DE102015203636B3 - A system and method for determining a local temperature of exhaust gas flowing in an exhaust conduit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System (1) zum Ermitteln einer lokalen Temperatur eines in einer Abgasleitung (2) strömenden Abgases, mit der das Abgas einer Turbine (3) eines Abgasturboladers (4) zuführbar ist. Um eine exaktere Erfassung der Temperatur eines einer Turbine (3) eines Abgasturboladers (4) zuführbaren Abgases zu ermöglichen, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das System (1) wenigstens zwei an der Abgasleitung (2) anordbare Drucksensoren (5), die bezüglich einer Strömungsrichtung (6) des in der Abgasleitung (2) strömenden Abgases in einem vorgegebenen Abstand hintereinander angeordnet und die jeweils zum Erfassen eines lokalen statischen Drucks und eines lokalen Gesamtdrucks in dem Abgas und zum Erzeugen von dem jeweilig erfassten lokalen statischen Druck und dem jeweilig erfassten lokalen Gesamtdruck entsprechenden Drucksignalen eingerichtet sind, und wenigstens eine signaltechnisch mit den Drucksensoren (5) verbindbare Elektronikeinheit (7) aufweist, die eingerichtet ist, die Drucksignale zu empfangen und aus den Drucksignalen und dem vorgegebenen Abstand der Drucksensoren (5) die lokale Temperatur des Abgases zu ermitteln.The invention relates to a system (1) for determining a local temperature of an exhaust gas flowing in an exhaust pipe (2), with which the exhaust gas can be supplied to a turbine (3) of an exhaust gas turbocharger (4). In order to enable a more accurate detection of the temperature of a turbine (3) of an exhaust gas turbocharger (4) supplied exhaust gas, the invention proposes that the system (1) at least two on the exhaust pipe (2) can be arranged pressure sensors (5), with respect a flow direction (6) of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe (2) arranged at a predetermined distance one behind the other and each for detecting a local static pressure and a total local pressure in the exhaust gas and for generating the respectively detected local static pressure and the respectively detected having at least one signal technically with the pressure sensors (5) connectable electronic unit (7) which is adapted to receive the pressure signals and from the pressure signals and the predetermined distance of the pressure sensors (5) the local temperature of the exhaust gas to investigate.
Description
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Ermitteln einer lokalen Temperatur eines in einer Abgasleitung strömenden Abgases, mit der das Abgas insbesondere einer Turbine eines Abgasturboladers zuführbar ist.The invention relates to a system and a method for determining a local temperature of an exhaust gas flowing in an exhaust pipe, with which the exhaust gas can be supplied in particular to a turbine of an exhaust gas turbocharger.
Eine Temperatur eines einer Turbine eines Abgasturboladers, mit dem ein Verbrennungsmotor aufladbar ist, über eine Abgasleitung zuführbaren Abgases hat einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Verbrennungsmotors. Daher wird die Temperatur des Abgases üblicherweise überwacht und zum Regeln eines Betriebs des Verbrennungsmotors verwendet.A temperature of a turbine of an exhaust gas turbocharger, with which an internal combustion engine can be charged, via an exhaust gas feedable exhaust gas has a significant influence on the performance of the internal combustion engine. Therefore, the temperature of the exhaust gas is usually monitored and used to control an operation of the internal combustion engine.
Zum Erfassen der Temperatur des einer Turbine eines Abgasturboladers zuführbaren Abgases werden herkömmlich Temperaturmessgeber eingesetzt. Mit dünn ausgebildeten Temperaturmessgebern können Temperaturschwankungen in dem Abgas genauer als mit dick ausgebildeten Temperaturmessgebern erfasst werden. Jedoch sind dünnere Temperaturmessgeber kurzlebiger als dickere Temperaturmessgeber. Mit solchen Temperaturmessgebern ist üblicherweise lediglich eine mittlere Temperatur des Abgases erfassbar. Hochfrequente Temperaturfluktuationen, die in einer von einem Verbrennungsmotor ausgehenden, stark pulsierenden Abgasströmung vorhanden sind, können hingegen nicht mit derartig trägen Temperaturmessgebern erfasst werden.For detecting the temperature of the exhaust gas to be fed to a turbine of an exhaust gas turbocharger, it is customary to use temperature encoders. With thin temperature transducers, temperature fluctuations in the exhaust gas can be detected more accurately than with thick temperature transducers. However, thinner temperature transducers are more short-lived than thicker temperature transducers. With such temperature sensors usually only a mean temperature of the exhaust gas can be detected. On the other hand, high-frequency temperature fluctuations which are present in a strongly pulsating exhaust gas flow emanating from an internal combustion engine can not be detected with such inert temperature transducers.
Die
Die
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine exaktere Erfassung der Temperatur eines in einer Abgasleitung strömenden Abgases zu ermöglichen.The object of the invention is to enable a more accurate detection of the temperature of an exhaust gas flowing in an exhaust pipe.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen angegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.This object is solved by the independent claims. Advantageous embodiments are specified in particular in the dependent claims, each of which taken alone or in various combinations with each other can represent an aspect of the invention.
Das erfindungsgemäße System zum Ermitteln einer lokalen Temperatur eines in einer Abgasleitung strömenden Abgases, mit der das Abgas einer Turbine eines Abgasturboladers zuführbar ist, umfasst wenigstens zwei an der Abgasleitung anordbare oder angeordnete Drucksensoren, die bezüglich einer Strömungsrichtung des in der Abgasleitung strömenden Abgases in einem vorgegebenen Abstand hintereinander angeordnet und die jeweils zum Erfassen eines lokalen statischen Drucks und eines lokalen Gesamtdrucks in dem Abgas und zum Erzeugen von dem jeweilig erfassten lokalen statischen Druck und dem jeweilig erfassten lokalen Gesamtdruck entsprechenden Drucksignalen eingerichtet sind, und wenigstens eine signaltechnisch mit den Drucksensoren verbindbare oder verbundene Elektronikeinheit, die eingerichtet ist, die Drucksignale zu empfangen und aus den Drucksignalen und dem vorgegebenen Abstand der Drucksensoren die lokale Temperatur des Abgases zu ermitteln.The system according to the invention for determining a local temperature of an exhaust gas flowing in an exhaust gas line, with which the exhaust gas can be supplied to a turbine of an exhaust gas turbocharger, comprises at least two pressure sensors which can be arranged or arranged on the exhaust gas line and which are arranged in a predetermined direction relative to a flow direction of the exhaust gas flowing in the exhaust gas line Disposed one behind the other and each arranged for detecting a local static pressure and a total local pressure in the exhaust gas and for generating the respectively detected local static pressure and the respectively detected local total pressure corresponding pressure signals are arranged, and at least one signal technically connectable to the pressure sensors or connected Electronic unit, which is adapted to receive the pressure signals and to determine the local temperature of the exhaust gas from the pressure signals and the predetermined distance of the pressure sensors.
Erfindungsgemäß werden zur Ermittlung der lokalen Temperatur des in der Abgasleitung strömenden Abgases keine Temperaturmessgeber eingesetzt. Stattdessen werden Drucksensoren verwendet, mit denen der lokale statische Druck und der lokale Gesamtdruck, und insbesondere auch hochfrequente Druckschwankungen, in dem Abgas sehr exakt erfassbar sind. Da die lokale Temperatur des Abgases aus diesen sehr exakten Druckmessungen abgeleitet wird, kann über diese Druckerfassungen folglich eine deutlich exaktere Ermittlung der lokalen Temperatur des Abgases erfolgen. Mit herkömmlichen Temperaturmessgebern ist eine derartig exakte Ermittlung der lokalen Temperatur des Abgases nicht möglich.According to the invention, no temperature encoders are used to determine the local temperature of the exhaust gas flowing in the exhaust gas line. Instead, pressure sensors are used with which the local static pressure and the local total pressure, and in particular also high-frequency pressure fluctuations, can be detected very accurately in the exhaust gas. Since the local temperature of the exhaust gas is derived from these very accurate pressure measurements, a much more accurate determination of the local temperature of the exhaust gas can thus take place via these pressure sockets. With conventional temperature sensors such an accurate determination of the local temperature of the exhaust gas is not possible.
Zur Ermittlung der lokalen Temperatur des Abgases aus den Drucksignalen und dem vorgegebenen Abstand der Drucksensoren können bekannte fluiddynamische Gleichungen bzw. bekannte physikalische Zusammenhänge verwendet werden. Für die lokale Temperatur T des Abgases kann folgende Gleichung abgeleitet werden: To determine the local temperature of the exhaust gas from the pressure signals and the predetermined distance of the pressure sensors known fluid dynamic equations or known physical relationships can be used. For the local temperature T of the exhaust gas, the following equation can be derived:
Hierbei sind x1 der Ort des einen Drucksensors, x2 der Ort des anderen Drucksensors, x2–x1 der vorgegebene Abstand zwischen den Drucksensoren, γ der Isentropenexponent, R die spezifische Gaskonstante, ptot der lokale Gesamtdruck und pstat der lokale stationäre Druck.Here, x 1, the location of a pressure sensor, x 2 of the location of the other pressure sensor, x 2 -x 1, the predetermined distance between the pressure sensors, the isentropic exponent, R γ the specific gas constant, P tot of the local total pressure and p stat of the local steady- Print.
Die Elektronikeinheit kann wenigstens einen Mikroprozessor aufweisen, mit dem wenigstens ein Algorithmus ausführbar ist, der die obige Gleichung enthält. Die jeweilig erzeugten Drucksignale und der vorgegebene Abstand der Drucksensoren sind die Eingangsgrößen für einen solchen Algorithmus.The electronics unit may comprise at least one microprocessor capable of executing at least one algorithm containing the above equation. The respectively generated pressure signals and the predetermined distance of the pressure sensors are the input variables for such an algorithm.
Die Elektronikeinheit kann zum zeitaufgelösten Ermitteln der lokalen Temperatur des Abgases eingerichtet sein, wodurch eine genaue Überwachung der lokalen Temperatur des Abgases und eine exakte Vorhersage bezüglich einer absehbaren Wärmebeaufschlagung der Turbine des Abgasturboladers mit in dem Abgas enthaltener Wärme möglich ist. In Abhängigkeit dieser Vorhersage kann eine Steuerung und/oder Regelung eines Betriebs eines mit dem Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors erfolgen, wodurch der Betrieb des Verbrennungsmotors insbesondere hinsichtlich der Leistung des Verbrennungsmotors optimierbar ist. Die über die Überwachung der lokalen Temperatur des Abgases gewonnenen Daten können zur Auslegung eines Verbrennungsmotors und/oder Abgasturboladers oder zur Auslegung des Betriebs des Verbrennungsmotors verwendet werden. Des Weiteren können die Daten zur Bewertung vorhandener theoretischer Modelle verwendet werden.The electronics unit may be configured to determine the local temperature of the exhaust gas in a time-resolved manner, thereby enabling accurate monitoring of the local temperature of the exhaust gas and accurate prediction of anticipated thermal loading of the turbine of the exhaust gas turbocharger with heat contained in the exhaust gas. As a function of this prediction, a control and / or regulation of an operation of an internal combustion engine charged with the exhaust-gas turbocharger can take place, as a result of which the operation of the internal combustion engine can be optimized, in particular with regard to the power of the internal combustion engine. The data obtained by monitoring the local temperature of the exhaust gas can be used to design an internal combustion engine and / or exhaust gas turbocharger or to design the operation of the internal combustion engine. Furthermore, the data can be used to evaluate existing theoretical models.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektronikeinheit eingerichtet, aus einem Verhältnis des jeweilig erfassten lokalen Gesamtdrucks und des jeweilig erfassten lokalen statischen Drucks eine lokale Mach-Zahl in dem Abgas zu ermitteln, aus den Drucksignalen und dem vorgegebenen Abstand der Drucksensoren eine Geschwindigkeit einer Druckwelle in dem Abgas zu ermitteln, aus der jeweilig ermittelten lokalen Mach-Zahl und der jeweilig ermittelten Geschwindigkeit der Druckwelle eine lokale Schallgeschwindigkeit in dem Abgas zu ermitteln, und aus der jeweilig ermittelten lokalen Mach-Zahl, der jeweilig ermittelten Geschwindigkeit der Druckwelle und der jeweilig ermittelten lokalen Schallgeschwindigkeit die lokale Temperatur des Abgases zu ermitteln. Die Geschwindigkeit der Druckwelle in dem Abgas ist eine Funktion der lokalen Mach-Zahl in dem Abgas und der lokalen Schallgeschwindigkeit in dem Abgas, wobei die lokale Schallgeschwindigkeit wiederum eine Funktion der lokalen Temperatur des Abgases ist. Um die Geschwindigkeit der Druckwelle in dem Abgas aus den Drucksignalen und dem vorgegebenen Abstand der Drucksensoren zu ermitteln, können mittels der Elektronikeinheit die Zeitpunkte erfasst werden, an denen eine Druckwelle den vorgeschalteten Drucksensor passiert und dieselbe Druckwelle den diesem Drucksensor nachgeschalteten Drucksensor passiert. Hieraus kann die Elektronikeinheit die Zeit ermitteln, welche die Druckwelle benötigt, um von dem vorgeschalteten Drucksensor zu dem nachgeschalteten Drucksensor zu gelangen. Anschließend kann der vorgegebene Abstand zwischen den Drucksensoren durch die ermittelte Zeit geteilt werden, woraus sich die Geschwindigkeit der Druckwelle ergibt.According to an advantageous embodiment, the electronic unit is set up to determine a local Mach number in the exhaust gas from a ratio of the respective detected local total pressure and the respective detected local static pressure, from the pressure signals and the predetermined distance of the pressure sensors a speed of a pressure wave in the Determine exhaust gas to determine from the respectively determined local Mach number and the respectively determined speed of the pressure wave, a local speed of sound in the exhaust gas, and from the respectively determined local Mach number, the respectively determined speed of the pressure wave and the respectively determined local sound velocity to determine the local temperature of the exhaust gas. The velocity of the pressure wave in the exhaust gas is a function of the local Mach number in the exhaust gas and the local velocity of sound in the exhaust gas, where the local velocity of sound is again a function of the local temperature of the exhaust gas. To determine the speed of the pressure wave in the exhaust gas from the pressure signals and the predetermined distance of the pressure sensors, the times can be detected by means of the electronic unit, at which a pressure wave passes the upstream pressure sensor and the same pressure wave passes the pressure sensor downstream of this pressure sensor. From this, the electronic unit can determine the time required for the pressure wave to pass from the upstream pressure sensor to the downstream pressure sensor. Subsequently, the predetermined distance between the pressure sensors can be divided by the determined time, resulting in the speed of the pressure wave.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer lokalen Temperatur eines in einer Abgasleitung strömenden Abgases, mit der das Abgas einer Turbine eines Abgasturboladers zuführbar ist, werden an wenigstens zwei bezüglich einer Strömungsrichtung des in der Abgasleitung strömenden Abgases in einem vorgegebenen Abstand hintereinander angeordneten Messpunkten ein lokaler statischer Druck und ein lokaler Gesamtdruck in dem Abgas erfasst und dem jeweilig erfassten lokalen statischen Druck und dem jeweilig erfassten lokalen Gesamtdruck entsprechende Drucksignale erzeugt, wobei aus den Drucksignalen und dem vorgegebenen Abstand der Drucksensoren die lokale Temperatur des Abgases ermittelt wird.According to the method according to the invention for determining a local temperature of an exhaust gas flowing in an exhaust pipe, with which the exhaust gas of a turbine of an exhaust gas turbocharger can be fed to at least two with respect to a flow direction of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe at a predetermined distance successively arranged measuring points a local static Detects pressure and a local total pressure in the exhaust gas and generates the respectively detected local static pressure and the respectively detected local total pressure corresponding pressure signals, wherein from the pressure signals and the predetermined distance of the pressure sensors, the local temperature of the exhaust gas is determined.
Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das System genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann das System zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sein.With the method, the advantages mentioned above with respect to the system are connected accordingly. In particular, the system can be set up to carry out the method.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus einem Verhältnis des jeweilig erfassten lokalen Gesamtdrucks und des jeweilig erfassten lokalen statischen Drucks eine lokale Mach-Zahl in dem Abgas ermittelt, wird aus den Drucksignalen und dem vorgegebenen Abstand der Messpunkte eine Geschwindigkeit einer Druckwelle in dem Abgas ermittelt, wird aus der jeweilig ermittelten lokalen Mach-Zahl und der jeweilig ermittelten Geschwindigkeit der Druckwelle eine lokale Schallgeschwindigkeit in dem Abgas ermittelt, und wird aus der jeweilig ermittelten lokalen Mach-Zahl, der jeweilig ermittelten Geschwindigkeit der Druckwelle und der jeweilig ermittelten lokalen Schallgeschwindigkeit die lokale Temperatur des Abgases ermittelt. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Systems genannten Vorteile entsprechend verbunden.According to an advantageous embodiment, a local Mach number in the exhaust gas is determined from a ratio of the respective detected local total pressure and the respectively detected local static pressure, a velocity of a pressure wave in the exhaust gas is determined from the pressure signals and the predetermined distance of the measurement points From the respectively determined local Mach number and the respective determined speed of the pressure wave, a local speed of sound in the exhaust gas is determined, and is determined from the respectively determined local Mach number, the respectively determined speed of the pressure wave and the respectively determined local speed of sound, the local temperature of Exhaust gas determined. With this embodiment, the advantages mentioned above with respect to the corresponding embodiment of the system are connected accordingly.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:In the following, the invention will be explained by way of example with reference to the attached figure with reference to a preferred embodiment, wherein the features shown below may represent an aspect of the invention both taken alone and in various combinations with each other. It shows:
Das System
Das System
Die Elektronikeinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- System system
- 22
- Abgasleitung exhaust pipe
- 33
- Turbine turbine
- 44
- Abgasturbolader turbocharger
- 55
- Drucksensor pressure sensor
- 66
- Strömungsrichtung flow direction
- 77
- Elektronikeinheit electronics unit
- SS
- Signalleitung signal line
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