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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einstellen einer Abgasrückführrate einer
Brennkraftmaschine und einer Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Eine
Abgasrückführung vermindert
die NOx-Entstehung bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern
einer Brennkraftmaschine durch die Beimischung von Abgas zu der
der Brennkraftmaschine zugeführten
Frischluft. Die Abgasrückführung senkt
die Spitzentemperatur während
des Verbrennungsvorgangs des Kraftstoffs, sodass die Bedingungen
für die
NOx-Bildung verschlechtert
werden.
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In
der Abgasrückführung ist
ein Abgasrückführventil
angeordnet, dessen Öffnungsquerschnitt kontinuierlich
verstellt werden kann, um eine vorgegebene Soll-Abgasrückführrate einstellen
zu können. Die
Soll-Abgasrückführrate wird
für unterschiedliche Betriebspunkte
der Brennkraftmaschine ermittelt und in einen Speicher eines Motorsteuergeräts hinterlegt. Zum
Einstellen der vorgegebenen Soll-Abgasrückführrate wird das Abgasrückführventil
in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz zwischen dem Ansaugbereich und dem Abgasbereich
angesteuert. Der Druck im Ansaugbereich wird vorzugsweise mit einem Saugrohr-Drucksensor
gemessen und der Druck im Abgasbereich anhand von bekannten Betriebskenngrößen der
Brennkraftmaschine berechnet.
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In
der
DE 103 60 218
A1 (nicht vorveröffentlicht)
ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer
Abgasrückführung beschrieben,
bei dem die Abgasrückführrate in
Abhängigkeit von
der Änderungsgeschwindigkeit
eines Lastsignals der Brennkraftmaschine beeinflusst wird. Ein in
einer Abgasrückführung angeordnetes
Abgasrückführventil
wird von einer Stellgröße eines
Reglers angesteuert, der die Stellgröße in Abhängigkeit von einem Abgasrückführsignal
und/oder von einem Abgassignal und/oder von einem Drucksignal festlegt.
Der Druckssensor ist als Differenzdrucksensor ausgebildet, der den
Druckunterschied zwischen dem Ansaugbereich und dem Abgasbereich
der Brennkraftmaschine misst. Die Stellgröße verstellt das Abgasrückführventil
kontinuierlich, bis die vorgegebene Abgasrückführrate erreicht ist, was anhand
der gemessenen Druckdifferenz festgestellt werden kann.
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Aus
der
DE 29 11 209 A1 ist
eine Abgasrückführung einer
Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei der die Stellung einer
Mischklappe von der Sauerstoffkonzentration eines Gasstroms abhängt. Bei
dem Gasstrom handelt es sich entweder um das der Brennkraftmaschine
zugeführte
Luft-Kraftstoff-Gemisch oder das Abgas. Die Sauerstoffkonzentration
erfasst in beiden Fällen
ein Lambdasensor.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung und eine Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens anzugeben, die einfach realisierbar sind.
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Die
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale jeweils gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass eine vorgegebene Soll-Abgasrückführrate über eine gezielte Beeinflussung
des Luftdrucks im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine eingestellt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
ist insbesondere geeignet bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen,
die in vorgegebenen Betriebszuständen
weitgehend entdrosselt betrieben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
weist wesentliche Kostenvorteile auf, da zur Beeinflussung des Luftdrucks
im Ansaugbereich vorhandene Komponenten herangezogen werden können. Ein
bislang erforderliches kontinuierlich verstellbares Abgasrückführventil
entfällt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus abhängigen
Ansprüchen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist eine Ansteuerung einer im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine
angeordneten Drosselklappe zur Beeinflussung des Luftdrucks im Ansaugbereich
vorgesehen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, die sich
insbesondere zur Realisierung von kleinen Abgasrückführraten im Bereich bis beispielsweise
10% eignet, sieht eine motorinterne Abgasrückführung durch ein gezieltes Betreiben
einer Ventilsteuerung vor, bei der durch gleichzeitiges Öffnen von
Aus- und Einlassventilen dem Abgas ein Weg durch den Brennraum ins Saugrohr
eröffnet
wird. Durch die Dauer des gleichzeitigen Öffnens, die als Ventilüberschneidung
bezeichnet wird, kann die Menge des zurückgeführten Abgases beeinflusst werden.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass der Luftdruck im Ansaugbereich gemessen
wird. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass aus wenigstens einer
bekannten Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine
der Abgasdruck im Abgasbereich berechnet wird. Mit diesen Maßnahmen
kann der Differenzdruck zwischen dem Abgas- und dem Ansaugbereich zuverlässig ermittelt
und zur gezielten Beeinflussung des Luftdrucks im Ansaugbereich
verwendet werden.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass eine in der Abgasrückführung angeordnete Abgasrückführklappe
entweder vollständig
geöffnet
oder vollständig geschlossen
wird. Das Schließen
der Abgasrückführklappe
verhindert eine externe Abgasrückführung. Die
Möglichkeit
zur Verhinderung der ansonsten stets auftretenden externen Abgasrückführung ist insbesondere
vorteilhaft zur Sicherstellung einer stabilen Verbrennung in sämtlichen
Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine. Wenn die Abgasrückführklappe geschlossen ist, kann
die motorinterne Abgasrückführung über die
Ansteuerung der Ventilsteuerung zur präzisen Einstellung einer geringen
Abgasrückführrate dennoch
herangezogen werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens betrifft insbesondere das Steuergerät, das den
erfindungsgemäßen Verfahrensablauf
in Form eines Computerprogramms enthält. Das Verfahren kann beim
Hersteller oder mittels Datenfernübertragung, wie beispielsweise über das
Internet, auf einen Datenträger
gespeichert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens betrifft weiterhin insbesondere eine im Ansaugbereich
der Brennkraftmaschine angeordnete Drosselklappe und/oder einen
zur Erfassung des Saugrohrdrucks vorgesehenen Saugrohr-Drucksensor
und/oder eine in der Abgasrückführung angeordnete
Abgasrückführklappe
und/oder einen Lambdasensor, der zur Erfassung des Sauerstoffgehalts
des Abgases vorgesehen ist.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus
weiteren abhängigen
Ansprüchen
und aus der folgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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1 zeigt
ein technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren
abläuft,
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2 und 3 zeigen
unterschiedliche Positionen von verstellbaren Einrichtungen und
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4 zeigt
einen Saugrohrdruck in Abhängigkeit
von einer Soll-Abgasrückführrate %agr.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 10, in deren Ansaugbereich 11 ein
Luftsensor 12, eine Drosselklappe 13, ein Temperatursensor 14 sowie ein
Saugrohr-Drucksensor 15 und in deren Abgasbereich 20 ein
Lambdasensor 21 angeordnet sind.
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Zwischen
dem Ansaugbereich 11 und dem Abgasbereich 20 ist
eine Abgasrückführung 25 vorgesehen,
in welcher eine Abgasrückführklappe 26 angeordnet
ist. Im Abgasbereich 20 tritt im Anschlussbereich der Abgasrückführung 25 ein
Abgasdruck pabg und am Ende des Abgasbereichs 20 ein Umgebungsluftdruck
pU auf.
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Der
Brennkraftmaschine 10 ist eine Kraftstoff-Zumessvorrichtung 30 und
eine Ventilsteuerung 31 zugeordnet.
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Der
Luftsensor 12 gibt an eine Steuerung 35 ein Luftsignal
dmL, der Temperatursensor 14 ein Temperatursignal Tp, der
Saugrohr-Drucksensor 15 ein Drucksignal pS, die Brennkraftmaschine 10 ein Drehzahlsignal
N und der Lambdasensor 2l ein Lambdasignal lam ab.
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Die
Steuerung 35 stellt der Drosselklappe 13 ein Drosselklappensignal
DR, der Kraftstoff-Zumessvorrichtung 30 ein
Kraftstoffsignal mE, der Ventilsteuerung 31 ein Ventilsteuersignal 36 und
der Abgasrückführklappe 26 ein
Abgasrückführsignal
agr zur Verfügung.
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Der
Steuerung 35 werden weiterhin ein Drehmoment-Sollsignal
Mfa sowie der von einem Umgebungsluft-Drucksensor 40 erfasste
Umgebungsluftdruck pU zugeführt.
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2 zeigt
einen geöffneten
Zustand der Drosselklappe 13 und der Abgasrückführklappe 26.
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3 zeigt
einen teilweise geschlossenen Zustand der Drosselklappe 13 sowie
einen geöffneten
Zustand der Abgasrückführklappe 26.
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4 zeigt
den sich ergebenden Saugrohrdruck pS in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Abgasrückführrate %agr.
Im Bereich der Soll-Abgasrückführrate %agr
von 0%–10%
liegt ein erster Abgasrückführbereich 50 und
im Bereich der Soll-Abgasrückführrate %agr
von 10%–30%
liegt ein zweiter Abgasrückführbereich 51.
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Erfindungsgemäß ist folgende
Vorgehensweise vorgesehen:
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Die
Steuerung 35 legt das Kraftstoffsignal mE zumindest in
Abhängigkeit
vom Luftsignal dmL und/oder vom Drehmoment-Sollwert Mfa und/oder von
der Drehzahl N fest. Der Drehmomentsollwert Mfa entspricht beispielsweise
der Position eines nicht näher
gezeigten Fahrpedals, sofern die Brennkraftmaschine als Antrieb
in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
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Das
Kraftstoffsignal mE wird weiterhin vorzugsweise in Abhängigkeit
von dem vom Lambdasensor 21 bereitgestellten Lambdasignal
lam beeinflusst, um ein vorgegebenes Abgaslambda, entsprechend einem
Restsauerstoffgehalt des Abgases einhalten zu können. Das Kraftstoffsignal
mE veranlasst die Kraftstoff-Zumessvorrichtung 30 zur Abgabe
einer vorgegebenen Kraftstoffmenge pro Zylinderhub der Brennkraftmaschine 10.
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Bei
der Brennkraftmaschine 10 handelt es sich vorzugsweise
um eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine 10, die
in vorgegebenen Betriebszuständen
mit vollständig
oder weitgehend geöffneter
Drosselklappe 13 entdrosselt betrieben werden kann.
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Die
Positionen der nicht näher
gezeigten Ventile der Brennkraftmaschine 10 können von
der Ventilsteuerung 31 in Abhängigkeit vom Ventilsteuersignal 36 beeinflusst
werden.
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Die
Abgasrückführung 25 vom
Abgasbereich 20 zum Ansaugbereich 11 ermöglicht die
Zumischung von Inertgas zu dem von der Brennkraftmaschine 10 angesaugten
Frischluftstrom. Durch die Zumischung von heißem Abgas erhöht sich
zwar die mittlere Verbrennungstemperatur, aber die Spitzentemperatur
während
des Verbrennungsvorgangs wird abgesenkt, sodass die Bedingungen
für das
Entstehen von NOx verschlechtert werden. Die vorzugebende Soll-Abgasrückführrate %agr
wird im Rahmen der Applikation für
die unterschiedlichsten Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 10 ermittelt
und in einen nicht näher
gezeigten Speicher in der Steuerung 35 hinterlegt.
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Die
sich einstellende Ist-Abgasrückführrate wird
im Wesentlichen bestimmt durch die zwischen dem Abgasbereich 20 und
dem Ansaugbereich 11 auftretende Druckdifferenz.
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Der
Luftdruck im Ansaugbereich 11 wird gemäß einer Ausgestaltung vorzugsweise
gemessen. Zur Messung ist der zwischen der Einmündung der Abgasrückführung 25 in
den Ansaugbereich 11 und der Brennkraftmaschine 10 angeordnete
Saugrohr-Drucksensor 15 vorgesehen, der das Saugrohr-Drucksignal
pS bereitstellt.
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Der
im Anschlussbereich der Abgasrückführung 25 im
Abgasbereich 20 auftretende Abgasdruck pabg wird vorzugsweise
berechnet. Der Abgasdruck pabg kann ermittelt werden aus dem Abgasmassenstrom,
der Abgastemperatur, einem Druckmodell der nicht näher gezeigten
Abgasanlage zwischen dem Anschluss der Abgasrückführung 25 im Abgasbereich 20 und
dem Ende der Abgasanlage. Die den Gegendruck erzeugende Strömungswiderstände der einzelnen
Komponenten der Abgasanlage ergeben sich aus dem Abgasvolumenstrom,
der aus dem Abgasmassenstrom unter Berücksichtigung der Abgastemperatur
ermittelt werden kann.
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Die
Abgastemperatur wird vorzugsweise ebenfalls berechnet. Der Abgasmassenstrom
ergibt sich in einfacher Näherung
unmittelbar aus dem Luftsignal dmL. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann das Kraftstoffsignal
mE berücksichtigt
werden. Sofern die Soll-Abgasrückführrate %agr
von null abweicht, muss die Abgasrückführrate ebenfalls berücksichtigt werden.
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Der
Temperatursensor 14 ist zwischen der Einmündung der
Abgasrückführung 25 in
den Ansaugbereich 11 und der Brennkraftmaschine 10 angeordnet.
Mit dem vom Temperatursensor 14 bereitgestellten Temperatursignal
Tp und dem Luftsignal dmL kann der in die Brennkraftmaschine 10 strömende Volumenstrom
ermittelt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Abgasrückführklappe 26 entfallen.
In diesem Fall tritt trotz der gegebenenfalls vollständig geöffneten
Drosselklappe 13 aufgrund der stets vorhandenen Druckdifferenz
zwischen dem Abgasbereich 20 und dem Ansaugbereich 11 immer
eine zumindest minimale Abgasrückführrate auf.
Sofern die Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine 10 aufgrund dieser
stets vorhandenen minimale Abgasrückführrate nicht mehr sicher gewährleistet
ist und/oder unerwünschte
Abgaskomponenten zunehmen würden, kann
die Abgasrückführklappe 26 vorgesehen
werden, die kostengünstig
realisiert werden kann, da sie nur entweder vollständig geöffnet oder
geschlossen wird. Zur Ansteuerung ist das erste Abgasrückführsignal
agr vorgesehen.
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Die
im ersten Abgasrückführbereich 50 liegende
minimale Soll-Abgasrückführrate %agr
liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel
beispielsweise im Bereich von 0%–10%. Der obere Endwert des
Bereichs kann als Schwellenwert bezeichnet werden, unterhalb dem
die minimale Soll-Abgasrückführrate %agr liegt.
Im ersten Abgasrückführbereich 50 wird
die Drosselklappe 13 mit dem Drosselklappensignal DR gemäß 2 wenigstens
näherungsweise
vollständig
geöffnet.
In diesem Betriebszustand findet eine magere Verbrennung mit einem
Luftüberschuss
statt. Sofern die Abgasrückführklappe 26 vorgesehen
ist, wird die Abgasrückführklappe 26 gemäß 2 mit dem
Abgasrückführsignal
agr vollständig
geschlossen.
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Die
geforderten Soll-Abgasrückführrate %agr
wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventilsteuerung 31 mit
dem Ventilsteuersignal 36 erreicht. Durch die Ventilsteuerung
wird der Saugrohrdruck, der im ersten Bereich 50 bei beispielsweise
970 mbar liegt, nicht wesentlich verändert. Durch ein gleichzeitiges Öffnen von
wenigstens einem Auslass- und wenigstens einem Einlassventil wird
dem Abgas ein Weg durch die Brennräume der Brennkraftmaschine 10 in
den Ansaugbereich 11 eröffnet. Dabei
wird ausgenutzt, dass im Abgasbereich 20 immer ein leichter Überdruck
(Abgasgegendruck) und im Ansaugbereich 11 immer ein leichter
Unterdruck vorliegt. Die Soll-Abgasrückführrate %agr wird durch die
Dauer der Ventilüberschneidung
drehzahlabhängig
festgelegt.
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Die
motorinterne Abgasrückführung über die Ventilsteuerung 31 eignet
sich insbesondere zum Betreiben von Brennkraftmaschinen 10,
die nicht mit einer ständigen,
insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine 10 auftretenden
Abgasrückführung betrieben
werden können.
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Innerhalb
des zweiten Abgasrückführbereichs 51,
der sich beispielhaft von 10% bis über 30% erstrecken soll, wird
gemäß 3 die
Drosselklappe 13 zunehmend geschlossen, um im Ansaugbereich 11 einen
Unterdruck gegenüber
dem Umgebungsluftdruck pU herzustellen. Die Abgasrückführklappe 26 wird
gemäß 3 mit
dem Abgasrückführsignal
agr vollständig
geöffnet.
Der Schwellenwert entspricht in diesem Fall dem unteren Endwert
des Bereichs.
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Die
Soll-Abgasrückführrate %agr
gibt den prozentualen Inertgasanteil am Frischluftanteil an. In Abhängigkeit
vom vorgegebenen Verbrennungsverfahren in der Brennkraftmaschine 10 kann
ein Sauerstoffanteil im Abgas auftreten. Bei direkteinspritzenden
Brennkraftmaschinen 10 kann ein erheblicher Luftüberschuss
vorgegeben werden, der zu einem Sauerstoffanteil bis zu beispielsweise
10% im Abgas führt.
Das entspricht fast der Hälfte
des Sauerstoffanteils der angesaugten Frischluft. Der tatsächlich vorhandene
Sauerstoffanteil kann aus dem Lambdasignal lam berechnet werden,
das der Lambdasensor 21 bereitstellt. Vorzugsweise wird
bei der Ermittlung der einzustellenden Druckdifferenz zwischen Abgasbereich 21 und
Ansaugbereich 11 deshalb das Lambdasignal lam berücksichtigt.