DE10041076A1 - Verfahren zur Kompensation von fehlerhaften Veränderungen des Gasdurchflusses durch eine Abgasrückführleitung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Kompensation von fehlerhaften Veränderungen des Gasdurchflusses durch eine Abgasrückführleitung einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Es soll eine Veränderung des Gasdurchflusses durch eine Abgasrückführleitung sicher diagnostiziert und kompensiert werden. Dazu wird der Massenstrom (msagr) über die Abgasrückführleitung (4) nach einer ersten Methode in Abhängigkeit von der Ventilstellung (hgr) und der Durchflusskennlinie des Abgasrückführventils (5) und nach einer zweiten Methode der Massenstrom (msagrm) aus dem Frischluftmassenstrom (ms) im Saugrohr und dem Saugrohrdruck (ps) hergeleitet. Dann wird die Abweichung (dms) zwischen den nach den beiden Methoden ermittelten Massenströmen (msagr, msagrm) bestimmt, und aus der Abweichung (dms) werden ein oder mehrere Korrekturgrößen (ofmsagr, fkmsagr, dpb) für den in Abhängigkeit von der Ventilstellung (hagr) und der Durchflusskennlinie hergeleiteten Massenstrom (msagr) gebildet.

Description

Stand der Technik
Bei einer Abgasrückführung wird dem Luft-Kraftstoff-Gemisch einer Brennkraftmaschine Abgas zugemischt. Bis zu einem gewissen Grad kann sich ein steigender Restgasanteil im Luft-Kraftstoff-Gemisch positiv auf die Energieumsetzung und damit auch den Kraftstoffverbrauch auswirken. Durch eine Erhöhung des Restgasanteils kann der Motor entdrosselt werden. Dadurch verringern sich die Ladungswechselverluste und der Wirkungsgrad erhöht sich. Außerdem führt eine Erhöhung des Restgasanteils zu einer Reduzierung der Spitzentemperatur des Verbrennungsprozesses und als Folge davon zu einer Verringerung der Stickoxydbildung im Abgas. Erhöhte Stickoxydemissionen im Abgas treten vorwiegend im geschichteten Motorbetrieb mit einem Luft-Kraftstoff- Verhältnis λ < 1 bei Otto-Motoren mit Benzindirekteinspritzung auf. Um dem entgegenzuwirken, ist bei einem Motor mit Benzindirekteinspritzung eine Abgasrückführung unerlässlich. Wenn hier von einer Abgasrückführung die Rede ist, ist damit eine Abgasrückführung gemeint, bei der aus dem Abgasstrang des Motors ein Abgasmassenstrom entnommen und über ein Abgasrückführventil in eine Abgasrückführleitung dem Motor wieder dosiert zugeführt wird.
Es lässt sich nicht vermeiden, dass bei einer Abgasrückführung Ablagerungen von Feststoffen aus dem Abgas das Abgasrückführventil und die Rückführleitung im Laufe der Zeit zusetzen können und deshalb die rückgeführte Abgasmenge mit zunehmender Laufzeit der Brennkraftmaschine abnimmt. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die Funktion des Abgasrückführsystems einer Brennkraftmaschine zu überwachen und Maßnahmen zu ergreifen, welche solche fehlerhaften Veränderungen des Gasdurchflusses durch die Abgasrückführleitung kompensieren.
Aus der DE 197 19 278 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem fehlerhafte Veränderungen des Gasdurchflusses durch eine Abgasrückführleitung ermittelt werden können. Dabei wird der Lambda-Regelfaktor bei eingeschalteter bzw. ausgeschalteter Abgasrückführung gebildet und die Differenz zwischen beiden Regelfaktoren mit vorgegebenen Schwellwerten hinsichtlich einer positiven und einer negativen Abweichung verglichen. Bei einer Schwellwertüberschreitung durch die Differenz der Lambda- Regelfaktoren wird ein Fehler der Abgasrückführung signalisiert. Gemäß diesem Stand der Technik wird einem Fehler der Abgasrückführung dadurch entgegengewirkt, dass die Abweichung zwischen den Lambda-Regelfaktoren bei eingeschalteter bzw. ausgeschalteter Abgasrückführung als Korrekturgröße z. B. für die Einspritzzeit verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein veränderter Gasdurchfluss durch eine Abgasrückführleitung sehr genau diagnostiziert und kompensiert werden kann.
Vorteile der Erfindung
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Massenstrom über die Abgasrückführleitung nach einer ersten Methode in Abhängigkeit von der Ventilstellung und der Durchflusskennlinie eines Abgasrückführventils hergeleitet wird, dass der Massenstrom über die Abgasrückführleitung nach einer zweiten Methode aus dem Frischluftmassenstrom im Saugrohr und dem Saugrohrdruck hergeleitet wird, dass die Abweichung zwischen den nach den beiden Methoden ermittelten Massenströmen bestimmt wird und dass dann aus der Abweichung zwischen den beiden Massenströmen ein oder mehrere Korrekturgrößen für den in Abhängigkeit von der Ventilstellung und der Durchflusskennlinie hergeleiteten Massenstrom gebildet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine zu geringe Abgasrückführrate, bei der gesetzmäßig vorgegebene Abgasgrenzwerte nicht mehr eingehalten werden, sicher erkannt werden. Außerdem werden Maßnahmen angegeben, mit denen die erkannten Veränderungen des Gasdurchflusses bei der Berechnung des Massenstroms über die Abgasrückführleitung korrigierend berücksichtigt werden. Mit diesem korrigierten Massenstrom ist die Motorsteuerung in der Lage, Überschreitungen von Abgasgrenzwerten entgegenzuwirken.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Als Korrekturgröße für den Massenstrom kommt z. B. ein Offset für die Durchflusskennlinie oder ein die Steigung der Durchflusskennlinie verändernder Faktor in Frage. Eine weitere vorteilhafte Korrekturgröße ist ein den vor dem Abgasrückführventil gemessenen Abgasdruck verringernder Wert, der das Produkt aus dem Quadrat des nach der ersten Methode ermittelten Massenstroms und der Abweichung zwischen den beiden Massenströmen ist. Die Wahl der genannten Korrekturgrößen ist von der Größe des Massenstroms abhängig, wobei der Offset bei einem geringeren Massenstrom als die Steigungsänderung zur Korrektur angewendet wird und die Verringerung des Abgasdrucks bei einem höheren Massenstrom als die Steigungsänderung angewendet wird.
Es ist zweckmäßig, dass ein Fehler der Abgasrückführung signalisiert wird, wenn die Abweichung zwischen den nach den beiden Methoden ermittelten Massenströmen einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Mit den Maßnahmen der Erfindung wird bei einem Fehler der Abgasrückführung eine Korrekturgröße gebildet, die direkt Einfluß nimmt auf die Steuerung des Abgasrückführventils. Dagegen werden beim Stand der Technik (DE 197 19 278 A1), wenn ein Fehler des Abgasrückführsystems erkannt worden ist, andere Betriebsgrößen des Motors, nämlich das Lastsignal und die Zündung, korrigiert, also Größen, welche nicht unmittelbar das Abgasrückführsystem, die eigentliche Fehlerquelle, betreffen.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und
Fig. 2 ein Funktionsdiagramm zur Kompensation von fehlerhaften Veränderungen des Gasdurchflusses durch eine Abgasrückführleitung.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgaskanal 2 und einem Saugrohr 3. Vom Abgaskanal 2 zweigt eine Abgasrückführleitung 4 ab, die in das Saugrohr 3 einmündet. In der Abgasrückführleitung 4 befindet sich ein Ventil 5. Über dieses Abgasrückführventil 5 lässt sich die rückgeführte Abgasmenge steuern. Hinter der Einmündung der Abgasrückführleitung 4 ist im Saugrohr 3 ein Drucksensor 6 angeordnet, der den Saugrohrdruck ps misst. Vor der Einmündung der Abgasrückführleitung 4 befindet sich eine Drosselklappe 7, und vor der Drosselklappe 7 ist im Saugrohr 3 ein Luftmassensensor 8 angeordnet, der den angesaugten Frischluftmassenstrom ms misst. In der Abgasrückführleitung 4 sind vor dem Abgasrückführventil 5 ein Drucksensor 9, der den Abgasdruck pvagr vor dem Abgasrückführventil 5 misst und ein Temperatursensor 10 angeordnet, der die Temperatur Tagr des Abgases erfasst. Der Frischluftmassenstrom ms im Saugrohr und der Saugrohrdruck ps können auch durch Modellrechnungen aus anderen Betriebsgrößen des Motors hergeleitet werden.
Einem Steuergerät 11 werden all die genannten sensierten Größen zugeführt. Dazu gehören der Saugrohrdruck ps, der Frischluftmassenstrom ms, die Abgastemperatur Tagr, der Abgasdruck pvagr vor dem Abgasrückführventil 5 und die Stellung hagr des Abgasrückführventils 5. Wie das Steuergerät 11 aus den genannten Größen fehlerhafte Veränderungen des Gasdurchflusses durch die Abgasrückführleitung 4 erkennt und auch kompensiert wird anhand des in der Fig. 2 dargestellten Funktionsdiagramms beschrieben.
Um fehlerhafte Veränderungen des Gasdurchflusses durch die Abgasrückführleitung 4, welche z. B. durch Ablagerungen von Feststoffen aus dem Abgas im Ventil 5 und in der Leitung 4 oder durch Fertigungstoleranzen oder durch alterungsbedingte Durchflussveränderungen des Ventils entstehen, erkennen und kompensieren zu können, wird der Luftmassenstrom durch die Abgasrückführleitung 4 nach zwei verschiedenen Methoden ermittelt.
Nach einer ersten Methode wird ein Massenstrom msagr durch die Abgasrückführleitung 4 nach der folgenden Gleichung (1) berechnet:
msagr = (MSNAGR - ofmsagr) . ftagr . pvagr/1013 hPa . fkmsagr . KLAF (1)
Die Berechnung des Massenstroms msagr nach der Gleichung (1) verdeutlicht das Funktionsdiagramm in der Fig. 2. Zunächst wird ein aus der Ventilkennlinie VKL des Abgasrückführventils 5 abgeleiteter Norm-Massenstrom MSNAGR in Abhängigkeit von der jeweiligen Ventilstellung hagr ermittelt. Von diesem Norm-Massenstrom MSNAGR wird in einem Verknüpfungspunkt V1 ein Offsetwert ofmsagr subtrahiert. Die Differenz aus dem Norm-Massenstrom MSNAGR und dem Offset ofmsagr wird in den Verknüpfungspunkten V2, V3, V4 und V5 mit mehreren Faktoren multipliziert. Der erste Faktor im Verknüpfungspunkt V2 ist ein Temperaturwert ftagr, für den gilt:
ftagr = √273K/Tagr (2)
Dieser Temperaturwert ftagr gibt also, wie der Gleichung (2) zu entnehmen ist, das Temperaturverhältnis der Normtemperatur von 273 K zur aktuellen Gastemperatur Tagr wieder.
Der Faktor am Verknüpfungspunkt V3 ist das im Verknüpfungspunkt V7 gebildete Verhältnis des vor dem Abgasrückführventil 5 gemessenen Abgasdrucks pvagr und einem Normabgasdruck von 1013 hpa. Bei dem Normabgasdruck von 1013 hPa entsteht der Normmassenstrom MSNAGR, der genau der Durchflusskennlinie des Abgasrückführventils 5 entspricht, die üblicherweise vom Ventil-Hersteller zur Verfügung gestellt wird und im Funktionsblock VKL abgespeichert ist. Diese Durchflusskennlinie berücksichtigt natürlich nur die Funktion des Abgasrückführventils 5, nicht aber durch Fertigungstoleranzen oder Alterungen bedingte oder sonstige Änderungen des Durchflusses über das Abgasrückführventil 5. Um derartige, Abweichungen von den Normbedingungen darstellenden, fehlerhaften Veränderungen bei dem nach Gleichung (1) berechneten Massenstrom msagr zu berücksichtigen, ist zum einen der Offsetwert ofmsagr und zum anderen ein am Verknüpfungspunkt 4 anliegender Korrekturterm fkmsagr vorgesehen. Der Korrekturfaktor fkmsagr beeinflusst die Steigung der Durchflusskennlinie.
Schließlich liegt am Verknüpfungspunkt 5 noch ein aus einer Kennlinie KL entnommener Wert KLAF an. Dieser Wert KTJAF gibt die Strömungsgeschwindigkeit über das Abgasrückführventil 5 im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit wieder. Von einem Dividierer DV wird das Verhältnis aus dem Saugrohrdruck ps und dem Abgasdruck pvagr vor dem Abgasrückführventil 5 gebildet und in Abhängigkeit von diesem Verhältnis aus der Kennlinie KL der Faktor KLAF entnommen. Ist das Verhältnis des Saugrohrdrucks ps zum Abgasdruck pvagr kleiner als 0,52, so stellt sich Schallgeschwindigkeit ein, und bei einem Verhältnis, das größer als 0,52 ist, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit unter die Schallgeschwindigkeit. Am Ausgang der Verknüpfung V5 liegt schließlich der Massenstrom msagr an.
Nach einer zweiten Methode wird ein Massenstrom msagrm aus dem Frischluftmassenstrom ms und dem Saugrohrdruck ps hergeleitet. Der Frischluftmassenstrom ms kann z. B. mit einem Heißfilm-Luftmassenmesser gemessen werden. Durch Division des Frischluftmassenstroms ms mit der Motordrehzahl nmot und einer Konstanten KUMSRL wird dieser gemäß Gleichung (3) in eine relative Luftfüllung rl im Brennraum umgerechnet.
rl = ms/(nmot . KUMSRL) (3)
Zum Zeitpunkt, zu dem das Einlaßventil schließt, herrscht Druckgleichheit zwischen dem Brennraum und dem Saugrohr. Über einen Faktor fupsrl, der die Gastemperatur beim Schließen des Einlaßventils berücksichtigt, wird der Brennraumdruck ps in eine relative Gesamtfüllung rf gemäß Gleichung (4) umgerechnet.
rf = ps . fupsrl (4)
Die relative Gesamtfüllung rf setzt sich gemäß Gleichung (5) zusammen aus der relativen Luftfüllung rl im Brennraum, der im Brennraum verbleibenden, während der Applikation ermittelten, Restgasfüllung rfrint und der über das Abgasrückführsystem zugeführten externen Restgasfüllung rfrext.
rf = rl + rfrint + rfrex (5)
Die durch die Abgasrückführung erzeugte externe Restgasfüllung rfrex ergibt sich aus Gleichung (5):
rfrex = rf - rl - rfrint (6)
Gemäß Gleichung (7) ergibt sich der Massenstrom msagrm durch Multiplikation der externen Restgasfüllung rfrex mit der Drehzahl nmot und der Konstanten KUMSRL.
msagrm = rfrex.nmot.KUMSRL (7)
Der Massenstrom msagrm kann auch auf andere Weise als zuvor dargestellt ermittelt werden.
In einem Verknüpfungspunkt V6 wird die Abweichung dms zwischen den beiden zuvor berechneten Massenströmen msagr und msagrm ermittelt. Aus der Abweichung dms zwischen den beiden Massenströmen msagr und msagrm werden ein oder mehrere Korrekturgrößen ofmsagr, fkmsagr, dpb für den in Abhängigkeit von der Ventilstellung hagr und der Durchflusskennlinie VKL hergeleiteten Massenstrom msagr gebildet. Welche der Korrekturgrößen in Abhängigkeit von der Abweichung dms zwischen den beiden Massenströmen msagr und msagrm adaptiv verändert wird, hängt von der Größe des Massenstroms ab. Deshalb ist ein Schalter SW vorgesehen, der für jede der genannten Korrekturgrößen eine Schaltposition 1, 2 und 3 besitzt. Die Schaltposition im Schalter SW wird von der Größe des Massenstroms msagrm gesteuert. Liegt nur ein geringer Massenstrom msagrm vor, so wird der Schalter SW in die Schaltposition 1 gelegt, und die Abweichung dms zwischen den berechneten Massenströmen msagr und msagrm wird über einen ersten Integrator I1 in die einen Offset der Durchflusskennlinie VKL bewirkende Korrekturgröße ofmsagr umgewandelt. Erreicht der Massenstrom msagrm einen höheren Wert, so wird der Schalter SW in die Schaltposition 2 gelegt, so dass die Abweichung dms zwischen den beiden Massenströmen msagr und msagrm über einen zweiten Integrator I2 in die Korrekturgröße fkmsagr umgewandelt wird, welche die Steigung der Durchflusskennlinie verändert.
Bei einem Massenstrom msagrm, der so groß ist, dass mit den beiden vorangehend genannten Korrekturgrößen ofmsagr und fkmsagr fehlerhafte Veränderungen des Gasdurchflusses nicht mehr kompensiert werden können, wird der Schalter SW in seine Schaltposition 3 gelegt. In diesem Fall wird die Abweichung dms zwischen den beiden berechneten Massenströmen msagr und msagrm einem dritten Integrator I3 zugeführt, der aus der Abweichung dms einen Faktor K bildet. Dieser Faktor K wird in einem Verknüpfungspunkt V8 mit dem von einem Quadrierer QU gebildeten Quadrat msagr2 des berechneten Massenstroms msagr multipliziert. Das Ergebnis des Produkts aus dem Faktor K und dem Quadrat des Massenstroms msagr ist die Korrekturgröße dpb, welche im Verknüpfungspunkt V9 von dem gemessenen Abgasdruck pvagr subtrahiert wird. Mit der Korrekturgröße dpb ist es möglich, eine sehr starke Verformung der Durchflusskennlinie aufgrund einer Verschmutzung des Ventils 5 oder der Leitung 4 zu kompensieren, welche durch die Offsetkorrektur ofmsagr und die Steigungskorrektur fkmsagr nicht mehr möglich ist. Eine solche Verschmutzung lässt sich nachbilden durch die Annahme einer zusätzlichen Blende vor dem Abgasrückführventil 5. Aufgrund dieser fiktiven Blende sinkt der Abgasdruck pvagr vor dem Abgasrückführventil 5 um den beschriebenen Betrag dpb. Der Faktor K dieser Größe dpb ist ein Maß für den Durchmesser der fiktiven Blende in der Abgasrückführleitung 4. Der um den Korrekturwert dpb verminderte Abgasdruck pvagr wird als Faktor der Verknüpfung V3 zugeführt und auch bei der Bildung des Faktors KLAF berücksichtigt.
Der für die Bildung der Korrekturgröße dpb aus der Abweichung dms zwischen den gemessenen Massenströmen msagr und msagrm abgeleitete Faktor K wird einer Schwellwertentscheidung SE unterzogen. Übersteigt dieser Faktor K eine vorgegebene Schwelle, was gleichbedeutend ist mit einer zu großen Verschmutzung des Ventils 5 bzw. der Abgasrückführleitung 4, so wird ein Fehlersignal fe ausgegeben, dass einen Fehler des Abgasrückführsystems signalisiert, der auf die oben genannte Weise nicht mehr kompensiert werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kompensation von fehlerhaften Veränderungen des Gasdurchflusses durch eine Abgasrückführleitung einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet,
dass der Massenstrom (msagr) über die Abgasrückführleitung (4) nach einer ersten Methode in Abhängigkeit von der Ventilstellung (hagr) und der Durchflusskennlinie eines Abgasrückführventils (5) hergeleitet wird,
dass der Massenstrom (msagrm) über die Abgasrückführung (4) nach einer zweiten Methode aus dem Frischluftmassenstrom (ms) im Saugrohr (3) und dem Saugrohrdruck (ps) hergeleitet wird,
dass die Abweichung (dms) zwischen den nach den beiden Methoden ermittelten Massenströmen (msagr, msagrm) bestimmt wird,
und dass aus der Abweichung (dms) zwischen den beiden Massenströmen (msagr, msagrm) ein oder mehrere Korrekturgrößen (ofmsagr, fkmsagr, dpb) für den in Abhängigkeit von der Ventilstellung (hagr) und der Durchflusskennlinie hergeleiteten Massenstrom (msagr) gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturgröße (ofmsagr) ein Offset für die Durchflusskennlinie gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturgröße (fkmsagr) ein die Steigung der Durchflusskennlinie verändernder Faktor gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturgröße (dpb) ein den vor dem Abgasrückführventil (5) gemessenen Abgasdruck (pvagr) verringernder Wert gebildet wird, der das Produkt aus dem Quadrat des nach der ersten Methode ermittelten Massenstroms (msagr) und der Abweichung (dms) zwischen den beiden Massenströmen (msagr, msagrm) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildung der Korrekturgröße(n) (ofmsagr, fkmsagr, dpb) die Abweichung (dms) zwischen den beiden Massenströmen (msagr, msagrm) integriert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler (fe) der Abgasrückführung signalisiert wird, wenn die Abweichung (dms) zwischen den beiden Massenströmen (msagr, msagrm) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl der Korrekturgröße (ofmsagr, fkmsagr, dpb) von der Größe des Massenstroms (msagrm) abhängt, wobei der Offset (ofmsagr) bei einem geringeren Massenstrom als die Steigungsänderung (fkmsagr) zur Korrektur angewendet wird und die Verringerung (dpb) des Abgasdrucks (pvagr) bei einem höheren Massenstrom als die Steigungsänderung (fkmsagr) angewendet wird.
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