DE10162970B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brennraum (19) auftretende Brennraumdruck erfasst und davon abhängig eine Dichte des Gasgemisches bestimmt und aus der Dichte des Gasgemisches ein dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführter Gasmassenstrom (mELS) des Gasgemisches abgeleitet wird, und dass in Abhängigkeit von dem erfassten Brennraumdruck eine Temperatur (TELS_in) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas und eine infolge einer Verbrennung des Gasgemisches in dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) auftretende Temperaturänderung des Gasgemisches bestimmt wird, um davon abhängig eine Abgasrückführrate zu bestimmen, welche ein Verhältnis zwischen dem Abgasrückfuhrmassenstrom (mAGR) des Abgases und dem Gasmassenstrom (mELS) beschreibt, und dass in Abhängigkeit von dem Gasmassenstrom (mELS) und der Abgasrückführrate der Abgasrückführmassenstrom (mAGR) bestimmt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors.
  • Für eine insbesondere emissionsoptimale Regelung eines Verbrennungsmotors, z. B. eines aufgeladenen Dieselmotors, ist die genaue Kenntnis einer möglichst großen Anzahl von Betriebsparametern des Motorsystems von entscheidender Bedeutung. Ein derartiger Betriebsparameter ist bei einem Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung beispielsweise der Abgasrückführmassenstrom, d. h. der Massenstrom des von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases, welches über eine Abgasrückführleitung einer Mischstelle zugeführt wird, wo das Abgas mit angesaugter Frischluft gemischt wird, um das daraus resultierende Frischluft/Abgasgemisch den Brennräumen des Verbrennungsmotors zuzuführen.
  • In diesem Zusammenhang offenbart die DE 4 443 517 A1 eine Einrichtung zur Lasterfassung bei einer Brennkraftmaschine, bei welcher der Zylinderdruck in wenigstens einem Zylinder mit Hilfe eines Drucksensors ermittelt wird. Die Last wird dann entweder aus der Differenz von Druckwerten bei zwei verschiedenen Kurbelwellenwinkeln oder der Differenz von zwei verschiedenen Integralwerten gebildet, wobei die beiden Integralwerte durch Integration des Drucksignals während der Kompressions- und während der Ansaugphase ermittelt werden.
  • Die DE 19 963 358 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Luftsystem. Mittels wenigstens eines Modells wird wenigstens eine Größe, welche das Luftsystem charakterisiert, ausgehend von wenigstens einer Stellgröße und/oder wenigstens einer Messgröße, welche den Zustand der Umgebungsluft charakterisiert, bestimmt. Als Messgröße werden wenigstens eine Drehzahlgröße, welche die Drehzahl der Brennkraftmaschine charakterisiert, eine Umgebungstemperatur und/oder ein Umgebungsdruck verwendet.
  • Die DE 19 844 637 C1 betrifft eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, in welchem eine Drosselklappe angeordnet ist. Die Steuereinrichtung umfasst einen Beobachter, der ein dynamisches Modell des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine umfasst, und einen Regler, dessen Regel- und Führungsgröße der Saugrohrdruck in dem Ansaugtrakt ist, dessen Regelparameter von Größen abhängen, die der Beobachter ermittelt, und der ein Stellsignal zum Steuern der Drosselklappe erzeugt.
  • Derzeit ist der Abgasrückführmassenstrom nicht exakt messbar. Empirisch oder physikalisch basierte Modelle, mit denen der Abgasrückführmassenstrom aus anderen Betriebsparametern des Motorsystems abgeleitet werden kann, weisen eine unzureichende Genauigkeit auf.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, womit einerseits eine möglichst genaue Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms möglich ist und andererseits hierzu lediglich Betriebsparameter verwendet werden, welche entweder einfach mit Hilfe entsprechender Sensoren erfasst werden können oder in dem entsprechenden Motormanagementsystem ohnehin bereits vorliegen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruches 14 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 24 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Erfindungsgemäß wird der Brennraumdruckverlauf in den Brennräumen bzw. Zylindern des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Kurbelwellenposition erfasst, um davon abhängig sowie unter Auswertung weiterer ohnehin bekannter oder leicht ermittelbarer bzw. ableitbarer Zustandsgrößen den Abgasrückführmassenstrom zu bestimmen.
  • Hierzu werden verschiedene Ausführungsbeispiele vorgestellt, wobei jeweils eine separate Messung des Abgasrückführmassenstroms entfallen kann und eine einfache Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms mit Hilfe der entsprechenden Modelle möglich ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher anhand der beigefügten Zeichnung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Echtzeitsimulators zur Simulierung des Gasstroms in einem Kraftfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung, und
  • 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Zylinder- bzw. Brennraumdruckerfassung in einem Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In 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 2 und der Verdichter 7 auf einer gemeinsamen Welle 14, der so genannten Turboladerwelle, 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 Verbrennungsmotor 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. Durch die Reduktion der Abgastemperatur in dem Ladeluftkühler 8 wird die Luft durch Anreicherung von Sauerstoff verdichtet, ohne jedoch den Druck zu erhöhen. Den einzelnen Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 ist ein Einlass-Sammler (ELS) 10 vorgeschaltet. Das in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 erzeugte Abgas wird von einem Abgas-Sammler (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 Abgas-Sammler 11 über eine Abgasrückführung (AGR) 22 mit einem Abgasrückführventil 23 an den Einlass-Sammler 10 zurückgeführt, wo das zurückgeführte Abgas mit der angesaugten Frischluft gemischt und das Frischluft/Abgasgemisch dem entsprechenden Brennraum des Verbrennungsmotors 1 zugeführt wird.
  • Des Weiteren ist in 1 ein Steuergerät 4 dargestellt, welches ein Bestandteil eines entsprechenden Motormanagementsystems des Kraftfahrzeugs ist. Von dem Steuergerät 4 werden verschiedene Größen oder Betriebsparameter des dargestellten Motorsystems überwacht, welche mit Hilfe entsprechender Sensoren erfasst und über eine Schnittstelle 3 dem Steuergerät 4 zugeführt werden. Dabei kann es sich insbesondere um den in den einzelnen Zylindern bzw. Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 auftretenden Brennraumdruck, um die von einem Kurbelwellensensor erfasste Stellung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 oder um die Abgastemperatur in der Abgasrückführleitung 22 oder in dem Auslass-Sammler 11 handeln. In 1 ist als weiteres Beispiel für von durch das Steuergerät 4 auszuwertenden Betriebsparametern die über den Luftfilter 6 mit Hilfe des Verdichters 7 angesaugte Frischluftmenge, die in dem Ersatzvolumen 9 vorhandene Lufttemperatur bzw. der entsprechende Luftdruck und die Turbinen- bzw. Turboladerwellendrehzahl angedeutet, welche allesamt über die Schnittstelle 3 dem Steuergerät 4 zugeführt sind. Die auf diese Weise von dem Steuergerät 4 erfassten Messgrößen werden ausgewertet, um davon abhängig verschiedene Stellsignale für das Motormanagementsystem zu erzeugen. Wie in 1 angedeutet ist, können die über die Schnittstelle 3 von dem Steuergerät 4 ausgegebenen Steuersignale beispielsweise das Tastverhältnis des in der Abgasrückführung 22 angeordneten Abgasrückführventils 23, die Leitschaufelverstellung 15 der Turbine 2 oder auch den Einspritzzeitpunkt sowie die Einspritzmenge des in die einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors 1 über ein Einspritzsystem 5 eingespritzten Luftkraftstoffgemisches steuern.
  • Mit den Bezugszeichen 13 sind in 1 jeweils in entsprechenden Luft- bzw. Gaspfaden angeordnete Ventile bezeichnet.
  • Wie nachfolgend näher erläutert wird, ist das Steuergerät 4 in der Lage, durch Auswertung bestimmter Messgrößen, welche bei bekannten Motormanagementsystemen zumindest teilweise ohnehin zur Verfügung stehen, den Abgasrückführmassenstrom, d. h. den Massenstrom des über die Abgasrückführung 22 zurückgeführten Abgases, zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird unter anderem der Brennraumdruckverlauf in den einzelnen Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 erfasst und ausgewertet, was nachfolgend näher unter Bezugnahme auf 2 erläutert werden soll.
  • In 2 ist ein Zylinder oder Brennraum 19 bzw. das entsprechende Zylindergehäuse des Verbrennungsmotors 1 dargestellt. Ein in dem Brennraum 19 befindlicher Kolben 20 wird über eine Kurbelwelle 21 des Verbrennungsmotors 1 angetrieben. Wird beispielsweise angenommen, dass der Verbrennungsmotor mit vier Takten arbeitet, erreichen die Kurbelwelle 21 und der Kolben 20 innerhalb eines Arbeitszyklus genau zweimal den so genannten oberen Totpunkt OT und den unteren Totpunkt UT, was zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle 21 entspricht. In der Kraftfahrzeugtechnik werden die Drehwinkel φ der Kurbelwelle 21 in Grad Kurbelwellenwinkel (°KW) angegeben.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Zylinderkopfs oder der Zylinderkopfdichtung ein Drucksensor 16 angeordnet, mit dessen Hilfe der in dem Brennraum 19 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 auftretende Brennraumdruck erfasst werden kann. Zu diesem Zweck umfasst der Drucksensor 16 beispielsweise eine Messmembran, welche abhängig von dem in dem Brennraum herrschenden Brennraumdruck unterschiedlich gedehnt bzw. verformt wird, wobei das Ausmaß der Dehnung bzw. Verformung dieser Messmembran als Maß für den in dem Brennraum 19 augenblicklich herrschenden Brennraumdruck von dem Steuergerät 4 ausgewertet wird.
  • Der auf diese Weise in dem Brennraum 19 herrschende Brennraumdruck wird zu der augenblicklichen Stellung der Kurbelwelle 21, d. h. zu dem augenblicklichen Drehwinkel φ der Kurbelwelle 21, in Beziehung gesetzt. Zu diesem Zweck ist ein Kurbelwellensensor 17 vorgesehen, welcher kontinuierlich die augenblickliche Stellung der Kurbelwelle 21 erfasst und diese dem Steuergerät 4 zuführt. Auf diese Weise kann das Steuergerät 4 den Verlauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit von dem Drehwinkel φ der Kurbelwelle 21 ermitteln.
  • Die auf diese Weise erfassten Zylinder- oder Brennraumdrucksignale können durch ständige Auswertung zur Anpassung und Optimierung der Regelung des Abgasrückführmassenstroms über die Lebensdauer des Verbrennungsmotors verwendet werden. Dabei kann insbesondere eine Strategie zur Anpassung der globalen Abgasrückführung an den jeweiligen Motorzustand zur Anwendung kommen, welche neben den Verbrennungsparametern auch den Zielkonflikt zwischen Emission und Kraftstoffverbrauch einerseits und Motordrehmoment andererseits berücksichtigt. Eine wesentliche Zustandsgröße, welche hierbei u. a. kontinuierlich auszuwerten ist, ist der über die Abgasrückführleitung 22 fließende Abgasrückführmassenstrom, wobei im Folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms aus bereits vorhandenen Informationen oder Zustandsgrößen vorgestellt werden.
  • Dabei sollen nachfolgend zunächst einige Grundgleichungen eines dabei zur Anwendung kommenden neuartigen Gasdynamikmodells beschrieben werden.
  • Der von dem Verbrennungsmotor angesaugte Gasmassenstrom (Zylinderfüllung) mELS lässt sich gut durch den Ansatz (1) mELS = a0(nmot) + a1(nmot)·ρELS beschreiben, wobei a0 und a1 von der Motordrehzahl nmot abhängige Koeffizienten darstellen und ρELS die Dichte des Gases im Einlass-Sammler 10 ist.
  • Aus dem idealen Gasgesetz folgt zudem:
    Figure DE000010162970B4_0002
  • Dabei bezeichnet TELS die Temperatur des von dem Verbrennungsmotor 1 aus dem Einlass-Sammler 10 angesaugten Gasmassenstroms, d. h. die Mischungstemperatur des Einlass-Sammlers 10, und R stellt die Gaskonstante dar. Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, dass der Ladedruck pELS und die Mischungstemperatur TELS die Dichte im Einlass-Sammler 10 und damit die Motorfüllung (vgl. Gleichung (1)) bestimmen.
  • Für die Massenstrombilanz bezüglich des Verhältnisses zwischen dem von dem Verbrennungsmotor 1 angesaugten Gasmassenstrom mELS, dem von dem Einlass-Sammler 10 angesaugten Frischluftmassenstrom mELS_in und dem Abgasrückführmassenstrom mAGR gilt im stationären Fall bzw. für ein kleines Saugstutzenvolumen: (3) mELS = mELS_in + mAGR
  • Für die entsprechenden stationären Temperaturen dieser Massenströme gilt unter der Annahme, dass die spezifische Wärmekapazität für die Frischluft und das Abgas identisch ist: (4) mELS·TELS = mELS_in·TELS_in + mAGR·TAGR
  • Für die Eintrittstemperatur des zurückgeführten Abgases in den Einlass-Sammler 10 kann folgender Ansatz verwendet werden: (5) TAGR = ηAGR·TASA = ηAGR·(TELS + ΔTmot)
  • Der in der Formel (5) verwendete Verminderungsfaktor ηAGR charakterisiert die Kühlung der Abgasrückführleitung 22. Mit dem Parameter ΔTmot wird die Temperaturerhöhung zwischen der Temperatur TELS des Einlass-Sammlers 10 und der Temperatur TASA des Auslass-Sammlers 11 in Folge der Verbrennung durch den Verbrennungsmotor 1 beschrieben.
  • Die Abgasrückführrate rAGR definiert das Verhältnis zwischen dem Abgasrückführmassenstrom mAGR und dem von dem Verbrennungsmotor 1 aus dem Einlass-Sammler 10 angesaugten Gasmassenstrom mELS:
    Figure DE000010162970B4_0003
  • Damit ergeben sich folgende Zusammenhänge:
    Figure DE000010162970B4_0004
  • Die letzte Gleichung beschreibt die Abgasrückführrate allein durch Verknüpfung der beteiligten Temperaturen, wobei sich die Mischungstemperatur, d. h., die Temperatur des von dem Verbrennungsmotor 1 angesaugten Gasgemisches, wie folgt ausdrücken lässt:
    Figure DE000010162970B4_0005
  • Die Mischungstemperatur TELS wird somit durch die Abgasrückführrate rAGR und die Temperatur TAGR des rückgeführten Abgases, jedoch auch durch den Ladedruck (über die Eingangstemperatur TELS_in des Einlass-Sammlers 10) bestimmt.
  • Aus dem auf zuvor beschriebene Weise ermittelten Brennraumdruck kann beispielsweise auf den Ladedruck pELS, d. h. den Druck, mit dem das Frischluft/Abgasgemisch von dem Einlass-Sammler 10 dem Brennraum des Verbrennungsmotors 1 zugeführt wird, und den Abgasgegendruck pASA, mit dem das Abgas von dem Auslass-Sammler 11 über die Abgasrückführung 22 zu dem Einlass-Sammler 10 zurückgeführt wird, geschlossen werden.
  • Der Druck pELS im Einlass-Sammler 10 lässt sich aus verschiedenen Ladedruckersatzwerten bestimmen. Das qualitativ beste Modell ergibt sich jedoch, wenn der Ladedruck pELS aus dem Zylinderdruckkennwert p–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –15°KW abgeleitet wird: (9) pELS = f(p–15°KW)
  • Auch die Dichte des Gasgemisches im Einlass-Sammler 10 kann modelliert werden, wobei das hierfür gewählte Modell von der Verknüpfung der Druckwerte des Kompressionsverlaufs des Verbrennungsmotors bestimmt wird: (10) ρELS = f(Mimin, p–65°KW, p–15°KW, pmiHD)
  • Zur Bestimmung der Dichte ρELS wird somit ein Modell verwendet, welches die Zylinderdrücke p–65°KW und p–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –65°KW und = –15°KW, einen indizierten Mitteldruck pmiHD während der Hochdruckphase in dem Brennraum des Verbrennungsmotors und ein Minimum des momentanen indizierten Moments Mimin des Verbrennungsmotors auswertet.
  • Die Ladetemperatur lässt sich aufgrund der hohen Abgasrückführraten im Motorbetriebsbereich schwerer modellieren, so dass in das entsprechende Modell zur Modellierung der Ladetemperatur TELS der von dem Heißfilm-Luftmassenmesser ermittelte Frischluftmassenstrom mELS_in in mit einfließen muss: (11) TELS = f(p–15°KW, pmiHD, mELS_in)
  • Die Temperatur TELS_in vor dem Einlass-Sammler 10 wird im Wesentlichen durch die Charakteristik des Verdichters 7 und des Ladeluftkühlers 8 bestimmt. Daher lässt sie sich abhängig von der Motordrehzahl nmot, dem Ladedruck pELS und der Umgebungstemperatur T0 darstellen: (12) TELS_in – T0 = f(nmot, pELS) = f(nmot, p–15°KW)
  • Bei aktiver Abgasrückführung lässt sich der Temperaturanstieg im Einlass-Sammler 10 durch das zurückgeführte Abgas nachbilden: (13) TELS – TELS_in = f(ρELS, p–15°KW, pmiHD)
  • Die Modellierung des Abgasgegendrucks pASA, mit dem das Abgas von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen wird, wird durch die starken Druckpulsationen im Auslass-Sammler 11 erschwert. Hinzu kommt, dass eine Betrachtung des Brennraumdrucks sehr stark vom Thermoschockverhalten der Sensoren bestimmt wird. Qualitativ gute Ergebnisse können jedoch erhalten werden, wenn zur Bestimmung des Abgasgegendrucks pASA ein Modell verwendet wird, welches den Abgasgegendruck pASA aus dem Zylinderdruck p151°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = 151°KW, aus dem Zylinderdruck p–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –15°KW, aus dem indizierten Mitteldruck pmiHD während der Hochdruckphase in dem Brennraum des Verbrennungsmotors und der Temperatur T151°KW in dem Auslass-Sammler 11 bei der Kurbelwellenstellung φ = 151°KW ableitet, wobei die Temperatur T151°KW vorzugsweise in Form einer auf die Temperatur in dem Einlass-Sammler 10 bezogenen relativen Temperaturänderung ausgewertet wird: (14) pASA = f(p151°KW, p–15°KW, pmiHD, T151°KW)
  • Die Temperaturerhöhung des Gasgemisches durch den Verbrennungsmotor 1 und die darin ablaufende Verbrennung kann in Abhängigkeit von p151°KW, T151°KW und p–15°KW modelliert werden: (15) TASA – TELS = f(p151°KW, p–15°KW, T151°KW)
  • Auch der Frischluftmassenstrom mELS_in, d. h. die in den Einlass-Sammler 10 strömende Frischluftmenge, kann als Alternative zu einer Messung durch den bereits erwähnten Heißfilm-Luftmassenmesser wie folgt modelliert werden: (16) mELS_in = f(nmot, p–15°KW, pmiHD)
  • Die zuvor beschriebenen Modelle können jeweils in Form von Kennfeldern realisiert sein, so dass z. B. das in 1 gezeigte Steuergerät 4 in Abhängigkeit von den jeweils angegebenen und bekannten Zustandsgrößen einen geeigneten Wert für die jeweils gesuchte Zustandsgröße aus einer gespeicherten Tabelle ausliest. Die dabei zuvor angegebenen Kurbelwellenstellungen sind selbstverständlich beispielhaft zu verstehen, wobei jeweils diejenigen Kurbelwellenstellungen angegeben ist, für die mit den entsprechenden Modellen sehr gute bzw. die besten Ergebnisse erzielt werden konnten.
  • Können nunmehr die thermodynamischen Zusammenhänge während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 bestimmt werden, kann eine Regelungsstrategie entwickelt werden, welche sowohl die Abgasrückführung als auch den Ladedruck in dynamischen Motorbetriebsphasen regeln kann. Dies geschieht vorteilhafter Weise durch Vorgabe einer Zylinderfüllung bzw. einer Dichte im Einlass-Sammler 10 und davon abhängige Regelung des Ladedrucks und der Abgasrückführrate. Der Vorteil gegenüber anderen modellbasierten Ansätzen besteht zum einen in der Unabhängigkeit der modellierten Größen von den in dem Motormanagementsystem verwendeten Stellelementen, deren Modelle in die Regelungsstrategie mit einfließen können. Zum anderen werden die einzelnen Massenströme durch deren entsprechenden Temperaturen ersetzt, was die Grundlage für einen Verzicht auf den üblicherweise zum Erfassen des Frischluftmassenstroms mELS_in im Ansaugtrakt vorgesehenen Heißfilm-Luftmassenmesser bedeutet.
  • Eine wesentliche Rolle bei dieser Regelungsstrategie spielt dabei der Abgasrückführmassenstrom mAGR. Dieser kann allgemein ohne Einsatz eines separaten Sensors dadurch bestimmt werden, dass zunächst die Zylinderfüllung des Verbrennungsmotors 1 bzw. der von dem Verbrennungsmotor 1 angesaugte Gasmassenstrom mELS und der Frischluftmassenstrom mELS_in (unmittelbar oder indirekt über die Abgasrückführrate) bestimmt werden, um anschließend durch Differenzbildung (vgl. Gleichung (3)) den Abgasrückführmassenstrom mAGR ableiten zu können. Hierzu sind verschiedene Vorgehensweisen denkbar.
  • Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise mit einem Heißfilm-Luftmassenmesser der über den Verdichter 7 angesaugte Frischluftmassenstrom mELS_in gemessen und in Abhängigkeit davon sowie in Abhängigkeit von den entsprechenden Brennraumdruckdaten über Gleichung (11) die Lade- oder Einlasstemperatur TELS abgeleitet. Ebenso können über Gleichung (9) aus den Brennraumdruckdaten der Ladedruck pELS und daraus wiederum über Gleichung (2) die Dichte ρELS im Einlass-Sammler 10 bestimmt werden.
  • Über die Gleichungen (12) bzw. (15) werden aus den entsprechenden Brennraumdruck- und Brennraumtemperaturdaten einerseits die (auf die Umgebungstemperatur T0 bezogene) Einlass-Sammler-Eingangstemperatur TELS_in und andererseits die Temperaturerhöhung TALS – TELS = ΔTmot des Abgases durch die Verbrennung ermittelt. Über die Gleichungen (7) und (1) können dann die Abgasrückführrate rAGR und der vom Motor angesaugte Gasmassenstrom (d. h. die Zylinderfüllung) mELS bestimmt werden, um davon abhängig den Abgasrückführmassenstrom mAGR zu bestimmen (Gleichung (6) oder Gleichung (3)). Da bei diesem Ausführungsbeispiel neben dem Gasmassenstrom mELS auch der Frischluftmassenstrom mELS_in unmittelbar bekannt ist, kann die Modellstruktur in stationären Phasen überprüft werden.
  • Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Dichte ρELS im Einlass-Sammler 10 direkt über die Gleichung (10) in Abhängigkeit von den Zylinderdrücken p–65°KW und p–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –65°KW und φ = –15°KW, dem indizierten Mitteldruck pmiHD während der Hochdruckphase in dem Brennraum des Verbrennungsmotors und dem minimalen indizierten Moment Mimin ermittelt. Der Ladedruck pELS wird wieder über Gleichung (9) bestimmt, wobei dann über die Gleichung (2) die Mischungstemperatur TELS im Einlass-Sammler 10 bestimmt werden kann.
  • Die übrige Modellierung entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, d. h. über die Gleichungen (12) bzw. (15) werden aus den entsprechenden Brennraumdruck- und Brennraumtemperaturdaten einerseits die Einlass-Sammler-Eingangstemperatur TELS_in und andererseits die Temperaturerhöhung TALS – TELS = ΔTmot des Abgases durch die Verbrennung ermittelt. Über die Gleichungen (7) und (1) kann dann die Abgasrückführrate rAGR bestimmt werden, um davon abhängig den Abgasrückführmassenstrom mAGR zu bestimmen (Gleichung (6) oder Gleichung (3)). Aufgrund der Kenntnis der Zylinderfüllung bzw. des Gasmassenstroms mELS können alle Massenströme bestimmt werden.
  • Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Temperaturerhöhung TELS – TELS_in im Einlass-Sammler 10 direkt über Gleichung (13) in Abhängigkeit von der Dichte ρELS und den Zylinder- bzw. Brennraumdrücken p–15°KW und pmiHD bestimmt. Die Bestimmung der Dichte ρELS erfolgt analog zu dem zweiten Ausführungsbeispiel über Gleichung (10), wobei über Gleichung (1) wiederum der Gasmassenstrom mELS ermittelt werden kann.
  • Aufgrund der nunmehr vorliegenden Information über die Temperaturerhöhung TELS – TELS_in im Einlass-Sammler 10 kann die Abgasrückführrate rAGR über Gleichung (7) bestimmt werden, wobei hierzu wieder über die Gleichungen (12) bzw. (15) aus den entsprechenden Brennraumdruck- und Brennraumtemperaturdaten einerseits die Einlass-Sammler-Eingangstemperatur TELS_in und andererseits die Temperaturerhöhung TALS – TELS = ΔTmot des Abgases durch die Verbrennung ermittelt werden. Über die Gleichungen (7) und (1) kann dann die Abgasrückführrate rAGR bestimmt werden, um davon abhängig den Abgasrückführmassenstrom mAGR zu bestimmen (Gleichung (6) oder Gleichung (3)). Das in Form der Gleichung (10) verwendete Modell der Dichte ρELS ermöglicht, dass über die Gleichungen (1) ff. der Bezug zu den resultierenden Massen hergestellt werden kann.
  • Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel kann das Steuergerät 4 mit Hilfe des Ladedrucks pELS und des Abgasgegendrucks pASA sowie eines Modells der effektiven Querschnittsfläche des Abgasrückführventils 23 abhängig von dessen Ansteuertastverhältnis den Abgasrückführmassenstrom mAGR gemäß folgender Beziehung ableiten:
    Figure DE000010162970B4_0006
  • Dabei bezeichnet AAGR die effektive Querschnittsfläche des Abgasrückführventils 23, welches in der Abgasrückführung 22 des Motorsystems angeordnet ist. Die effektive Querschnittsfläche AAGR des Abgasrückführventils 23 hängt vom Tastverhältnis DAGR des Stromes ab, mit dem das Abgasrückführventil 23 angesteuert wird. TAGR beschreibt die Temperatur des Abgasrückführmassenstroms, welcher über die Gleichung (5) aus der Temperatur TASA des Auslass-Sammlers 11 abgeleitet werden kann.
  • Das Abgasrückführventil 23 wird als Drossel mit einem variablen Querschnitt für den so genannten unterkritischen Fall dargestellt, wobei ΨAGR die Durchflussfunktion beschreibt, welche wie folgt dargestellt werden kann:
    Figure DE000010162970B4_0007
  • ΨMAX bezeichnet den maximalen Wert der Durchflussfunktion der Drossel im überkritischen Strömungsfall. Πkrit bezeichnet das kritische Druckverhältnis, welches in Abhängigkeit von dem Isentropenexponenten κ folgendermaßen definiert ist:
    Figure DE000010162970B4_0008
  • Für den maximalen Wert der Durchflussfunktion ΨMAX gilt:
    Figure DE000010162970B4_0009
  • Aus Formel (18) ist ersichtlich, dass die Durchflussfunktion der Drosselstelle von dem Differenzdruck pASA – pELS bzw. dem (auf den Abgasgegendruck pASA) bezogenen relativen Differenzdruck abhängt. Wie bereits erwähnt worden ist, gilt das obige Drosselmodell für den unterkritischen Fall, d. h. für:
    Figure DE000010162970B4_0010
  • Auf diese Weise kann mit Hilfe des Ladedrucks pELS und des Abgasgegendrucks pASA sowie eines Modells der effektiven Querschnittsfläche des Abgasrückführventils 23 abhängig von dem Ansteuertastverhältnis des Abgasrückführventils auf den Abgasrückführmassenstrom mAGR geschlossen werden.
  • Durch die Zündreihenfolge bzw. die unterschiedlichen Ventilöffnungszeiten der einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors 1 ist auch der zeitliche Versatz der Brennraumdruckverläufe der einzelnen Brennräume bekannt. Aufbauend auf dieser Kenntnis kann eine zeitliche Auflösung des Differenzdrucks über dem Abgasrückführventil 23 berechnet werden, so dass sich für jeden Brennraum mit dem zuvor beschriebenen Drosselmodell ein zylinder- bzw. brennraumselektiver Abgasrückführmassenstrom bestimmen lässt. Dies gilt selbstverständlich auch für die anderen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms.
  • Selbstverständlich kann zur Realisierung des zuvor beschriebenen Modells der Ladedruck pELS und/oder der Abgasgegendruck pASA auch direkt mit Hilfe entsprechender Sensoren erfasst werden. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn diese Druckwerte wie zuvor beschrieben aus dem Brennraumdruckverlauf abgeleitet werden, um unnötige Sensoren und damit unnötige Kosten zu vermeiden. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass der zylinderselektive Abgasrückführmassenstrom auch aus der Kenntnis der Gasgemischmasse, mit welcher der jeweilige Brennraum geladen wird, und der angesaugten Frischluftmasse, welche üblicherweise mit Hilfe eines Heißfilmluftmassenmessers vor dem Verdichter 7 gemessen wird, ermittelt werden kann, da die Summe aus der angesaugten Frischluftmasse und der brennraumselektiven Abgasrückführmasse der Masse des in dem jeweiligen Brennraum enthaltenen Gasgemisches entspricht.

Claims (24)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brennraum (19) auftretende Brennraumdruck erfasst und davon abhängig eine Dichte des Gasgemisches bestimmt und aus der Dichte des Gasgemisches ein dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführter Gasmassenstrom (mELS) des Gasgemisches abgeleitet wird, und dass in Abhängigkeit von dem erfassten Brennraumdruck eine Temperatur (TELS_in) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas und eine infolge einer Verbrennung des Gasgemisches in dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) auftretende Temperaturänderung des Gasgemisches bestimmt wird, um davon abhängig eine Abgasrückführrate zu bestimmen, welche ein Verhältnis zwischen dem Abgasrückfuhrmassenstrom (mAGR) des Abgases und dem Gasmassenstrom (mELS) beschreibt, und dass in Abhängigkeit von dem Gasmassenstrom (mELS) und der Abgasrückführrate der Abgasrückführmassenstrom (mAGR) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom (mELS) in Abhängigkeit von der Dichte des Gasgemisches und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom mELS in Abhängigkeit von der Dichte ρELS des Gasgemisches und der Drehzahl nmot des Verbrennungsmotors (1) wie folgt bestimmt wird: mELS = a0(nmot) + a1(nmot)·ρELS, wobei a0 und a1 von der Drehzahl nmot des Verbrennungsmotors abhängige Koeffizienten darstellen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TELS_In) der Frischluft aus einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) aus dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturänderung des Gasgemisches aus einer bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Temperatur und mindestens einem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von der Temperatur (TELS_In) der Frischluft, in Abhängigkeit von der Temperaturänderung des Gasgemisches und in Abhängigkeit von einer Temperatur (TELS) des dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate rAGR in Abhängigkeit von der Temperatur TELS_in der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas, in Abhängigkeit von der Temperaturänderung ΔTmot des Gasgemisches und in Abhängigkeit von der Temperatur TELS des Gasgemisches wie folgt bestimmt wird:
    Figure DE000010162970B4_0011
    wobei ηAGR ein die Kühlung der Abgasrückführung (22) bezeichnender Faktor ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frischluftmassenstrom (mELS_In) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas erfasst und daraus sowie unter Berücksichtigung des Brennraumdrucks die Temperatur (TELS) des dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches bestimmt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Gasgemisches in Abhängigkeit von dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Gasgemisches aus dem bei mindestens einer Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck und einem minimalen indizierten Moment des Verbrennungsmotors (1) abgeleitet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TELS) des dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches aus einem Druck, mit dem das Gasgemisch dem Verbrennungsmotor (1) zugeführt wird, und der Dichte des Gasgemisches bestimmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, mit dem das Gasgemisch dem Verbrennungsmotor (1) zugeführt wird, aus dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck abgeleitet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur (TELS) des dem Brennraum (19) zugeführten Gasgemisches und der Temperatur (TELS_In) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas in Abhängigkeit von mindestens einem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck abgeleitet und davon abhängig die Abgasrückführrate bestimmt wird.
  14. Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) mit einem Abgasrückführventil (23) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brennraum (19) auftretende Brennraumdruck erfasst und davon abhängig ein erster Druck, mit dem das Gasgemisch dem Brennraum (19) zugeführt wird, und ein zweiter Druck, mit dem das Abgas von dem Brennraum (19) ausgestoßen wird, abgeleitet werden, dass ein Tastverhältnis, mit dem das Abgasrückführventil (23) angesteuert wird, erfasst wird, und dass der Abgasrückführmassenstrom (mAGR) des über die Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgases aus dem ersten Druck, dem zweiten Druck und dem Tastverhältnis, mit dem das Abgasrückführventil (23) angesteuert wird, bestimmt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom aus der Differenz zwischen dem zweiten Druck und dem ersten Druck bestimmt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom mit Hilfe eines Modells bestimmt wird, welcher die effektive Querschnittsfläche des Abgasrückführventils (23) in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis, mit dem das Abgasrückführventil (23) angesteuert wird, nachbildet.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck aus dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum auftretenden Brennraumdruck abgeleitet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck aus bei mindestens zwei unterschiedlichen Kurbelwellenpositionen in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdrücken abgeleitet wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom mit Hilfe eines Modells bestimmt wird, welcher das Abgasrückführventil (23) als Drossel mit einem variablen Querschnitt modelliert.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modell eine Durchflussfunktion ΨAGR verwendet wird, welche wie folgt von dem ersten Druck pELS und dem zweiten Druck pASA abhängt:
    Figure DE000010162970B4_0012
    wobei K1, K2 und K3 konstante Faktoren bezeichnen.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 und Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom aus dem Produkt der Durchflussfunktion der Drossel mit einer von dem Tastverhältnis des Abgasrückführventils (23) abhängigen effektiven Querschnittsfläche der Drossel abgeleitet wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom mAGR aus der Durchflussfunktion ΨAGR und der von dem Testverhältnis des Abgasrückführventils (23) abhängigen effektiven Querschnittsfläche AAGR wie folgt abgeleitet wird:
    Figure DE000010162970B4_0013
    wobei pASA den zweiten Druck, K4 eine Konstante, R eine Gaskonstante und TAGR die Temperatur des Abgases in der Abgasrückführung (22) bezeichnet.
  23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) mehrere Brennräume (19) aufweist, wobei unter Berücksichtigung der Zündreihenfolge der einzelnen Brennräume (19) aus dem mit dem Verfahren bestimmten Abgasrückführmassenstroms für jeden Brennraum (19) ein brennraumspezifischer Abgasrückführmassenstrom abgeleitet wird.
  24. Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Brennraumdruckerfassungsmittel (16) zum Erfassen des in dem Brennraum auftretenden Brennraumdrucks umfasst, und dass die Vorrichtung Auswertungsmittel (4) zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms (mAGR) durch Auswertung des von den Brennraumdruckerfassungsmitteln (16) erfassten Brennraumdrucks gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–23 umfasst.
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