DE10158262A1 - Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung und entsprechend ausgestaltetes Steuersystem für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung und entsprechend ausgestaltetes Steuersystem für einen VerbrennungsmotorInfo
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Abstract
In einem Motormanagementsystem werden zur Bestimmung der Zusammensetzung sowie der Masse des von einem Verbrennungsmotor (1) angesaugten Frischluft/Abgasgemisches physikalisch basierte Modelle (16-21) angewendet, die jeweils in Bezug auf bestimmte Zustandsgrößen das Verhalten des Verbrennungsmotors (1) bzw. des entsprechenden Motorsystems nachbilden. Die einzelnen physikalisch basierten Modelle (16-21) sind teilweise eng miteinander gekoppelt und dienen beispielsweise zur Nachbildung der Befüllung des Brennraums des Verbrennungsmotors (1) mit dem angesaugten Frischluft/Abgasgemisch, zur Nachbildung des über die Abgasrückführung fließenden Abgasrückführmassenstroms, zur Nachbildung des Verhaltens des Abgastrakts des Verbrennungsmotors (1) vor und nach einer Turbine (2), zur Nachbildung des Speicherverhaltens des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors sowie zur Nachbildung des Verhaltens des Saugrohrs bzw. Einlasskrümmers, worüber das Frischluft/Abgasgemisch von einer entsprechenden Mischstelle (10), in der die angesaugte Frischluft mit dem über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgas gemischt wird, dem Verbrennungsmotor (1) zugeführt wird. Auf diese Weise können eine Vielzahl von zusätzlichen Zustandsgrößen ohne zusätzliche Sensoren ermittelt werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung sowie ein entsprechend ausgestaltetes Steuersystem für einen Verbrennungsmotor, beispielsweise einen Dieselmotor.
- Für die emissionsoptimale Regelung eines aufgeladenen Dieselmotors mit Abgasrückführung ist die genaue Kenntnis der Masse und der Zusammensetzung des angesaugten Gasgemisches, d. h. des Frischluft/Abgasgemisches, im Motorbrennraum von entscheidender Bedeutung.
- Bei bekannten Konzepten wird die Frischluftmasse im Brennraum des Verbrennungsmotors aus der Messung des Frischluftmassenstroms über einen Heißfilm-Luftmassensensor sehr weit vorne im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors bestimmt. Durch das Frischluftspeicherverhalten des Ansaugtrakts ist diese Bestimmung der Frischluftmasse in den dynamischen Motorbetriebsphasen fehlerbehaftet. Darüber hinaus kann zur Berechnung der in dem Brennraum befindlichen Abgasmasse, welche über die Abgasrückführung des Verbrennungsmotors zurückgeführt und an einer Abgasrückführung-Mischstelle mit der angesaugten Frischluft gemischt worden ist, nicht auf ein derartiges Sensorsignal zurückgegriffen werden. Bei herkömmlichen Konzepten kann somit diese Größe nicht bestimmt werden.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung sowie ein entsprechend ausgestaltetes Steuersystem für einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, womit mit möglichst einfachen Mitteln eine exakte Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in dem Brennraum des Verbrennungsmotors, d. h. eine exakte Bestimmung der Frischluft- und Abgasmasse, vor allem in den dynamischen Motorbetriebsphasen möglich ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. ein Steuersystem mit den Merkmalen des Anspruches 64 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, d. h. zur Bestimmung der Frischluft- und Abgasmasse in diesem Brennraum, entsprechende Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors mittels Verwendung entsprechender physikalisch basierter Modelle zu bestimmen, wobei die einzelnen physikalisch basierten Modelle in Bezug auf die jeweils zu berechnende Zustandsgröße das Verhalten des Verbrennungsmotors bzw. des Motorsystems nachbilden. Als Zustandsgrößen können diesbezüglich beispielsweise unter anderem der Frischluftmassenstrom in den sogenannten Einlasskrümmer des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung des Speicherverhaltens des Ansaugtrakts, der Abgasrückführmassenstrom, der Druck und die Temperatur des Ansauggases vor den Einlassventilen des Verbrennungsmotors, der Druck und die Temperatur des Abgases vor der Turbine etc. berechnet werden. Die physikalisch basierten Modelle können teilweise auch durch empirische Modelle ersetzt werden, wenn sich für das jeweilige Modell kein echtzeitfähiges physikalisches Modell ermitteln lässt.
- Mit Hilfe eines ersten Modells kann die Befüllung des Brennraums mit dem Frischluft- Abgasgemisch aus dem sogenannten Einlasskrümmer, d. h. der Verbindung zwischen der Abgasrückführung-Mischstelle und den Einlassventilen des jeweiligen Motors, nachgebildet werden, um sowohl den Frischluftmassenstrom und den Abgasmassenstrom als auch die Frischluftmasse im Brennraum und die Abgasmasse im Brennraum des Verbrennungsmotors bestimmen zu können.
- Über die Abgasrückführleitung des Verbrennungsmotors wird Abgas aus dem Abgastrakt in den Ansaugtrakt zurückgeleitet. Diesbezüglich kann ein weiteres Modell eingesetzt werden, um den Abgasrückführmassenstrom durch die Abgasrückführleitung und die Temperatur des zurückgeführten Abgases vor der Abgasrückführung-Mischstelle ermitteln zu können. Hierzu kann ein Modellansatz für eine Drosselstelle zum Einsatz kommen.
- Ein weiteres Modell kann zur Nachbildung des Verhaltens des Abgastrakts vor und nach der Turbine des Motorsystems eingesetzt werden. Als wichtigste Ausgangsgröße kann mit Hilfe dieses Modells - erneut unter Berechnung entsprechender Ausgangs- bzw. Zwischengrößen - der Abgasgegendruck vor der Turbine ermittelt werden.
- Ebenso kann mit Hilfe eines entsprechenden Modells das Speicherverhalten des Ansaugtraktes zwischen dem Verdichter und der Abgasrückführung-Mischstelle nachgebildet werden. Diesbezüglich kann ein Modell verwendet werden, welches ein Speichervolumen für die Frischluft und eine anschließende Drosselstelle nachbildet. Als wesentliche Ausgangsgrößen dieses Modells können der Frischluftmassenstrom durch die zuvor genannte Drossel in den Einlasskrümmer, d. h. in den Motoreinlass, die gespeicherte Frischluftmasse in dem zuvor genannen Speichervolumen sowie der modellierte Ladedruck etc. bestimmt werden.
- Im sogenannten Saugrohr des Verbrennungsmotors vermischen sich der zufließende Abgasrückführmassenstrom, d. h. der zurückgeführte Abgasmassenstrom, zu dem Frischluft/Abgasgemisch, aus dem sich der Motor seine Füllung ansaugt. Auch das Verhalten dieses Saugrohrs kann mit Hilfe eines entsprechenden Modells nachgebildet werden, um beispielsweise die Abgasrückführmasse und die Frischluftmasse in dem Saugrohr zu berechnen, was beispielsweise durch Auswertung der Massenstrombilanzen für die Frischluft und die rückgeführte Abgasmasse erfolgen kann.
- Ein weiteres Modell kann zur Bestimmung der Saugrohrtemperatur, d. h. der Temperatur des Frischluft/Abgasgemisches in dem Saugrohr, vorgesehen sein. Die Saugrohrtemperatur kann diesbezüglich insbesondere in Abhängigkeit von der Abgasrückführmasse in dem Saugrohr und der Temperatur des Abgasrückführmassenstroms sowie der Frischluftmasse im Saugrohr und der Temperatur des einströmenden Frischluftmassenstroms bestimmt werden.
- Die einzelnen zuvor bestimmten Modelle stehen teilweise in einem engen Zusammenhang, so dass vorzugsweise zur Berechnung von einer bestimmten Zustandsgröße in einem Modell auf die Ergebnisse eines anderen Modells zugegriffen wird. Dabei ist zu beachten, dass die im Rahmen dieser Patentanmeldung formelmäßig beschriebenen Abhängigkeiten der einzelnen Größen in der Regel lediglich die proportionalen Zusammenhänge verdeutlichen sollen, so dass abhängig von der jeweiligen Anwendung oder Implementierung gegebenenfalls (nicht angegebene) Normierungs- oder Korrekturfaktoren zur weiteren Umrechnung der entsprechenden Größen zu berücksichtigen sind.
- Insgesamt kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die Masse und Zusammensetzung des von dem Brennraum des Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors, angesaugten Gasgemisches exakt bestimmt werden, so dass eine emissionsoptimale Regelung des Verbrennungsmotors aufgrund der genauen Kenntnis der Masse und der Zusammensetzung der Frischluftmasse und der Abgasmasse in dem Brennraum des Verbrennungsmotors möglich ist. Dabei kann ohne den Einsatz separater oder zusätzlicher Sensoren eine Vielzahl von Zustandsgrößen aus ohnehin bekannten Informationen gewonnen werden, so dass neue Steuer- und Regelstrategien ermöglicht werden.
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert.
- Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Simulationsmodells zur Simulierung des Gasstroms in einem Kraftfahrzeug bzw. einem entsprechenden Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung,
- Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Motorfüllungsmodells,
- Fig. 3 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Abgasrückführmassenstrommodells,
- Fig. 4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Turbinenmodells,
- Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des Ansaugtrakts des in Fig. 1 dargestellten Verbrennungsmotors,
- Fig. 6 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Frischluftmassenstrommodells,
- Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des Ansaugtrakts des in Fig. 1 dargestellten Verbrennungsmotors,
- Fig. 8 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Saugrohrmodells,
- Fig. 9 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Saugrohrtemperaturmodells, und
- Fig. 10 zeigt den Verlauf einer Durchflusskenngröße in Abhängigkeit von einem Druckverhältnis.
- In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 mit vier Brennräumen bzw. Zylindern dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Abgasturbolader (ATL) gekoppelt, welcher eine Turbine 2 und einen Verdichter 7 umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter 7 auf einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Turboladerwelle 14, angebracht sind. Die Turbine 2 nutzt die im Abgas des Verbrennungsmotors 1 enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters 7, welcher über ein Luftfilter 6 Frischluft ansaugt und vorverdichtete Luft in die einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors 1 drückt. Der durch die Turbine 2, den Verdichter 7 und die Turboladerwelle 14 gebildete Abgasturbolader ist nur durch den Luft- und Abgasmassenstrom strömungstechnisch mit dem Verbrennungsmotors 1 gekoppelt.
- Die von dem Verdichter 7 über den Luftfilter 6 angesaugte und vorverdichtete Luft wird über einen Ladeluftkühler (LLK) 8, welcher die Abgastemperatur und damit die NOx-Emission sowie den Kraftstoffverbrauch reduziert, einem sogenannten Ersatzvolumen (ERS) 9 zugeführt. Den einzelnen Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 ist ein Einlasssammler (ELS) 10 vorgeschaltet. Das in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 erzeugte Abgas wird von einem Abgassammler (ASA) 11 gesammelt und der Turbine 2 zugeführt. Der Turbine 2 ist in Abgasströmungsrichtung die Abgasanlage (APU) 12 des Kraftfahrzeugs nachgeschaltet, welche die Schadstoffanteile der beim Betrieb des Verbrennungsmotors 1 entstehenden Abgase abbaut und die verbleibenden Abgase so geräuscharm wie möglich ableitet. Ein Teil des in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 erzeugten Abgases wird von dem Abgassammler 11 über eine Abgasrückführung (AGR) an den Einlasssammler 10 zurückgeführt und dort mit der angesaugten Frischluft gemischt. Mit dem Bezugszeichen 13 sind jeweils in entsprechenden Luft- oder Gaspfaden angeordnete Ventile bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 15 ist ein Stellglied zur Leitschaufelverstellung der Turbine 2 bezeichnet.
- Des Weiteren ist in Fig. 1 ein Steuergerät 4 dargestellt, welches ein Bestandteil eines entsprechenden Motormanagementsystems des Kraftfahrzeugs ist. Von dem Steuergerät 4 werden verschiedene Größen oder Parameter des dargestellten Motorsystems überwacht, und durch Anwendung entsprechender gespeicherter physikalisch basierter Modelle in verschiedene Zwischen- und Ausgangssgrößen umgerechnet, wobei die von dem Steuergerät 4 überwachten Größen bzw. Parameter über eine Schnittstelle 3 dem Steuergerät 4 zugeführt werden. Die einzelnen von dem Steuergerät 4 ausgewerteten Größen werden nachfolgend näher anhand der einzelnen physikalisch basierten Modelle ausführlich erläutert. Insbesondere wird von dem Steuergerät 4 auf diese Weise die Masse und Zusammensetzung des in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 befindlichen Gasgemisches, d. h. die darin befindliche Frischluft- und Abgasmasse, bestimmt und zur Erzielung einer emissionsoptimalen Regelung in entsprechende Stellsignale für das Motorsystem umgesetzt, welche - wie in Fig. 1 angedeutet ist - über die Schnittstelle 3 an verschiedene Komponenten des Motorsystems angelegt werden können.
- Für eine stabile Berechnung des durch die einzelnen physikalisch basierten Modelle gebildeten Gesamtmodells durch das Steuergerät 4 ist für einige Teile des Gesamtmodells eine bestimmte minimale effektive Rechenzeit, beispielsweise in der Größenordnung von 2 ms, erforderlich. Da dies mit herkömmlichen Steuergerätekonzepten nicht realisierbar ist, wird vorzugsweise ein bereits vorhandenes zeitsynchrones Raster als Basis verwendet und das Gesamtmodell mehrmals in diesem Raster (überabtastend) berechnet. Um beispielsweise bei einem vorhandenen 20 ms-Raster auf eine effektive Rechenzeit von 2 ms zu kommen, muss das Gesamtmodell zehnmal innerhalb des vorgegebenen Rasters berechnet werden. Da das Gesamtmodell, welches sich aus den einzelnen zuvor erwähnten physikalisch basierten Teilmodellen zusammensetzt, zur Füllungserfassung von Verbrennungsmotoren, d. h. zur exakten Bestimmung der Frischluft- und Abgasmasse in den Brennräumen des jeweiligen Verbrennungsmotors, dient, kann das Gesamtmodell auch als Füllungsmodell bezeichnet werden.
- Eines dieser von dem Steuergerät 4 ausgeführten physikalisch basierten Teilmodelle dient zur Nachbildung der Befüllung des jeweiligen Brennraums des Verbrennungsmotors 1 mit dem Frischluft-Abgasgemisch aus dem sogenannten Einlasskrümmer. Als Einlasskrümmer wird dabei die Verbindung zwischen der in Fig. 1 dargestellten Mischstelle 10, von welcher die über den Verdichter 7 angesaugte Frischluft mit dem über die Abgasrückführleitung zurückgeführten Abgas gemischt wird, und den Einlassventilen des Verbrennungsmotors 1 bezeichnet. Dieses Modell kann somit auch als Motorfüllungsmodell bezeichnet werden.
- Mit Hilfe dieses Motorfüllungsmodells kann die angesaugte Gasmasse im Brennraum in Abhängigkeit von dem Druck psr und der Temperatur Tsr des Ansauggases, welche bei Berücksichtigung der Gaskonstante R die Dichte des Ansauggases definieren, vor den Motoreinlassventilen, d. h. im Einlasskrümmer, bestimmt werden, wobei hierzu ein linearer Ansatz in Abhängigkeit von der Dichte des Ansauggases gewählt wird:
- Dabei bezeichnet mges die angesaugte Gasmasse im Brennraum, d. h. die Masse des angesaugten Frischluft/Abgasgemisches, n0 die (normierte) Motordrehzahl und KORR einen Korrekturfaktor, auf welchen nachfolgend noch näher eingegangen wird. Das Füllungsverhalten des Verbrennungsmotors 1 ist abhängig von der Motordrehzahl n0. Die Koeffizienten d1 und d2 sind daher eine Funktion der Motordrehzahl n0. Diese Abhängigkeit von der Motordrehzahl kann durch quadratische Polynome dargestellt werden:
(2) d1 = a1 + a2.n0 + a3.n0 2
d2 = a4 + a5.n0 + a6.n0 2.
- Dabei bezeichnen a1-a6 Koeffizienten dieser quadratischen Polynome. Wahlweise kann die zuvor beschriebene Abhängigkeit von der Motordrehzahl auch durch drehzahlabhängige Kennlinien realisiert werden, wobei in dem Steuergerät 4 zwischen diesen Alternativen beispielsweise in Abhängigkeit von dem augenblicklichen Wert einer entsprechenden Variable umgeschaltet werden kann.
- Die Füllung des Brennraums des Verbrennungsmotors 1 setzt sich aus Anteilen von Frischluft und zurückgeführtem Abgas zusammen. Aus der zuvor bestimmten Gasmasse mges im Brennraum und der aktuellen Motordrehzahl n des Verbrennungsmotors 1 kann der angesaugte Gasmassenstrom dmges berechnet werden. Der Frischluftmassenstrom dmLmot in den Verbrennungsmotor 1 ergibt sich in Abhängigkeit von dem angesaugten Gasmassenstrom dmges und der aktuellen Abgasrückführrate rAGR wie folgt:
(3) dmLmot = (1 - rAGR).dmges
- Der angesaugte Gasmassenstrom dmges bzw. der angesaugte Luftmassenstrom dmLmot werden vorzugsweise in der Einheit kg/s berechnet. Selbstverständlich ist ebenso eine Umrechnung in kg/h möglich.
- Als eine weitere Zwischengröße, welche als Grundlage für die Berechnung des Luftverhältnisses in dem Brennraum dienen kann, kann die Frischluftmasse mLmot in dem Brennraum des Verbrennungsmotors 1 wie folgt ermittelt werden:
(4) mLmot = (1 - rAGR).mges
- Analog kann der in dem Verbrennungsmotor 1 angesaugte Abgasrückführmassenstrom dmAGRmot aus dem angesaugten Gasmassenstrom dmges und der aktuellen Abgasrückführrate rAGR wie folgt berechnet werden:
(5) dmpGRmot = rAGR.dmges
- Analog zu der Frischluftmasse im Brennraum des Verbrennungsmotors kann auch die Abgasmasse mAGRmot im Brennraum des Verbrennungsmotors aus der bereits bekannten angesaugten Gasmasse mges ermittelt werden:
(6) mAGRmot = rAGR.mges
- Als weitere Ausgangsgröße wird von dem Motorfüllungsmodell das Luftverhältnis RL im Brennraum des Verbrennungsmotors 1 aus der nunmehr bekannten Frischluftmasse mLmot und der eingespritzten Kraftstoffmasse mkr ermittelt:
- Mit Hilfe des zuvor erwähnten Korrekturfaktors KORR kann das Motorfüllungsmodell an das tatsächliche Verhalten des Verbrennungsmotors angepasst werden, wobei hierzu ein Vergleich zwischen einem modellierten Ladedruck pladmod und einem gemessenen tatsächlichen Ladedruck plad erfolgt. Dieser Vergleich kann in einem weiteren Teilmodell, welches als Korrekturmodell bezeichnet werden kann, durchgeführt werden. Durch die Differenz dieser beiden Größen kann ein Integrator gespeist werden, dessen Ausgangswert den anteiligen Korrekturfaktor KORR für die Gesamtfüllung des Verbrennungsmotors 1 ergibt. Für diesen Adaptionsvorgang müssen bevorzugt definierte Bedingungen, wie beispielsweise ein stationärer Motorbetrieb ohne Abgasrückführung, vorliegen. Das Steuergerät 4 kann zu diesem Zweck einen separaten Funktionsblock beinhalten, welcher die Adaptionsfreigabe, d. h. den Integrator, steuert und hierzu bestimmte Eingangsgrößen, welche beispielsweise den erlaubten Adaptionsbereich hinsichtlich Einspritzmenge und Drehzahl festlegen bzw. die zeitliche Änderung dieser Größen überwachen, auswertet. Darüber hinaus können diesem Funktionsblock zusätzliche Parameter zugeführt sein, mit deren Hilfe der maximale Dynamikbereich des Frischluftmassenstroms und des Ladedrucks eingestellt werden können, wobei bevorzugt ein Ein- und Auschaltverhalten mit Hysterese realisiert sein kann. Die Ausgangsgröße KORR dieses Funktionsblocks des Steuergeräts 4 korrigiert gemäß Formel (1) die Steigung der Füllungsgeraden und passt somit das Motorfüllungsmodell an das tatsächliche Verhalten des Verbrennungsmotors 1 an.
- Das zuvor beschriebene Motorfüllungsmodell 16, welches in dem Steuergerät 4 implementiert ist, ist schematisch hinsichtlich seiner Eingangs- und Ausgangsgrößen in Fig. 2 dargestellt.
- Über die in Fig. 1 angedeutete Abgasrückführleitung wird - wie bereits erwähnt worden ist - Abgas aus dem Abgastrakt in den Ansaugtrakt zurückgeleitet. Es ist daher ein weiteres physikalisch basiertes Modell vorgesehen, welches den Abgasrückführmassenstrom durch die Abgasrückführleitung sowie die Temperatur der zurückgeführten Abgase vor der Abgasrückführung-Mischstelle 10 berechnet, so dass dieses Modell auch nachfolgend als Abgasrückführmassenstrommodell bezeichnet wird.
- Die Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms dmAGR erfolgt mit Hilfe eines Modellansatzes für eine Drosselstelle des in der Abgasrückführleitung vorhandenen Abgasrückführventils 13 (vergleiche Fig. 1) in Abhängigkeit von einer Durchflusskenngröße DF, einer effektiven Querschnittsfläche AAGR des Abgasrückführventils 13, der Gaskonstante R sowie dem Abgasgegendruck pAGR und der Temperatur TAGR vor dem Abgasrückführventil 13:
- Für die Berechnung des Abgasrückführmassenstroms dmAGR muss eine Fallunterscheidung durchgeführt werden in Abhängigkeit davon, ob der Abgasrückführmassenstrom von dem Abgastrakt in den Ansaugtrakt (dmAGR > 0) oder von dem Ansaugtrakt in den Abgastrakt (dmAGR < 0) strömt. Die obige Formel (8) gilt somit nur den Fall dmAGR ≥ 0, während für den Fall dmAGR < 0 der Abgasrückführmassenstrom dmAGR wie folgt ermittelt werden kann:
- Die in den Formeln (8) und (9) enthaltenen Wurzelfunktionen können vorzugsweise durch ein quadratisches Polynom angenähert werden, welches beispielsweise in dem hier interessierenden Temperaturbereich von 200-1200 K gültig ist. Um die Trägheit der Abgasrückführung in dem Gesamtsystem zu berücksichtigen, wird der Abgasrückführmassenstrom in dem Abgasrückführmassenstrommodell des Steuergeräts 4 vorzugsweise durch ein PT1-Glied verzögert.
- Wie bereits erwähnt worden ist, wird mit Hilfe dieses Modells nicht nur der Abgasrückführmassenstrom dmAGR, sondern auch die Temperatur TAGR der zurückgeführten Abgase vor der Mischstelle mit der Frischluft berechnet. Die Temperatur TAGR ist insbesondere zur Berechnung des Abgasrückführmassenstroms dmAGR erforderlich (vgl. Formel (8)). Für die Berechnung der Temperatur TAGR der zurückgeführten Abgase vor dem Abgasrückführventil muss ebenfalls eine Unterscheidung zwischen Vorwärtsströmung und Rückwärtsströmung vorgenommen werden. Dabei gilt:
(10) TAGR = TAG - RF.(TAG - TK) für dmAGR ≥ 0
(11) TAGR = Tsr für dmAGR < 0
- Im Fall der Vorwärtsströmung (dmAGR ≥ 0) werden heiße Abgase durch die Abgasrückführleitung geführt, während im Fall der Rückwärtsströmung Frischluft durch die Abgasrückführleitung strömt. Die Abkühlung der heißen Gase über der Abgasrückführleitung wird gemäß Formel (10) dadurch nachgebildet, dass von der Abgastemperatur TAG vor der Turbine 2 RF.(TAG - TK) subtrahiert wird, wobei RF einen Rohrfaktor der Abgasrückführleitung bezeichnet, mit dessen Hilfe die Abkühlung an die Art der Abgasrückführstrecke angepasst werden kann (z. B. Unterscheidung zwischen gekühlter und ungekühlter Abgasrückführung), während TK der Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors 1 entspricht und somit ein Maß für die Abkühlung der Abgastemperatur TAG ist. Die Abgastemperatur TAG vor der Turbine 2 wird von einem nachfolgend noch näher erläuterten weiteren physikalisch basierten Modell generiert.
- Die gemäß den Formel (8) und (9) benötigte Durchflusskenngröße DF ist eine Funktion des Druckverhältnisses über die von diesem Abgasrückführmassenstrommodell nachgebildete Drosselstelle, d. h. über dem Abgasrückführventil. Da die Durchflusskenngröße DF auch in anderen Modellen des Gesamtsystems verwendet wird, ist sie vorzugsweise ebenfalls als eine eigene Methode realisiert, die von den anderen Modellen aufgerufen werden kann. Die entsprechende Methode wertet den Druck vor der entsprechenden Drosselstelle und den Druck hinter der entsprechenden Drosselstelle aus und liefert davon abhängig einen bestimmten Wert für die Durchflusskenngröße DF zurück. Dabei muss zwischen einem sogenannten überkritischen Strömungsfall, bei dem das Druckverhältnis über der Drosselstelle kleiner als ein vorgegebenes kritisches Druckverhältnis ist, und einem unterkritischen Fall, bei dem das Druckverhältnis größer als das kritische Druckverhältnis ist, unterschieden werden.
- Der Verlauf der Durchflusskenngröße DF in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis zwischen dem Druck pvdr vor der Drosselstelle und dem Druck Pndr nach der Drosselstelle ist in Fig. 10 dargestellt. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, dass im überkritischen Strömungsfall, welcher gemäß Fig. 10 von dem unterkritischen Strömungsfall durch eine gestrichelte Linie getrennt ist, die Durchflusskenngröße DF einem bestimmten Maximalwert gleichgesetzt werden kann. Im unterkritischen Fall wird hingegen die Durchflusskenngröße DF gemäß einer Ersatzfunktion berechnet, welche dem in Fig. 10 gezeigten in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis kontinuierlich abnehmenden Kurvenverlauf für den unterkritischen Fall entspricht. Dabei wird insbesondere zwischen dem Fall der Vorwärtsströmung und dem Fall der Rückwärtsströmung unterschieden. Die Vorwärtsströmung kann von der Rückwärtsströmung beispielsweise durch Setzen eines entsprechenden Bits in einer entsprechenden Variable unterschieden werden.
- Die Bestimmung der effektiven Querschnittsfläche AAGR des Abgasrückführventils geschieht mit Hilfe eines durch einen Korrekturfaktor AKORR korrigierten Kennlinienfelds, wobei als Eingangsgröße dieses Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem augenblicklichen Wert eines entsprechenden Bits wahlweise der gemessene Ventilhub oder das Ansteuer-Tastverhältnis dieses Ventils durch das Steuergerät 4 verwendet wird. Welche dieser Eingangsgrößen für die Ermittlung der effektiven Querschnittsfläche des Abgasrückführventils verwendet wird, hängt von der Art des jeweils verwendeten Stellers ab. Bei einem elektrischer Abgasrückführsteller wird das Ansteuer-Tastverhältnis des Steuergeräts 4 als Eingangsgröße für das entsprechende Kennfeld verwendet, während bei einem Steller mit Laderückmeldung der gemessene Ventilhub als Eingangsgröße verwendet wird. Um die Trägheit des Abgasrückführventils bei einer Verstellung zu berücksichtigen, kann die auf diese Weise berechnete effektive Querschnittsfläche des Abgasrückführventils durch ein PT1-Glied verzögert werden.
- Durch den zuvor erwähnten Korrekturfaktor AKORR kann ähnlich wie bei dem zuvor beschriebenen Motorfüllungsmodell die berechnete Ventilquerschnittsfläche des Abgasrückführventils in Abhängigkeit von einem Vergleich zwischen dem gemessenen und dem modellierten Ladedruck in den stationären Betriebsphasen des Verbrennungsmotors 1 korrigiert werden. Auch diesbezüglich kann hierzu ein Integrator verwendet werden, welcher die Differenz zwischen dem gemessenen und modellierten Ladedruck auswertet und als Ausgangswert den Korrekturwert AKORR für die berechnete Querschnittsfläche des Abgasrückführventils liefert.
- In Fig. 3 ist das zuvor beschriebene Abgasrückführmassenstrommodell 17 mit seinen Eingangs- und Ausgangsgrößen schematisch dargestellt.
- Mit Hilfe eines weiteren Modells, welches nachfolgend auch als Turbinenmodell bezeichnet wird, kann das Verhalten des Abgastrakts vor und nach der in Fig. 1 gezeigten Turbine 2nachgebildet werden. Als wichtigste Ausgangsgröße wird dabei von dem Turbinenmodell der Abgasgegendruck vor der Turbine 2 ermittelt. Darüber hinaus werden weiteren Ausgangs- und Zwischengrößen berechnet, auf die nachfolgend näher eingegangen werden soll.
- Innerhalb des Turbinenmodells ist der Schaufelweg s der Turbine 2 eine wichtige Größe zur Bestimmung des Abgasgegendrucks vor der Turbine 2. Der Schaufelweg s kann entweder direkt in Kombination mit einer entsprechenden Analog/Digital-Umsetzung gemessen oder über das Ansteuer-Tastverhältnis des in Fig. 1 gezeigten Stellglieds 15 ermittelt werden. Die Bestimmung des unverzögerten Schaufelwegs s über dieses Ansteuer-Tastverhältnis kann durch Zugriff auf eine entsprechende Kennlinie erfolgen, welche jeden Wert des Ansteuer-Tastverhältnisses einem entsprechenden Wert des Schaufelwegs s der Turbine 2 zuordnet. Die Dynamik der Schaufelbewegung der Turbine 2 wird vorzugsweise durch ein PT1-Glied berücksichtigt, um das Zeitverhalten des Schaufelwegs s möglichst gut nachbilden zu können.
- Die Abgastemperatur TAG vor der Turbine 2 wird in Abhängigkeit von der Einspritzmenge mkr und der Motordrehzahl n0 (normierte Motordrehzahl) bzw. n (nichtnormierte Motordrehzahl) über einen Differenztemperaturansatz zwischen der Abgastemperatur vor der Turbine 2 und der Saugrohrtemperatur, d. h. der Temperatur in dem Ansaugtrakt, bestimmt. Dabei wird die Differenztemperatur, d. h. die Temperaturerhöhung infolge der Verbrennung vor der Turbine 2, über ein Kennfeld in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge bzw. eingespritzten Kraftstoffmasse ermittelt. Der auf diese Weise gewonnene Differenztemperaturwert ΔT1ASA kann in Abhängigkeit von dem Förderbeginn, d. h. dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung in den entsprechenden Brennraum des Verbrennungsmotors 1, multiplikativ korrigiert werden, um einen endgültigen Wert für die Differenztemperatur ΔTASA, d. h. für die Temperaturerhöhung durch die Verbrennung vor der Turbine 2, zu erhalten:
(12) ΔTASA = ΔT1ASA.ΔT2ASA
- Alternativ kann auch eine additive Korrektur erfolgen:
(13) ΔTASA = ΔT1ASA + ΔT2ASA
- Der Differenztemperatur-Korrekturwert ΔT2ASA wird dabei mit Hilfe einer weiteren Kennlinie in Abhängigkeit von dem Förderbeginn FB bestimmt. Die Umschaltung zwischen den beiden zuvor genannten Alternativen (vergleiche Formeln (12) und (13)) kann in Abhängigkeit von der Stellung eines entsprechenden Schalters bzw. eines entsprechenden Bits erfolgen.
- Der ausgestossene Abgasmassenstrom dmASA des Verbrennungsmotors 1 wird aus dem von dem Verbrennungsmotor 1 bzw. dem entsprechenden Brennraum angesaugten Gasmassenstrom dmges sowie dem eingespritzten Kraftstoffmassenstrom dmkr bzw. einem von der eingespritzten Kraftstoffmasse mkr und der Motordrehzal n abhängigen Anteil berechnet:
(14) dmASA = dmges + dmkr = dmges + f(n, mkr)
- Der Gasmassenstrom dmT durch die Turbine 2 kann aus dem von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestossenen Abgasmassenstrom dmASA und dem Abgasrückführmassenstrom dmAGR ermittelt werden:
(15) dmT = dmASA - dmAGR
- Des Weiteren kann eine auf den Verdichter 7 bezogene Abgasturbolader- bzw. Verdichterdrehzahl nV mit Hilfe eines Kennfelds in Abhängigkeit von dem Frischluftmassenstrom dmV durch den Verdichter 7 und dem Druckverhältnis über dem Verdichter 7 bestimmt werden. Zur Berechnung des Druckverhältnisses über dem Verdichter 7 wird der Druck hinter dem Verdichter 7 und der Druck vor dem Verdichter 7 bestimmt, um anschließend daraus das Druckverhältnis über dem Verdichter 7 zu berechnen. Der Druck PvV vor dem Verdichter 7 bzw. PnV nach dem Verdichter 7 kann wie folgt aus dem Atmosphärendruck pA, dem von dem Heißfilm-Luftmassensensor gemessenen und bei dem in Fig. 1 gezeigten Modell eingangsseitig zugeführten Frischluftmassenstrom dmHFM, der Atmosphärentemperatur TA, dem Ladedruck Plad und der Ladetemperatur Tlad ermittelt werden:
- Dabei wird gemäss Gleichung (16) ein Verlustfaktor VFAK1 bzw. VFAK2 verwendet, um jeweils den Druckverlust vor bzw. nach dem Verdichter 7 zu berücksichtigen, welche jeweils durch Quotientenbildung aus der Gaskonstante R und dem Quadrat einer entsprechenden Ersatzfläche A2 vV bzw. A2 vV ermittelt werden.
- Der Frischluftmassenstrom dmV durch den Verdichter 7 ist folgendermaßen definiert:
- Dabei bezeichnet K eine Konstante und T0V eine Bezugs- oder Referenztemperatur des Verdichters 7, welche bei der Messung der Verdichterkennfelder verwendet wird. Die Abgasturboladerdrehzahl nATL berechnet sich aus der auf den Verdichter 7 bezogenen Abgasturboladerdrehzahl nV in Abhängigkeit von der Umgebungs- bzw. Atmosphärentemperatur TA und der Bezugstemperatur T0V des Verdichters 7 wie folgt:
- Die in den Formeln (17) und (18) enthaltene Wurzelfunktion kann aus Rechenzeitgründen durch ein quadratisches Polynom in Abhängigkeit von TA/T0V berechnet werden.
- Als weitere Ausgangsgröße wird mit Hilfe des Turbinenmodells die Temperatur TnT im Abgastrakt hinter der Turbine 2 berechnet. Dies erfolgt abhängig von der Temperatur TvT der Turbine 2 durch Nachbildung der Temperaturabsenkung über der Turbine 2, wobei zudem der Turbinenwirkungsgrad ηT wie folgt berücksichtigt wird:
(19) TnT = TvT.(1 - ΔTT.ηT)
- Die Temperaturänderung ΔTT über der Turbine 2 wird mit Hilfe einer entsprechenden Kennlinie in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis über der Turbine 2, d. h. dem Verhältnis zwischen dem Druck pvT vor der Turbine und dem Druck pnT nach der Turbine, ermittelt, während der Wirkungsgrad ηT der Turbine 2 mit Hilfe einer entsprechenden Kennlinie in Abhängigkeit von dem Schaufelweg s der Turbine 2 appliziert wird. Die Temperatur TvT vor der Turbine 2 entspricht dem bereits zuvor ermittelten Wert TAG, d. h. der Abgastemperatur vor der Turbine 2. Ebenso entspricht der Druck pvT vor der Turbine 2 dem modellierten Abgasgegendruck pAG vor der Turbine 2.
- Als weitere Größe wird der Abgasgegendruck pnT hinter der Turbine berechnet, wobei hierzu eine Druckdifferenz zwischen dem Abgastrakt hinter der Turbine 2 und dem Atmosphärendruck pA ermittelt wird. Dies kann ebenfalls über eine entsprechende Kennlinie erfolgen, wobei für diese Kennlinie als Eingangsgröße der Gasmassenstrom dmT durch die Turbine 2 verwendet wird, welcher multiplikativ wie folgt durch die Wurzel aus der Abgastemperatur TnT nach der Turbine 2 korrigiert wird:
- In Abhängigkeit von dem korrigierten Gasmassenstrom dm*T durch die Turbine 2 kann die Druckdifferenz ΔpnT zwischen dem Abgastrakt hinter der Turbine 2 und dem Atmosphärendruck pA mit Hilfe einer quadratischen Gleichung in Abhängigkeit von ΔpnT ermittelt werden, wobei die Koeffizienten dieser quadratischen Gleichung applizierbar sind. Der Abgasgegendruck pnT nach der Turbine 2 (in Bar) ergibt sich für den Fall, dass kein Abgasgegendrucksensor im Abgastrakt nach der Turbine 2 vorhanden ist, wie folgt aus der Addition des Atmosphärendrucks pA und der berechneten Druckdifferenz ΔpnT:
(21) pnT = (ΔpnT + pA)/105
- Ist hingegen ein Abgasgegendrucksensor im Abgastrakt bzw. ein Differenzdrucksensor hinter der Turbine 2 vorgesehen, so wird die von diesem Abgasgegendrucksensor gemessene Druckdifferenz ΔpAG zusätzlich zu dem modulierten Abgasgegendruck hinter der Turbine 2 addiert:
(22) pnT = (ΔpnT + pA + ΔpAG)/105
- Der Abgasgegendruck pvT vor der Turbine 2 kann aus dem Abgasgegendruck pnT nach der Turbine 2 mit Hilfe eines Polynoms mit 13 Koeffizienten in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen Turbinemassenstrom dmT, Schaufelweg s und Abgasturboladerdrehzahl nATL berechnet werden, wobei die drei zuletzt genannten Größen bevorzugt mit Hilfe entsprechender applizierbarer Parameter normiert verwendet werden. Eine beispielhafte und bevorzugten Berechnungsvorschrift zur Ermittlung des Abgasgegendrucks PvT vor der Turbine 2 ist nachfolgend angegeben, wobei jedoch im Prinzip beliebige Kombinationen der Eingangsgrößen möglich sind:
(23) pvT = Z.pnT
Z = b0 + b1.dmT + b2.(s - 0,5)
+ b3.s2 + b4.(nATL - 0,5)2
+ b5.(dmT + 0,5).(s + 0,5)
+ b6.(dmT - 0,5).s2
+ b7 (s - 1).(nATL - 0,5)2
+ b8.(s - 1).(s - 0,5)2
+ b9.(dmT - 1)2
+ b10.(dmT - 1).(dmT + 0,5)2.dmT
+ b11.[(dmT - 1).(s - 0,5)3 - 0,5].b12
+ b13
- Die Koeffizienten b0-b13 sind vorzugsweise variabel.
- Als weitere Ausgangsgröße wird der Abgasgegendruck pAGR vor dem in Fig. 1 gezeigten Abgasrückführventil 13 berechnet. Er ergibt sich wie folgt in Abhängigkeit aus dem Abgasgegendruck vor der Turbine PvT, dem Abgasrückführmassenstrom dmAGR, der Abgastemperatur vor der Turbine TvT und einer Konstanten PF:
- In der Formel (24) werden der Abgasgegendruck pvT vor der Turbine und die Abgastemperatur TvT vor der Turbine vorzugsweise mit Hilfe eines PT1-Glieds verzögert bzw. gefiltert verwendet.
- Bei diesem Ansatz wird ein Druckabfall in der Abgasrückführleitung vor und hinter dem Abgasrückführventil berücksichtigt. Der Druckabfall ist über die effektive Querschnittsfläche Aeff der Abgasrückführleitung (ohne Abgasrückführventil) applizierbar. Während einer Initialisierungsphase des Steuergeräts 4 kann hieraus der Parameter PF wie folgt berechnet werden, wobei R die Gaskonstante bezeichnet:
- Das zuvor ausführlich erläuterte Turbinenmodell 18 ist hinsichtlich seiner Eingangs- und Ausgangsgrößen schematisch in Fig. 4 dargestellt.
- Ein weiteres physikalisch basiertes Modell dient zur Nachbildung des Speicherverhaltens des Ansaugtrakts zwischen dem in Fig. 1 gezeigten Verdichter 7 und der ebenfalls in Fig.1 gezeigten Abgasrückführung-Frischluftmischstelle 10. Dieses Modell wird nachfolgend auch als Frischluftmassenstrommodell bezeichnet und besteht aus der Nachbildung eines Speichervolumens VL für die angesaugte Frischluft und einer anschließenden Drosselstelle mit der effektiven Querschnittsfläche Adr, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.
- Als Ausgangsgrößen dieses Frischluftmassenstrommodells werden insbesondere der Frischluftmassenstrom dmL durch die zuvor genannte Drosselstelle in den Einlasskrümmer, d. h. in den Motoreinlass, die gespeicherte Frischluftmasse mLs in dem Speichervolumen zwischen dem Verdichter 7 und der Abgasrückführung-Frischluftmischstelle 10 sowie der modellierte Ladedruck Pladmod bestimmt. Darüber hinaus wird die Differenz ΔdmL zwischen dem gemessenen Frischluftmassenstrom dmHFM des Heißfilm-Luftmassensensors und den in den Verbrennungsmotor 1 strömenden Frischluftmassenstrom dmL ermittelt.
- Der modellierte Ladedruck pladmod kann wie folgt aus der Frischluftmasse mlad im Volumen zwischen dem Verdichter 7 und dem Einlasskrümmer bzw. dem Motoreinlass und einer gemessenen Ladetemperatur Tlad der Frischluft berechnet werden:
- Die Ladelufttemperatur Tlad wird dabei vorzugsweise PT1-gefiltert verwendet.
- Der Frischluftmassenstrom dmL in den Einlasskrümmer kann wie folgt in Abhängigkeit von der PT1-gefilterten, gemessenen Ladelufttemperatur Tlad, dem modellierten Ladedruck pladmod der Gaskonstante R, dem modellierten Saugrohrdruck psr d. h. dem Druck des Ansauggases vor den Einlassventilen des Verbrennungsmotors 1, und der effektiven Querschnittsfläche Adr der Drosselklappe vor der Abgasrückführung-Frischluftmischstelle ermittelt werden:
- Auch der auf diese Weise ermittelte Frischluftmassenstrom dmL kann mit Hilfe eines entsprechenden PT1-Glieds gefiltert werden, um die Trägheit des Frischluftmassenstroms nachzubilden. Die bei der PT1-Filterung verwendeten Zeitkonstanten, welche die Trägheit des Frischluftmassenstroms für eine positive bzw. negative Veränderung nachbilden, sollten möglichst klein gewählt werden (z. B. < 20 ms). Die Wurzel in der Formel (27) kann wiederum durch ein Polynom dritter Ordnung angenähert werden. Wie bereits anhand des zuvor erläuterten Motorfüllungsmodells beschrieben worden ist, wird die Durchflusskenngröße DF erneut durch einen entsprechenden Funktionsaufruf ermittelt.
- Die effektive Querschnittsfläche Adr der Drosselstelle ist eine Funktion des ebenfalls durch ein PT1-Glieds verzögerten Ansteuer-Tastverhältnisses des Steuergeräts 4, wobei in diesem Fall die Zeitkonstanten des PT1-Glieds so gewählt werden sollten, dass sie weitgehend den Zeitkonstanten für das Öffnen und Schließen der Drosselklappe entsprechen.
- Aus der Massenstrombilanz des Volumens zwischen dem Verdichter 7 und dem Einlasskrümmer bzw. Motoreinlass des Verbrennungsmotors 1 ergibt sich die Frischluftmasse mlad aus der Integration des Differenzmassenstroms ΔdmL zwischen dem einströmenden, gemessenen Frischluftmassenstrom dmHFM und dem ausströmenden, modellierten Frischluftmassenstrom dmL in den Einlasskrümmer:
- Dabei bezeichnet T0 das jeweils gewählte zeitliche Integrationsintervall. Die auf diese Weise gewonnene Frischluftmasse mlad zwischen dem Verdichter und dem Einlasskrümmer des Verbrennungsmotors wird vorzugsweise über den entsprechenden Integratorausgang auf einen minimalen Wert und einen maximalen Wert begrenzt. Die Integratorzeitkonstante ist vorzugsweise mit Hilfe eines entsprechenden Parameters variabel einstellbar.
- Die auf diese Weise ermittelte Frischluftmasse mlad bildet - wie zuvor beschrieben worden ist - durch Anwendung des idealen Gasgesetzes die Grundlage zur Bestimmung des modellierten Ladedrucks Pladmod gemäß Formel (26).
- Das zuvor ausführlich erläuterte Frischluftmassenstrommodell 19 ist hinsichtlich seiner Eingangs- und Ausgangsgrößen schematisch in Fig. 6 dargestellt.
- Mit Hilfe eines weiteren Modells wird das Verhalten des Einlasskrümmers, d. h. der Verbindung zwischen der Abgasrückführung/Frischluft-Mischstelle und den Motoreinlassventilen, nachgebildet, wobei der Einlasskrümmer ebenfalls durch einen Behälter mit einem Volumen Vsr modelliert wird. Dieser Behälter wird nachfolgend als Saugrohr bezeichnet, so dass das entsprechende Modell als Saugrohrmodell bezeichnet werden kann. Eine schematische Darstellung des Ansaugtrakt-Saugrohrs ist aufbauend auf der in Fig. 5 gezeigten schematischen Darstellung des Ansaugtrakts in Fig. 7 gezeigt.
- Im Saugrohr vermischen sich der zufließende Abgasrückführungmassenstrom dmAGR und der Frischluftmassenstrom dmL zu einem Frischluft/Abgasgemisch, aus dem der Verbrennungsmotor 1 seine Füllung bezieht. Die Abgasrückführmasse und die Frischluftmasse in dem Saugrohr können aus den Massenstrombilanzen für die Frischluft und die rückgeführte Abgasmasse durch Integration berechnet werden.
- Die Frischluftmasse mL ergibt sich aus der Integration der Differenz zwischen dem zu- und abfließenden Frischluftmassenstrom in das Saugrohr:
- Wie aus Formel (29) ersichtlich ist, wird für die Berechnung der Frischluftmasse mL eine Fallunterscheidung durchgeführt in Abhängigkeit davon, ob über die Abgasrückführleitung Abgas in das Saugrohr (dmAGR ≥ 0) oder Frischluft aus dem Saugrohr in den Abgastrakt (dmAGR < 0) fließt. Innerhalb des Saugrohrmodells werden die Integratorausgänge und damit die berechnete Frischluftmasse mL vorzugsweise auf einen minimalen Wert und auf einen maximalen Wert begrenzt.
- Die Berechnung der zurückgeführten Abgasmasse mAGR im Saugrohr erfolgt analog zur Berechnung der Frischluftmasse. Durch Integration der Differenz aus dem zufließenden Abgasrückführmassenstrom dmAGR und dem in den Motor abfließenden Abgasrückführmassenstrom dmAGRmot ergibt sich die Masse mAGR der zurückgeführten Abgase im Saugrohr:
- Im Falle eines negativen Abgasrückführmassenstroms wird vereinfachend angenommen, dass nur die Frischluft über die Abgasrückführleitung in den Abgastrakt strömt, d. h. es wird angenommen: dmAGR = 0. Die Masse der zurückgeführten Abgase wird wiederum über den Integratorausgang auf einen mimalen Wert und einen maximalen Wert begrenzt.
- Die Zeitkonstanten der für die Berechnung der Luftmasse und der zurückgeführten Abgasmasse in dem Saugrohr verwendeten Integratoren sowie deren Gültigkeitsbereiche sind vorzugsweise über entsprechende Parameter veränderbar.
- Die Gesamtgasmasse msr, ergibt sich dann aus der Addition der Frischluftmasse mL und der Abgasmasse mAGR in dem Saugrohr. In einer Initialisierungsphase des Steuergeräts 4 kann jeweils für die Frischluftmasse mL und die Abgasmasse mAGR ein Anfangswert in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Temperatur und einem vorgebbaren Druck berechnet werden.
- Der Druck psr in dem Saugrohr ergibt sich in Abhängigkeit von dem Volumen Vsr aus dem idealen Gasgesetz:
- Als eine weitere Ausgangsgröße des Saugrohrmodells wird schließlich die Abgasrückführrate rAGR aus den Massenanteilen im Saugrohr wie folgt berechnet:
- Das zuvor detailliert erläuterte Saugrohrmodell 20 ist hinsichtlich seiner Eingangs- und Ausgangsgrößen schematisch in Fig. 8 dargestellt.
- In einem weiteren physikalisch basierten Modell, welches in dem Steuergerät 4 realisiert ist, wird die Saugrohrtemperatur Tsr des Frischluft/Abgasgemisches in dem Saugrohr bestimmt.
- Die Saugrohrtemperatur Tsr wird dabei in Abhängigkeit von der Abgasrückführmasse mAGR in dem Saugrohr und der Temperatur TAGR des Abgasrückführmassenstroms sowie der Frischluftmasse mL in dem Saugrohr und der (PT1-verzögerten) Temperatur Tlad des einströmenden Frischluftmassenstroms bestimmt:
- Für den Fall, dass der Nenner der Formel (33), d. h. die Gesamtmasse in dem Saugrohr, dem Wert 0 entspricht, wird die Saugrohrtemperatur Tsr auf den Wert der Temperatur Tlad des einströmenden Frischluftmassenstroms gesetzt:
(34) Tsr = Tlad für mAGR + mL = 0
- Die Wandwärmeübergänge in dem Saugrohr führen zu einer Abkühlung bzw. Erwärmung des Frischluft/Abgasgemisches. Diese Temperaturänderung kann durch Addition eines zusätzlichen Terms ΔTsr berücksichtigt werden.
(35) Tsr = Tsr + ΔTsr
- Die Temperaturänderung ΔTsr, ist abhängig von der Wandtemperatur TW des Saugrohrs sowie der Temperatur Tsr des Frischluft/Abgasgemisches im Saugrohr. Der Erwärmungs- bzw. Abkühlungseffekt durch die Wandwärmeübergänge ist zudem abhängig von dem aktuellen Motorbetriebspunkt. Dies kann mit Hilfe eines Kennfelds bei der Berechnung der Temperaturänderung ΔTsr berücksichtigt werden, wobei in diesem Kennfeld ein Faktor in Abhängigkeit von der Drehzahl n und dem in den Brennraum des Verbrennungsmotors 1 angesaugten Frischluftmassenstrom dmLmot angepasst werden kann:
(36) ΔTsr = (TW - Tsr).f(n, dmLmot)
- Aus der Formel (36) ist ersichtlich, dass die Temperaturänderung ΔTsr aus einem Differenzwert der Wandtemperatur TW des Saugrohrs und der Temperatur Tsr des Frischluft/Abgasgemisches in dem Saugrohr berechnet wird, wobei dieser Differenzwert mit einem Faktor multipliziert wird, welcher von der Motordrehzahl n und dem angesaugten Frischluftmassenstrom dmLmot des Verbrennungsmotors 1 abhängig ist. Die Wandtemperatur TW des Saugrohrs kann aus der PT1-gefilterten Kühlwassertemperatur TK und einem applizierbaren Wandwärmefaktor WF berechnet werden:
(37) TW = TK.WF
- Die Ausgangsgröße, d. h. die Saugrohrtemperatur Tsr, des Saugrohrtemperaturmodells wird wiederum bevorzugt durch ein PT1-Glied zeitlich verzögert bestimmt.
- Das zuvor erläuterte Saugrohrtemperaturmodell 21 ist hinsichtlich seiner Eingangs- und Ausgangsgrößen schematisch in Fig. 9 dargestellt.
- Wie bereits zuvor erläutert worden ist, können weitere physikalisch basierte Modelle bzw. Funktionen oder Methoden vorgesehen sein, welche aus den einzelnen zuvor detailliert beschriebenen Modellen aufgerufen werden können, um bestimmte Größen in Abhängigkeit von jeweils übergebenen Parametern bestimmen zu können. Eine derartige Funktion bzw. Methode kann - wie bereits erläutert worden ist - zur Bestimmung der Durchflusskenngröße DF vorgesehen sein.
- Darüber hinaus kann eine Funktion zur Umrechnung bestimmter Größen sowie zur Bereitstellung bestimmter Konstanten und Parameter vorgesehen sein, auf welche die einzelnen Modelle zugreifen können. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit wird in dem Gesamtmodell hauptsächlich mit Größen in SI-Einheiten gerechnet. Daher sind für die einzelnen Teil- oder Untermodelle zum Teil Vorverarbeitungen bzw. Umrechnungen der jeweils verwendeten Größen erforderlich, welche von diesem Funktionsblock wahrgenommen werden können. Dabei können separate Abschnitte bzw. Methoden für die Verarbeitung von drehzahlsynchronen Größen und zeitsynchronen Größen vorgesehen sein. Ein Beispiel für eine derartige Umrechnung ist die Umrechnung der Eingangssignale für Wegmesssysteme. Sollten für die Abgasrückführventil- und Schaufelposition Wegmesssysteme eingesetzt werden, die eine Signalverarbeitung in dem Steuergerät 4 erforderlich machen, müssen jeweils zusätzliche Kennlinien vorgesehen werden, welche die Umrechnung der Spannungssignale in den entsprechenden Weg erlauben. Ein weiteres Beispiel für eine derartige Umrechnung ist die Berücksichtigung der Hysterese und Lose des Schaufelverstellsysteme der Turbine 2. Konstruktionsbedingt besitzt das Schaufelverstellsystem ein Hystereseverhalten, welches durch die Lose zwischen den Führungszapfen des jeweiligen Steuergestänges und den Leitschaufeln auf dem Verstellring der Turbine 2 zurückgeht. Dadurch können sich Totwege bei Richtungsumkehr des Steuergestänges ergeben, in denen keine Schaufelverstellung erfolgt. Um dieses Verhalten zu berücksichtigen, wird vorzugsweise der durch ein Wegsystem ermittelte Schaufelweg einseitig richtungsabhängig verschoben, wobei sich der Totweg über einen entsprechenden Parameter applikativ einstellen lässt.
- Eine weitere zentral bereitgestellte Methode bzw. ein weiterer zentral bereitgestellter Funktionsblock kann zur Realisierung der bereits zuvor erläuterten PT1-Filterung verschiedener Größen vorgesehen sein. Zu diesem Zweck ist diese Methode derart realisiert, dass sie mit zwei Zeitkonstanten, welche in Abhängigkeit von der Eingangssignalrichtung (auf- oder absteigend) umgeschaltet werden, aufgerufen wird. Darüber hinaus wird diese Methode neben der Angabe des jeweiligen Eingangssignals vorzugsweise auch mit einem Parameter aufgerufen, welcher das jeweilige Zeitraster beschreibt. Der Rückgabewert dieser Methode bzw. dieses Funktionsblocks ist dann das PT1-gefilterte Eingangssignal. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Verbrennungsmotor
2 Turbine
3 Schnittstelle
4 Steuergerät
5 Einspritzsystem
6 Luftfilter
7 Verdichter
8 Ladeluftkühler
9 Ersatzvolumen
10 Einlasssammler
11 Abgassammler
12 Abgasanlage
13 Ventil
14 Turboladerwelle
15 Leitschaufelverstellung der Turbine
16 Motorfüllungsmodell
17 Abgasrückführmassenstrommodell
18 Turbinenmodell
19 Frischluftmassenstrommodell
20 Saugrohrmodell
21 Saugrohrtemperaturmodell
psr Druck des Frischluft/Abgasgemisches im Saugrohr
Tsr Temperatur des Frischluft/Abgasgemisches im Saugrohr
n0 normierte Motordrehzahl
rAGR Abgasrückführrate
ai Koeffizient
mkr eingespritze Kraftstoffmasse
KORR Korrekturfaktor
mges angesaugte Gesamtgasmasse im Brennraum des Verbrennungsmotors
dmges angesaugter Gesamtgasmassenstrom im Brennraum des Verbrennungsmotors
dmLmot angesaugter Luftmassenstrom im Brennraum des Verbrennungsmotors
mLmot Frischluftmasse im Brennraum des Verbrennungsmotors
dmAGRmot angesaugter Abgasrückführmassenstrom im Brennraum des Verbrennungsmotors
mAGRmot Abgasmasse im Brennraum des Verbrennungsmotors
RL Luftverhältnis
pAGR Abgasgegendruck
AAGR Querschnittsfläche des Abgasrückführventils
DF Durchflusskenngröße
TAG Abgastemperatur
RF Rohrfaktor
TK Kühlwassertemperatur
AKORR Korrekturfaktor
dmAGR Abgasrückführmassenstrom
TAGR Temperatur des Abgasrückführmassenstroms
n Motordrehzahl
FB Förderbeginn
TA Atmosphärentemperatur
pA Atmosphärendruck
Tlad Ladetemperatur des Frischluftmassenstroms
plad Ladedruck des Frischluftmassenstroms
Aeff effektive Querschnittsfläche der Abgasrückführleitung
s Schaufelweg der Turbine
TvT Abgastemperatur vor der Turbine
TnT Abgastemperatur hinter der Turbine
dmASA ausgestossener Abgasmassenstrom
dmT Abgasmassenstrom durch die Turbine
PvV Druck vor dem Verdichter
PnV Druck hinter dem Verdichter
nATL Abgasturboladerdrehzahl
dmV Frischluftmassenstrom durch den Verdichter
pnT Druck hinter der Turbine
PvT Druck vor der Turbine
ΔpAG Druckdifferenz im Abgastrakt
dmHFM von einem Heißfilm-Luftmassensensor gemessener Frischluftmassenstrom
VL Speichervolumen des Frischluftmassenstroms
Adr Querschnittsfläche einer Drosselstelle
mLs gespeicherte Frischluftmasse in dem Speichervolumen
pladmod modellierter Ladedruck
ΔdmL Differenz zwischen dem gemessenen Frischluftmassenstrom und dem Frischluftmassenstrom aus dem Speichervolumen
mlad Frischluftmasse zwischen dem Verdichter und dem Saugrohr des Verbrennungsmotors
msr Masse des Frischluft/Abgasgemisches in dem Saugrohr
Vsr Saugrohrvolumen
mL Frischluftmasse in dem Saugrohr
mAGR Abgasmasse in dem Saugrohr
WF Wandwärmefaktor des Saugrohrs
pndr Druck hinter einer Drosselstelle
Pvdr Druck vor einer Drosselstelle
Claims (65)
1. Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem
Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung,
wobei Frischluft mit einem über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) an einer Mischstelle (10) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zusammensetzung des Gasgemisches in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) unter Ermittlung entsprechender Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors (1) mittels Verwendung entsprechender physikalisch basierter Modelle (16-21), welche in Bezug auf die jeweils zu ermittelnde Zustandsgröße das Verhalten des Verbrennungsmotors (1) nachbilden, bestimmt wird.
wobei Frischluft mit einem über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) an einer Mischstelle (10) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zusammensetzung des Gasgemisches in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) unter Ermittlung entsprechender Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors (1) mittels Verwendung entsprechender physikalisch basierter Modelle (16-21), welche in Bezug auf die jeweils zu ermittelnde Zustandsgröße das Verhalten des Verbrennungsmotors (1) nachbilden, bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zusammensetzung und Masse des Gasgemisches in dem Brennraum des
Verbrennungsmotors (1) mittels Verwendung der physikalisch basierten Modelle (16-21)
bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit einem Modell (16) die Befüllung des Brennraums des Verbrennungsmotors (1)
mit dem von der Mischstelle (10) zugeführten Gasgemisch nachgebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells die Gesamtmasse (mges) des Gasgemisches in dem
Brennraum des Verbrennungsmotors (1) in Abhängigkeit von dem Druck (psr) und der
Temperatur (Tsr) des Gasgemisches vor dem Verbrennungsmotor (1) bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gesamtmasse (mges) des Gasgemisches in dem Brennraum des
Verbrennungsmotors (1) mit Hilfe eines linearen Ansatzes in Abhängigkeit von dem
Druck (psr) und der Temperatur (Tsr) des Gasgemisches vor dem Verbrennungsmotor
(1) unter Verwendung von Koeffizienten, welche abhängig von der Drehzahl (n) des
Verbrennungsmotors (1) sind, bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koeffizienten durch quadratische Polynome in Abhängigkeit von der Drehzahl
(n) des Verbrennungsmotors (1) ermittelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Koeffizienten mit Hilfe von Kennlinien, welche abhängig von der Drehzahl (n)
des Verbrennungsmotors (1) sind, ermittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Bestimmung der Gesamtmasse (mges) in Abhängigkeit von dem Druck (psr)
und der Temperatur (Tsr) vor dem Verbrennungsmotor (1) ein Korrekturfaktor (KORR) in
dem linearen Ansatz zur Adaption des Modells (16) an das tatsächliche Verhalten des
Verbrennungsmotors (1) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Korrekturfaktor (KORR) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem
gemessenen Druck (Plad) der Frischluft und einem mit Hilfe eines weiteren physikalisch
basierten Modells (19) bestimmten Druck (pladmod) der Frischluft eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-9,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Gesamtmasse (mges) mit Hilfe des Modells (16) der
Gesamtgasmassenstrom (dmges) des Gasgemisches in den Brennraum des
Verbrennungsmotors (1) bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Abhängigkeit von dem Gesamtgasmassenstrom (dmges) in den Brennraum des
Verbrennungsmotors (1) der Frischluftmassenstrom (dmLmot) und der
Abgasrückführmassenstrom (dmAGRmot) in den Brennraum des Verbrennungsmotors (1)
unter Berücksichtigung einer Abgasrückführrate (rAGR) bestimmt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-11,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Abhängigkeit von der in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1)
befindlichen Gesamtmasse (mges) die Frischluftmasse (mLmot) und die Abgasmasse
(mAGRmot) in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) unter Berücksichtigung einer
Abgasrückführrate (rAGR) bestimmt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Frischluftmasse (mLmot) in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1)
und einer in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) eingespritzten
Kraftstoffmasse (mkr) ein Luftverhältnis (RL) im Brennraum des Verbrennungsmotors (1)
bestimmt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe eines physikalisch basierten Modells (17) der über die Abgasrückführung
zu der Mischstelle (10) fließende Abgasrückführmassenstrom (dmAGR) nachgebildet
wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abgasrückführmassenstrom (dmAGR) in Abhängigkeit von einer
Durchflusskenngröße (DF), einer effektiven Querschnittsfläche (AAGR) eines in der
Abgasrückführung enthaltenen Abgasrückführventils (13), einer Gaskonstante (R) sowie
einem Abgasgegendruck (pAGR) und einer Temperatur des zurückgeführten Abgases
(TAGR) vor dem Abgasrückführventil (13) bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verlauf der Temperatur des über die Abgasrückführung zurückgeführten
Abgases mit Hilfe des Modells (17) nachgebildet und daraus die Temperatur (TAGR) des
zurückgeführten Abgases vor dem Abgasrückführventil (13) abgeleitet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abgasrückführmassenstrom dmAGR aus der effektiven Querschnittsfläche AAGR
des Abgasrückführventils (13), dem Abgasgegendruck pAGAR der Temperatur TAGR, der
Gaskonstante R und der Durchflusskenngröße DF wie folgt ermittelt wird:
wobei für den Fall, dass der Abgasrückführmassenstrom von einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors (1) in einen Abgastrakt des Verbrennungsmotors (1) strömt, als Wert für den Abgasgegendruck der Ladedruck der Frischluft in dem Ansaugtrakt und als Wert für die Temperatur die Ladetemperatur der Frischluft in dem Ansaugtrakt verwendet wird.
wobei für den Fall, dass der Abgasrückführmassenstrom von einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors (1) in einen Abgastrakt des Verbrennungsmotors (1) strömt, als Wert für den Abgasgegendruck der Ladedruck der Frischluft in dem Ansaugtrakt und als Wert für die Temperatur die Ladetemperatur der Frischluft in dem Ansaugtrakt verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die effektive Querschnittsfläche (AAGR) des Abgasrückführventils (13) in
Abhängigkeit von einem Vergleich zwischen einem gemessenen Ladedruck (Pad), mit
welchem die Frischluft der Mischstelle (10) zugeführt wird, und einem mit Hilfe eines
weiteren Modells (19) modellierten Ladedruck (Pladmod) durch Verwendung eines
entsprechenden Korrekturfaktors (AKORR) angepasst wird.
19. Verfahren nach einem Ansprüche 15-18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchflusskenngröße (DF) aus dem Druckverhältnis über dem
Abgasrückführventil (13) abgeleitet wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe eines physikalisch basierten Modells (18) das Verhalten eines
Abgastrakts des Verbrennungsmotors (1) vor und nach einer dem Verbrennungsmotor
(1) zugeordneten Turbine (2) nachgebildet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung eines Abgasgegendrucks (pAG) vor der Turbine (2) der
Schaufelweg (s) der Turbine (2) gemessen oder aus einem Ansteuer-Tastverhältnis
eines zur Verstellung der Schaufeln der Turbine (2) vorgesehenen Stellglieds (15)
abgeleitet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (18) eine Abgastemperatur (TAG) vor der Turbine (2) in
Abhängigkeit von der in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) eingespritzten
Kraftstoffmasse (mkr) und der Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors (1) bestimmt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Abgastemperatur (TAG) vor der Turbine (2) eine auf die
Temperatur (Tsr) des Gasgemisches zwischen der Mischstelle (10) und dem
Verbrennungsmotor (1) bezogene Temperaturveränderung in Abhängigkeit von der
eingespritzten Kraftstoffmasse (mkr) und der Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors
bestimmt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturänderung in Abhängigkeit von einem Förderbeginn (FB) des in dem
Brennraum des Verbrennungsmotors (1) einzuspritzenden Kraftstoffs korrigiert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-24,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein von dem Verbrennungsmotor (1) ausgestossener Abgasmassenstrom (dmASA)
mit Hilfe des Modells (18) aus einem dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1)
zugeführten Gesamtmassenstrom (dmges) des Gasgemisches und einer in den
Brennraum des Verbrennungsmotors (1) eingespritzten Kraftstoffmasse (mkr) abgeleitet
wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (18) aus dem von dem Verbrennungsmotor (1)
ausgestossenen Abgasmassenstrom (dmASA) und einem über die Abgasrückführung
fließenden Abgasrückführmassenstrom (dmAGR) ein durch die Turbine (2) fließender
Abgasmassenstrom (dmT) bestimmt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-26,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (18) eine Drehzahl (nATL) einer mit der Turbine (2) und einem
dem Verbrennungsmotor (1) zugeordneten Verdichter (7) gekoppelten
Abgasturboladerwelle (14) in Abhängigkeit von einem durch den Verdichter (7)
fließenden Frischluftmassenstrom (dmV) und einem Druckverhältnis (PvV, pnV) über dem
Verdichter (7) bestimmt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung des Druckverhältnisses über dem Verdichter (7) ein Druck (PvV)
vor dem Verdichter (7) aus dem Atmosphärendruck (pA), einem gemessenen
Frischluftmassenstrom (dmHFM) und der Atmosphärentemperatur (TA) sowie ein Druck
(pnV) nach dem Verdichter (7) aus einem Ladedruck (Plad), mit welchem die Frischluft
von dem Verdichter (7) der Mischstelle (10) zugeführt wird, dem gemessenen
Frischluftmassenstrom (dmHFM) und einer Ladetemperatur (Tlad), mit welcher die
Frischluft von dem Verdichter (7) der Mischstelle (10) zugeführt wird, bestimmt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet,
dass der durch den Verdichter (7) fließende Frischluftmassenstrom (dmV) aus dem
gemessenen Frischluftmassenstrom (dmHFM) und dem Druck (PvV) vor dem Verdichter
(7) mit Hilfe einer auf die Atmosphärentemperatur (TA) und einer Bezugstemperatur des
Verdichters (7) bezogenen Normierung bestimmt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-29,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (18) eine Abgastemperatur (TnT) nach der Turbine (2) in
Abhängigkeit von einer Abgastemperatur (TvT) vor der Turbine (2), einer
Temperaturänderung über der Turbine (2) und einem Turbinenwirkungsgrad bestimmt
wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperaturänderung über der Turbine (2) in Abhängigkeit von einem
Druckverhältnis über der Turbine (2) bestimmt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wirkungsgrad der Turbine in Abhängigkeit von einem Schaufelweg (s) der
Turbine (2) bestimmt wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30-32,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgastemperatur TnT nach der Turbine (2) in Abhängigkeit von der
Abgastemperatur TvT vor der Turbine (2), der Temperaturänderung ΔTT über der
Turbine (2) und dem Wirkungsgrad ηT der Turbine (2) wie folgt bestimmt wird:
TnT = TvT.(1 - ΔTT.ηT).
TnT = TvT.(1 - ΔTT.ηT).
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-33,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abgasgegendruck (pnT) hinter der Turbine (2) mit Hilfe des Modells (18) aus
einem Druckdifferenzwert, welcher die Differenz zwischen dem Abgasgegendruck hinter
der Turbine und dem Atmosphärendruck (pA) bezeichnet, abgeleitet wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druckdifferenzwert in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom (dmT) durch
die Turbine (2) bestimmt wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druckdifferenzwert in Abhängigkeit von dem Abgasmassenstrom (dmT) durch
die Turbine (2) bestimmt wird, nachdem der Abgasmassenstrom (dmT) durch die
Turbine (2) multiplikativ mit Hilfe eines Faktors, welcher der Wurzel aus einer
Abgastemperatur (TnT) nach der Turbine (2) entspricht, korrigiert worden ist.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 34-36,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abgasgegendruck (pnT) hinter der Turbine (2) durch Addition des
Druckdifferenzwerts mit dem Atmosphärendruck (pA) bestimmt wird.
38. Verfahren nach Anspruch 37,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe eines Abgasgegendrucksensors eine Druckdifferenz im Abgastrakt hinter
der Turbine (2) gemessen wird, wobei der Abgasgegendruck (pnT) hinter der Turbine (2)
durch Addition der von dem Abgasgegendrucksensor gemessenen Druckdifferenz mit
dem erstgenannten Druckdifferenzwert und dem Atmosphärendruck (pA) bestimmt wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-38,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abgasgegendruck (pvT) vor der Turbine (2) aus einem Abgasgegendruck (PnT)
nach der Turbine (2), einem durch die Turbine (2) fließenden Abgasmassenstrom (dmT),
einem Schaufelweg (s) der Turbine (2) und einer Drehzahl (nATL) einer mit der Turbine
(2) gekoppelten Abgasturboladerwelle (14) bestimmt wird.
40. Verfahren nach Anspruch 39,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abgasgegendruck pvT vor der Turbine (2) aus dem Abgasgegendruck (pnT)
nach der Turbine, dem Abgasmassenstrom dmT durch die Turbine (2), dem
Schaufelweg s der Turbine (2) und der Drehzahl nATL der Abgasturboladerwelle (14) wie
folgt bestimmt wird:
PvT = Z.pnT mit
Z = b0 + b1.dmT + b2.(s - 0,5)
+ b3.s2 + b4.(nATL - 0,5)2
+ b5.(dmT + 0,5).(s + 0,5)
+ b6.(dmT + 0,5).s2
+ b7.(s - 1).(nATL - 0,5)2
+ b8.(s - 1).(s - 0,5)2
+ b9.(dmT - 1)2
+ b10.(dmT - 1).(dmT + 0,5)2.dmT
+ b11.[(dmT - 1).(s - 0,5)3 - 0,5].b12
+ b13,
wobei b0-b13 Koeffizienten bezeichnen.
PvT = Z.pnT mit
Z = b0 + b1.dmT + b2.(s - 0,5)
+ b3.s2 + b4.(nATL - 0,5)2
+ b5.(dmT + 0,5).(s + 0,5)
+ b6.(dmT + 0,5).s2
+ b7.(s - 1).(nATL - 0,5)2
+ b8.(s - 1).(s - 0,5)2
+ b9.(dmT - 1)2
+ b10.(dmT - 1).(dmT + 0,5)2.dmT
+ b11.[(dmT - 1).(s - 0,5)3 - 0,5].b12
+ b13,
wobei b0-b13 Koeffizienten bezeichnen.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-40,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (18) ein Abgasgegendruck (pAGR) des über die
Abgasrückführung zurückgeführten Abgases in Abhängigkeit von einem über die
Abgasrückführung fließenden Abgasrückführmassenstrom (dmAGR), einer
Abgastemperatur (TvT) vor der Turbine (2) und einem Abgasgegendruck (pvT) des von
dem Verbrennungsmotor (1) ausgestossenen Abgases vor der Turbine (2) bestimmt
wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abgasgegendruck pAGR in der Abgasrückführleitung in Abhängigkeit von dem
Abgasgegendruck PvT vor der Turbine (2), dem Abgasrückführmassenstrom dmAGR in
der Abgasrückführleitung und der Abgastemperatur TAT vor der Turbine (2) wie folgt
bestimmt wird:
wobei PF eine Abgasgegendruckkonstante bezeichnet.
wobei PF eine Abgasgegendruckkonstante bezeichnet.
43. Verfahren nach Anspruch 42,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgasgegendruckkonstante (PF) in Abhängigkeit von einer effektiven
Querschnittsfläche (Aeff) der Abgasrückführleitung bestimmt wird.
44. Verfahren nach Anspruch 43,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgasgegendruckkonstante PF wie folgt aus der Gaskonstante R und der
effektiven Querschnittsfläche Aeff der Abgasrückführleitung abgeleitet wird:
45. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe eines physikalisch basierten Modells (19) das Speicherverhalten eines
Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors (1) zwischen einem dem Verbrennungsmotor (1)
zugeordneten Verdichter (7) und der Mischstelle (10) nachgebildet wird.
46. Verfahren nach Anspruch 45,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Speicherhalten des Ansaugtrakts durch Modellierung eines Speichervolumens
(VL) für die von dem Ansaugtrakt angesaugte Frischluft mit einer anschließenden
Drosselstelle mit einer bestimmten effektiven Querschnittsfläche (Adr) nachgebildet wird.
47. Verfahren nach Anspruch 46,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein über den Ansaugtrakt zu der Mischstelle (10) fließender Frischluftmassenstrom
(dmL) in Abhängigkeit von einer Temperatur (Tlad) und einem Druck (pladmod) der
Frischluft sowie der effektiven Querschnittsfläche (Adr) der Drosselstelle bestimmt wird.
48. Verfahren nach Anspruch 47,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Frischluftmassenstrom dmL in Abhängigkeit von der Temperatur Tlad der
Frischluft, dem Druck Pladmod der Frischluft, der effektiven Querschnittsfläche Adr der
Drosselstelle und einer Durchflusskenngröße DF wie folgt bestimmt wird:
49. Verfahren nach Anspruch 47 oder 48,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druck (pladmod) der Frischluft in Abhängigkeit von einer zwischen dem
Verdichter (7) und der Mischstelle (10) befindlichen Frischluftmasse (mlad) und der
Temperatur (Tlad) der Frischluft bestimmt wird.
50. Verfahren nach Anspruch 49,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druck Pladmod der Frischluft in Abhängigkeit von der Frischluftmasse (mlad), dem
Speichervolumen VL und der Temperatur Tlad der Frischluft wie folgt bestimmt wird:
wobei R eine Gaskonstante bezeichnet.
wobei R eine Gaskonstante bezeichnet.
51. Verfahren nach Anspruch 49 oder 50,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Frischluftmasse (mlad) durch zeitliches Integrieren einer
Frischluftmassenstromdifferenz zwischen einem in den Verdichter (7) fließenden
Frischluftmassenstrom (dmHFM) und dem von dem Verdichter (7) zu der Mischstelle (10)
fließenden Frischluftmassenstrom (dmL) ermittelt wird.
52. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe eines Modells (20) das Verhalten einer von der Mischstelle (10) zu dem
Verbrennungsmotor (1) führenden Verbindung, welche dem Brennraum des
Verbrennungsmotors (1) das Gasgemisch der Mischstelle (10) zuführt, nachgebildet
wird.
53. Verfahren nach Anspruch 52,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Frischluftmasse (mL) und eine Abgasmasse (mAGR) in der Verbindung durch
zeitliches Integrieren einer Differenz zwischen einem der Verbindung zugeführten
Frischluftmassenstrom (dmL) und einem von der Verbindung dem Verbrennungsmotor
(1) zugeführten Frischluftmassenstrom (dmLmot) bzw. durch zeitliches Integrieren einer
Differenz zwischen einem der Verbindung über die Abgasrückführung zugeführten
Abgasmassenstrom (dmAGR) und einem von der Verbindung dem Verbrennungsmotor
(1) zugeführten Abgasmassenstrom (dmAGRmot) bestimmt wird.
54. Verfahren nach Anspruch 53,
dadurch gekennzeichnet,
dass die in der Verbindung befindliche Frischluftmasse mL und die in der Verbindung
befindliche Abgasmasse mAGR in Abhängigkeit von dem der Verbindung zugeführten
Frischluftmassenstrom dmL, dem der Verbindung zugeführten Abgasmassenstrom
dmAGR, dem von der Verbindung dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten
Frischluftmassenstrom dmLmot und dem von der Verbindung dem Verbrennungsmotor
(1) zugeführten Abgasmassenstrom dmAGRmot wie folgt bestimmt werden:
wobei t einen Integrationszeitpunkt und T0 ein Integrationsintervall bezeichnet.
wobei t einen Integrationszeitpunkt und T0 ein Integrationsintervall bezeichnet.
55. Verfahren nach Anspruch 53 oder 54,
dadurch gekennzeichnet,
dass die in der Verbindung befindliche Gesamtgasmasse (msr) durch Addition der in der
Verbindung befindlichen Frischluftmasse (mL) und der in der Verbindung befindlichen
Abgasmasse (mAGR) ermittelt wird.
56. Verfahren nach Anspruch 55,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (20) der in der Verbindung herrschende Druck aus der in der
Verbindung befindlichen Gesamtgasmasse (msr), einer Temperatur (Tsr) in der
Verbindung und einem Volumen (Vsr) der Verbindung bestimmt wird.
57. Verfahren nach Anspruch 55 oder 56,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Abgasrückführrate (rAGR) durch in Beziehung setzen der in der Verbindung
befindlichen Abgasmasse (mAGR) zu der in der Verbindung befindlichen
Gesamtgasmasse (msr) bestimmt wird.
58. Verfahren nach einem der Ansprüche 52-57,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (20, 21) eine Temperatur (Tsr) des über die Verbindung im
Brennraum des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches bestimmt wird.
59. Verfahren nach Anspruch 58 und einem der Ansprüche 53-57,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit Hilfe des Modells (20, 21) die Temperatur (Tsr) des über die Verbindung dem
Brennraum des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches in Abhängigkeit
von der Abgasmasse (mAGR) in der Verbindung, einer Temperatur (TAGR) des über die
Abgasrückführung zurückgeführten Abgasrückführmassenstroms (dmAGR), der
Frischluftmasse (mL) in der Verbindung und einer Temperatur (Tlad) des der Verbindung
zugeführten Frischluftmassenstroms (dmL) bestimmt wird.
60. Verfahren nach Anspruch 59,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatur Tsr des Gasgemisches in der Verbindung in Abhängigkeit von der
Abgasrückführmasse mAGR in der Verbindung, der Temperatur TAGR des
Abgasrückführmassenstroms, der Frischluftmasse mL in der Verbindung und der
Temperatur Tlad des zugeführten Frischluftmassenstroms wie folgt bestimmt wird:
61. Verfahren nach einem der Ansprüche 58-60,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatur (Tsr) des Gasgemisches in der Verbindung durch einen Betrag
korrigiert wird, welcher von einer Differenz zwischen einer Wandtemperatur (Tw) der
Verbindung und der Temperatur (Tsr) des Gasgemisches in der Verbindung sowie einem
damit multiplizierten Faktor abhängt, wobei der Faktor wiederum von der Drehzahl (n)
des Verbrennungsmotors (1) und einem über die Verbindung dem Brennraum des
Verbrennungsmotors zugeführten Frischluftmassenstrom (dmLmot) abhängt.
62. Verfahren nach Anspruch 61,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wandtemperatur (Tw) der Verbindung aus einer Kühlwassertemperatur (TK)
des Verbrennungsmotors (1) und einem Wandwärmefaktor (WF) der Verbindung
abgeleitet wird.
63. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren automatisch von einem Steuergerät (4), welches Bestandteil eines
Motormanagementsystems des Verbrennungsmotors (1) ist, ausgeführt wird.
64. Steuersystem für einen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung,
wobei Frischluft mit einem über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) in einer Mischstelle (10) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch einem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersystem derart ausgestaltet ist, dass es zur Steuerung des Verbrennungsmotors (1) automatisch die Zusammensetzung des Gasgemisches in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) unter Berechnung entsprechender Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors (1) mittels Verwendung entsprechender physikalisch basierter Modelle (16-21), welche in Bezug auf die jeweils zu berechnende Zustandsgröße das Verhalten des Verbrennungsmotors (1) nachbilden, bestimmt.
wobei Frischluft mit einem über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) in einer Mischstelle (10) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch einem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersystem derart ausgestaltet ist, dass es zur Steuerung des Verbrennungsmotors (1) automatisch die Zusammensetzung des Gasgemisches in dem Brennraum des Verbrennungsmotors (1) unter Berechnung entsprechender Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors (1) mittels Verwendung entsprechender physikalisch basierter Modelle (16-21), welche in Bezug auf die jeweils zu berechnende Zustandsgröße das Verhalten des Verbrennungsmotors (1) nachbilden, bestimmt.
65. Steuersystem nach Anspruch 64,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuersystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1-63 ausgestaltet ist.
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10158262A DE10158262A1 (de) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung und entsprechend ausgestaltetes Steuersystem für einen Verbrennungsmotor |
EP06013406A EP1715163A1 (de) | 2001-11-28 | 2002-11-11 | Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung |
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EP06013405A EP1701025B1 (de) | 2001-11-28 | 2002-11-11 | Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung |
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PCT/EP2002/012580 WO2003046356A2 (de) | 2001-11-28 | 2002-11-11 | Verfahren zur bestimmung der zusammensetzung des gasgemisches in einem brennraum eines verbrennungsmotors mit abgasrückführung und entsprechend ausgestaltetes steuersystem für einen verbrennungsmotor |
US10/850,531 US7174713B2 (en) | 2001-11-28 | 2004-05-20 | Method for determination of composition of the gas mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation and correspondingly configured control system for an internal combustion engine |
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DE10158262A DE10158262A1 (de) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung und entsprechend ausgestaltetes Steuersystem für einen Verbrennungsmotor |
Publications (1)
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ID=7707191
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