5) bei fehlerfreiem Betrieb verglichen wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler im Ladeluftpfad des Verbrennungsmotors (2) diagnostiziert wird, wenn der Modellmassenstrom (mkompatl) größer ist als der ermittelte Luftmassenfluss (ml).
Diagnoseverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Drücken (pvtldsx, pvdkdsx) ein Verdichtungsverhältnis (Π_verd) des Turboladers (3) ermittelt und mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Verdichtungsverhältnis (KF_verd) des Turboladers (3) für einen entsprechenden Betriebszustand bei fehlerfreiem Betrieb verglichen wird.
Diagnoseverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Drücken ein Verdichtungsverhältnis (Π_komp) des Kompressors (6) ermittelt und mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Verdichtungsverhältnis (KF_komp) des Kompressors (6) für einen entsprechenden Betriebszustand bei fehlerfreiem Betrieb verglichen wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient (Π_komp/Π_verd) aus den ermittelten Verdichtungsverhältnissen (Π_komp, Π_verd) des Kompressors (6) und des Verdichters (5) mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Quotienten (KF_{Πkomp/Πverd}) dieser Verdichtungsverhältnisse bei fehlerfreiem Betrieb verglichen wird.
Diagnoseverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckage im Ladeluftpfad zwischen dem Verdichter (5) und dem Verbrennungsmotor (2) diagnostiziert wird, wenn der Modellmassenstrom (mkompatl) vom Kompressor (6) zum Verdichter (5) größer ist als der ermittelte Luftmassenfluss (ml) zwischen dem Kompressor (6) und dem Verdichter (5), wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis (Π_verd) des Turboladers (3) kleiner ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis (KF_verd) des Turboladers (3) bei fehlerfreiem Betrieb, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis (Π_komp) des Kompressors (6) größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis (KF_komp) des Kompressors (6) bei fehlerfreiem Betrieb, und wenn zugleich ein Quotient (Π_komp/Π_verd) aus dem Verdichtungsverhältnis (Π_komp) des Kompressors (6) und dem Verdichtungsverhältnis (Π_verd) des Turboladers (3) größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleiteter, von der Motordrehzahl (nmot) und der zeitlichen Änderung der Motordrehzahl (dnmot/dt) abhängiger Quotient (KF_{Πkomp/Πverd}) dieser Verdichtungsverhältnisse bei fehlerfreiem Betrieb.
Diagnoseverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckage in einem Ladeluftpfad zwischen dem Kompressor (6) und dem Verdichter (5) diagnostiziert wird, wenn der Modellmassenstrom (mkompatl) größer ist als der ermittelte Luftmassenfluss (ml), wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis (Π_komp) des Kompressors (6) gleich oder kleiner ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis (KF_komp) des Kompressors (6) bei fehlerfreiem Betrieb, und wenn zugleich ein Quotient (Π_komp/Π_verd) aus dem Verdichtungsverhältnis (Π_komp) des Kompressors (6) und dem Verdichtungsverhältnis (Πverd) des Turboladers (3) kleiner ist als ein aus einem Kennfeld abgeleiteter, von der Motordrehzahl (nmot) und der zeitlichen Änderung der Motordrehzahl (dnmot/dt) abhängiger Quotient (KF_{Πkomp/Πverd}) dieser Verdichtungsverhältnisse bei fehlerfreiem Betrieb.
Diagnoseverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckage in einem Abgaspfad bzw. ein Schließfehler des Turbinen-Bypassventils (15) diagnostiziert wird, wenn der Luftmassenfluss (ml) dem Modellmassenstrom (mkompatl) entspricht, wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis (Πverd) des Turboladers (3) kleiner ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis (KF_verd) des Turboladers (3) bei fehlerfreiem Betrieb, und wenn zugleich das Verdichtungsverhältnis (Π_komp) des Kompressors (6) größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis (KF_komp) des Kompressors (6) bei fehlerfreiem Betrieb.
Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Großleckage diagnostiziert wird, wenn zugleich eine Ladedruckregelabweichung (dpvdk) größer als null ist.
Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kleinleckage diagnostiziert wird, wenn zugleich eine Ladedruckregelabweichung (dpvdk) gleich null ist.
Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellmassenstrom (mkompatl) vom Kompressor (6) zum Turbolader (3) als Differenz eines Modellmassenstroms durch den Kompressor (6) und eines Modellmassenstroms durch eine in einem Bypass (10) des Kompressors (6) angeordnete Kompressorregelklappe (11) berechnet wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellmassenstrom durch den Kompressor (6) aus einer Drehzahl des Kompressors (6) und einem drehzahlabhängigen Verdichtungsverhältnis (Π_komp) des Kompressors (6) berechnet wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verdichtungsverhältnis (Π_komp) und einem Kennfeld ein Volumenstrom durch den Kompressor (6) berechnet wird, der unter Berücksichtigung eines Modelldrucks vor dem Kompressor (6) in einen Massenstrom umgerechnet wird.
Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellmassenstrom durch die Kompressorregelklappe (11) aus einem Anstellwinkel (wkrk) der Regelklappe (11) berechnet wird.
Diagnoseverfahren zur Erkennung von Fehlern bei der Ladedruckregelung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader, dessen Ladedruck durch ein hinter dem Verbrennungsmotor angeordnetes und mit dem Ladedruck als Steuerdruck beaufschlagtes Bypassventil einer Turbine des Abgasturboladers geregelt wird, sowie mit einem dem Abgasturbolader vorgeschalteten mechanischen Kompressor, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von Drucksensoren (16, 18, 19) mindestens ein Druck (pvtldsx, pvdkdsx) vor und hinter dem Verdichter (5) des Turboladers (3) gemessen wird, und dass für einen reinen Turboladerbetrieb aus den gemessenen Drücken (pvtldsx, pvdkdsx) ein Verdichtungsverhältnis (Π_verd) des Turboladers (3) ermittelt und mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Verdichtungsverhältnis (KF_verd) des Turboladers (3) bei fehlerfreiem Betrieb verglichen wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckage im Ladeluftpfad zwischen dem Verdichter (5) und dem Verbrennungsmotor (2) oder eine Leckage in einem Abgaspfad bzw. ein Schließfehler des Turbinen-Bypassventils (15) diagnostiziert wird, wenn das Verdichtungsverhältnis (Π_verd) des Turboladers (3) gleich oder kleiner ist als das aus dem Kennfeld abgeleitete Verdichtungsverhältnis (KF_komp) des Turboladers (3) bei fehlerfreiem Betrieb, und wenn zugleich ein Testverhältnis (ldtvm) des Turbinen-Bypassventils (15) größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Testverhältnis (KF_ldtvm) des Turbinen-Bypassventils (15) bei fehlerfreiem Betrieb.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Großleckage diagnostiziert wird, wenn zugleich eine Ladedruckregelabweichung (dpvdk) größer ist als null.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kleinleckage diagnostiziert wird, wenn zugleich eine Ladedruckregelabweichung (dpvdk) gleich null ist.
Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckage infolge eines Öffnungsfehlers des Turbinenbypassventils (15) oder ein Überladefehler diagnostiziert wird, wenn das Verdichtungsverhältnis (Π_verd) des Turboladers (3) größer ist als ein aus einem Kennfeld abgeleitetes Verdichtungsverhältnis (KF_verd) des Turboladers (3) bei fehlerfreiem Betrieb.