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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für gekoppelte Abgasturbolader in einem Verbrennungsmotor, sowie ein Diagnosesystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens.
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Als Abgasturbolader sind im Stand der Technik Nebenaggregate des Verbrennungsmotors bekannt, anhand derer eine Verdichtung der dem Brennraum zugeführten Luft zur Leistungs- oder Effizienzsteigerung des Motors erreicht werden kann. Dabei wird ein Teil der Energie des Motorabgases mittels einer Turbine und einem Verdichter genutzt, um eine größere Luftmenge in den Zylinder einströmen zu lassen. Die Turbine entzieht dabei dem Abgasmassenstrom Energie, welche im Verdichter zur Erhöhung des Frischluftmassenstroms verwendet wird.
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Dabei sind beispielsweise Ausführungsformen von Motoren mit mehreren Zylinderbänken bekannt, bei denen pro Zylinderbank ein Abgasturbolader verwendet wird. Dementsprechend ist ein erster Verdichter vorgesehen, welcher Luft in ein erstes Ladeluftsystem verdichtet. Über eine erste Drosselklappe gelangt die verdichtete Luft je nach Bedarf in einen ersten Ansaugkrümmer der ersten Zylinderbank. Gleichzeitig ist ein zweiter Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter vorgesehen, der Luft in ein zweites Ladeluftsystem verdichtet, von wo sie über eine zweite Drosselklappe in den zweiten Ansaugkrümmer und die zweite Zylinderbank gelangt. In manchen Systemen sind die Ladeluftsysteme und damit die Abgasturbolader miteinander über ein Druckausgleichselement gekoppelt, sodass ein Druckausgleich der Ladedrücke in den Ladeluftsystemen zwischen den Verdichtern und den Drosselklappen vorgenommen werden kann. Im Rahmen der Erfindung wird also von gekoppelten Abgasturboladern gesprochen, wenn zwischen den Ladeluftsystemen ein Druckausgleich vorgenommen werden kann.
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Ist einer der beiden Abgasturbolader entweder auf der Abgasseite oder der Frischluftseite, beispielsweise durch eine Leckage oder ähnliches, beschädigt, kann dieser Abgasturbolader nicht mehr die volle Leistung aufbringen, wodurch der Ladedruck in der entsprechenden Zylinderbank absinkt. Bei geringen Beschädigungen wird durch die Kopplung der beiden Ladeluftsysteme der Leistungsausfall des einen Abgasturboladers durch den anderen Abgasturbolader kompensiert. Dabei läuft dementsprechend der Verdichter des funktionierenden Abgasturboladers mit einer höheren Leistung, um den gleichen Ladedruck in den Ladeluftsystemen bereitzustellen.
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Dies hat zwar den vorteilhaften Effekt, dass dadurch ein Leistungsabfall verhindert oder zumindest reduziert werden kann, allerdings auch zur Folge, dass der unbeschädigte Abgasturbolader bzw. dessen Verdichter droht in Überlast zu laufen, wodurch stärkere Beschädigungen entstehen können. Der Defekt eines Abgasturboladers, durch den dieser nicht mehr seine im Normalbetrieb zur Verfügung stehende Leistung erbringen kann, sollte somit von einem Diagnosesystem erfasst werden, um größere Schäden durch einen dauerhaften Überlastbetrieb, ausschließen zu können.
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Aus dem Patentdokument
DE 10 2020 134 030 A1 ist ein Diagnosesystem für ein Zweibankverbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader bekannt, anhand dessen die Funktion eines Sekundärluftsystems überwacht und entsprechend gesteuert werden kann. Dazu sind in dem Sekundärluftsystem Drucksensoren verbaut.
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Das Patentdokument
US 2007 / 0 163 258 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit zwei parallel angeordneten Einsaugkanälen. Dabei werden in beiden Einsaugkanälen die Mengen eingesaugter Luft gemessen und miteinander verglichen. Dadurch können Abnormalitäten bei der Luftversorgung erfasst werden.
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Aus dem Patentdokument
DE 196 15 033 A1 ist ein System zur Erfassung von Drehzahlabweichungen zwischen zwei Abgasturboladern einer aus zwei getrennten Zylinderbänken bestehenden Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine Vorrichtung, die die Differenz zwischen den in den beiden Abgastrakten der beiden Zylinderbänken vor den Abgasturbinen vorherrschenden Drücke ermittelt und eine relevante Drehzahlabweichung signalisiert, wenn ein Schwellwert überschritten wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor dem geschilderten Hintergrund des Stands der Technik ein alternatives Diagnoseverfahren für gekoppelte Abgasturbolader in einem Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei Zylinderbänken, sowie ein Diagnosesystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind dabei in den Unteransprüchen offenbart. Es wird and dieser Stelle darauf hingewiesen, dass vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Diagnosesystems auch als Offenbarungen von vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens zu verstehen sind, auch wenn die Formulierung der Beschreibung der vorteilhaften Ausführungsform auf ein System und nicht auf ein Verfahren gerichtet ist. Somit offenbaren als Vorrichtungsmerkmale formulierte Ausgestaltungen der Erfindung auch Verfahrensmerkmale einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Gleiche gilt umgekehrt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren für gekoppelte Abgasturbolader in einem Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei Zylinderbänken wird ein erster Ladedruck in einem ersten Ladeluftsystem eines ersten Abgasturboladers vor einer ersten Drosselklappe, welche zu einem ersten Ansaugkrümmer einer ersten Zylinderbank führt, und ein zweiter Ladedruck in einem zweiten Ladeluftsystem eines zweiten Abgasturboladers vor einer zweiten Drosselklappe, welche zu einem zweiten Ansaugkrümmer einer zweiten Zylinderbank führt, vorzugsweise unabhängig voneinander gemessen. Anschließend wird eine Abweichung zwischen dem ersten Ladedruck und dem zweiten Ladedruck ermittelt. Dabei erfolgt die Ermittlung der Abweichung durch eine Differenzbildung der beiden Ladedrücke. Diese werden, insbesondere durch entsprechende Drucksensoren in den Ladeluftsystemen, vorzugsweise kontinuierlich über die Zeit gemessen, sodass entsprechende Verläufe erfasst werden. Die Ermittlung der Abweichung erfolgt stets zu einem bestimmten Zeitpunkt, sodass nicht Werte der Ladedrücke unterschiedlicher Zeitpunkte zur Ermittlung der Abweichung herangezogen werden.
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Ferner wird die ermittelte Abweichung gegen eine definierte Fehlerschwelle verglichen und eine Fehlermeldung ausgegeben, wenn die Abweichung der beiden Ladedrücke größer ist als die Fehlerschwelle. In anderen Worten: es wird zunächst eine Differenz zwischen den Ladedrücken gebildet und somit die Abweichung des ersten Ladedrucks zum zweiten Ladedruck ermittelt. Ist diese Differenz größer oder kleiner als ein als Fehlerschwelle definierter Wert der Abweichung, so wird ein entsprechender Fehler ausgegeben. Die Fehlerschwelle beschreibt somit eine maximal erlaubte Abweichung zwischen erstem Ladedruck und zweitem Ladedruck.
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Anhand des Diagnoseverfahrens ist es somit einfach möglich zu diagnostizieren, wenn es in einem der beiden Abgasturbolader, entweder auf der Abgasseite oder der Frischluftseite zu einem Fehler kommt, und somit der Verdichter nicht den entsprechend notwendigen Druck erzeugen kann. Auch wenn die verminderte Leistungsfähigkeit des Abgasturboladers im Falle eines Fehlers von dem anderen Abgasturbolader unter Umständen übergangsweise aufgefangen werden kann, ist der Fehler diagnostizierbar und kann somit durch eine entsprechende Wartung behoben werden. Durch die rechtzeitige Wartung wird das Risiko einer Überlastung des funktionierenden Abgasturboladers verringert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fehlerschwelle in Abhängigkeit eines Ladeluftmassenstroms, einer Motordrehzahl und/oder eines Druckverhältnisses, welches die Drosselklappen einstellen sollen, ermittelt. Auf diese Weise kann die Fehlerschwelle an den entsprechenden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors angepasst werden, da es in unterschiedlichen Betriebspunkten auch ohne Defekt einer der Abgasturbolader zu unterschiedlichen Abweichungen zwischen dem ersten Ladedruck und dem zweiten Ladedruck kommen kann. Die Diagnose kann somit verbessert werden.
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Vorzugsweise erfolgt das Messen der Ladedrücke im jeweiligen Ladeluftsystem in Strömungsrichtung der Ladeluft zwischen einem Druckausgleichselement und der entsprechenden Drosselklappe. Somit wird der Ladedruck kurz vor der Drosselklappe entnommen. Das dazu verwendete vorzugsweise von einem Sensor erfasste Signal kann das identische Signal sein, welches zur Regelung der Drosselklappe eingesetzt wird. Auf diese Weise muss lediglich ein Sensor im ersten Ladeluftsystem und ein Sensor im zweiten Ladeluftsystem eingesetzt werden, wodurch Anzahl der Teile und damit Anschaffungs- und Fertigungskosten gesenkt werden können.
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In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Messen der Ladedrücke im jeweiligen Ladeluftsystem in Strömungsrichtung der Ladeluft vor einem Druckausgleichselement, also zwischen Druckausgleichselement und dem entsprechenden Verdichter. Dadurch kann ein Leistungsabfall eines Verdichters besonders schnell und präzise erfasst werden und somit eine besonders genaue Ladedruckdiagnose hergestellt werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Messung der Ladedrücke kontinuierlich. Alternativ dazu erfolgen die Messungen in festgelegten zeitlichen Abständen. Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Ausgabe eines Fehlers erst dann erfolgt, wenn die Abweichung zwischen den Ladedrücken über einen bestimmten Zeitraum oder über eine vorgegebene Anzahl an Messungen größer ist als die Fehlerschwelle. Auf diese Weise können Messfehler der Sensorik ignoriert werden und Fehldiagnosen verhindert werden.
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Das erfindungsgemäße Diagnosesystem ist dazu ausgebildet das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Es weist wenigstens einen ersten Sensor im ersten Ladeluftsystem des Verbrennungsmotors, dazu ausgebildet den Ladedruck im ersten Ladeluftsystem zu messen, und wenigstens einen zweiten Sensor im zweiten Ladeluftsystem des Verbrennungsmotors, dazu ausgebildet den Ladedruck im zweiten Ladeluftsystem zu messen, auf. Ferner ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, eine Abweichung der von den Sensoren gemessenen Ladedrücke zu ermitteln und gegen eine Fehlerschwelle zu vergleichen, wobei die Auswerteeinheit weiter dazu ausgebildet ist, einen Fehler über eine Ausgabeeinheit auszugeben, falls die Abweichung die Fehlerschwelle übersteigt.
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Die Fehlerschwelle kann dabei insbesondere für unterschiedliche Betriebspunkte fest vorgegeben sein und beispielsweise aus einem entsprechend hinterlegten Kennfeld herausgelesen werden oder aber von der Auswerteeinheit oder einer anderen dazu befähigten Einheit auf Basis einzelner Parameterwerte, wie beispielsweise einem Ladeluftmassenstrom, einer Motordrehzahl und/oder einem Druckverhältnis, das die Drosselklappen einstellen sollen, ermittelt werden. Ebenso ist eine fest vorgegebene Fehlerschwelle denkbar.
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Die Sensoren sind in ihrem entsprechenden Ladeluftsystemen vorzugsweise jeweils entweder zwischen einem Druckausgleichselement und der jeweiligen Drosselklappe oder zwischen dem Druckausgleichselement und dem jeweiligen Verdichter angeordnet. Vorzugsweise sind die Sensoren in den entsprechenden Ladeluftsystemen an analogen Stellen angeordnet, sodass die Vergleichbarkeit der beiden Sensorwerte möglichst genau gegeben ist. Ist somit in einer Ausführungsform der erste Sensor im ersten Ladeluftsystem in Strömungsrichtung der Ladeluft zwischen dem Druckausgleichselement und der ersten Drosselklappe angeordnet, ist vorzugsweise der zweite Sensor im zweiten Ladeluftsystem ebenfalls zwischen Druckausgleichselement und der zweiten Drosselklappe angeordnet. Ist hingegen in einer Ausführungsform der erste Sensor im ersten Ladeluftsystem in Strömungsrichtung der Ladeluft zwischen dem Druckausgleichselement und dem ersten Verdichter angeordnet, so ist vorzugsweise der zweite Sensor im zweiten Ladeluftsystem ebenfalls zwischen Druckausgleichselement und dem zweiten Verdichter angeordnet. Systeme mit mehreren Sensoren zur Ermittlung des Ladedrucks im ersten Ladeluftsystem und eines Ladedrucks im zweiten Ladeluftsystem sind ebenfalls denkbar.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 1, auf welchen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 1 mit einem ersten Abgasturbolader 10 und einem zweiten Abgasturbolader 20, wobei Abgasabschnitte der Abgasturbolader nicht dargestellt sind. Der erste Abgasturbolader 10 ist dabei einer ersten Zylinderbank 15 und der zweite Abgasturbolader 20 einer zweiten Zylinderbank 25 zugeordnet.
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Der erste Abgasturbolader 10 weist einen ersten Verdichter 11 auf, der Luft in ein erstes Ladeluftsystem verdichtet. Weiterhin weist der erste Abgasturbolader 10 eine erste Drosselklappe 13 auf, welche in dem ersten Ladeluftsystem verdichtete Luft bei Bedarf an einen ersten Ansaugkrümmer 14 abgibt, der mit den einzelnen Zylindern der ersten Zylinderbank 15 verbunden ist.
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Der zweite Abgasturbolader 20 weist einen zweiten Verdichter 21 auf, der Luft in ein zweites Ladeluftsystem verdichtet. Weiterhin weist der zweite Abgasturbolader 20 eine zweite Drosselklappe 23 auf, welche in dem zweiten Ladeluftsystem verdichtete Luft bei Bedarf an einen zweiten Ansaugkrümmer 24 abgibt, der mit den einzelnen Zylindern der zweiten Zylinderbank 25 verbunden ist.
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Weiterhin ist ein erster Drucksensor 12 im ersten Ladeluftsystem und ein zweiter Drucksensor 22 im zweiten Ladeluftsystem vorgesehen, um den entsprechenden Ladedruck in den Ladeluftsystemen zu erfassen.
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Zwischen den beiden Ladeluftsystemen ist ein Druckausgleichselement 30 in Form einer schmalen fluidischen Verbindung vorgesehen, welche die Funktion einer Drossel aufweist. Kommt es zu einem Fehler, beispielsweise in Form einer Leckage in einer der beiden Abgasturbolader, so kann der funktionsfähige andere Abgasturbolader die damit verbundenen Leistungseinbußen in einem bestimmten Rahmen ausgleichen, allerdings ist dazu ein Betrieb in einer höheren Last notwendig als im Normalbetrieb. Dabei kann der Fehler sowohl im Abgasteil eines Turboladers 10, 20 vorliegen, sodass der entsprechende Verdichter 11, 21 nicht mit der notwendigen Leistung versorgt werden kann, als auch im in 1 dargestellten Frischluftteil vorliegen, sodass an einer Stelle Druckluft entweicht und der Ladedruck nicht aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst werden die Ladedrücke in den entsprechenden Ladeluftsystemen durch die Sensoren 12, 22 erfasst. Dabei werden die Ladedrücke kontinuierlich über der Zeit Ladedruckverläufen erfasst oder in festgelegten Zeitabständen gemessen. Anschließend wird eine Abweichung zwischen dem ersten Ladedruck und dem zweiten Ladedruck ermittelt. Dies erfolgt durch die Differenzbildung zwischen erstem und zweitem Ladedruck. Die Abweichung wird dann gegen einen maximal zulässigen Wert der Abweichung, eine sogenannte Fehlerschwelle, verglichen.
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Ist der Wert der Abweichung zwischen erstem und zweitem Ladedruck größer als die Fehlerschwelle, so wird über eine Ausgabeeinheit ein Fehler an den Fahrer des Fahrzeugs ausgegeben. Dies kann beispielsweise über ein akustisches und/oder optisches Warnsignal im Kombiinstrument erfolgen.
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Die Fehlerschwelle wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Ladeluftmassenstrom, einer Motordrehzahl und/oder einem Druckverhältnis, das die Drosselklappen einstellen sollen, ermittelt. Somit kann eine dem Betriebspunkt des Motors angepasste Fehlerschwelle sichergestellt werden.
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Es ist im Rahmen der Erfindung ebenfalls denkbar, dass erst ein Fehler ausgegeben wird, wenn die Abweichung über eine festgelegte Zeit größer ist als die Fehlerschwelle oder bei einer bestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Messungen. Damit können beispielsweise einzelne Messfehler oder ähnliches im Diagnoseverfahren identifiziert werden und die Wahrscheinlichkeit einer Fehldiagnose verringert werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Messung der Ladedrücke in den Ladeluftsystemen mittels der beiden Drucksensoren 12, 22 kurz vor den Drosselklappen 13, 23. Somit können die erfassten Drucksignale ebenfalls zur Regelung der Drosselklappen 13, 23 eingesetzt werden und es müssen nicht zusätzliche Drucksensoren 12, 22 für das Diagnoseverfahren vorgesehen werden.
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Es sind allerdings ebenfalls Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen die Drucksensoren 12, 22 kurz nach den Verdichtern 11, 21 vorgesehen sind, um so die Leistungsfähigkeit der Verdichter 11, 21 bestmöglich beurteilen zu können.