DE102006038863A1 - System und Verfahren für Regelung und Schätzung von Hochdruck- und Niedrigdruck-Abgasrückführung - Google Patents

System und Verfahren für Regelung und Schätzung von Hochdruck- und Niedrigdruck-Abgasrückführung Download PDF

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Abstract

Ein System für einen Dieselmotor mit einem Ansaugkrümmer und einem Abgaskrümmer, welches umfasst: einen zwischen dem Ansaug- und Abgaskrümmer des Motors angeschlossenen Turbolader; eine Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem an dem Abgaskrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Niedrigdruck-Abgasrückführung ein damit verbundenes erstes Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; eine Hochdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem mit dem Abgaskrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenem ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Hochdruck-Abgasrückführung ein damit verbundenes zweites Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; einen in dem Motoransaugkrümmer stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossenen ersten Luftmassenmesser; einen in dem Motoransaugkrümmer stromabwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage und stromaufwärts des zweiten Endes der Hochdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossenen zweiten Luftmassenmesser.

Description

  • Hintergrund und Kurzdarstellung
  • Dieselmotoren können das Wiederaufnehmen von verbrannten Abgasen zum Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeit und dem Senken von Emissionen nutzen. Eine Abgasrückführungsanlage (AGR) kann zum Beispiel zum Rückführen von Abgasen von dem Abgaskrümmer zum Ansaugkrümmer verwendet werden. Ein solcher Betrieb kann Frischluft verdrängen und die Sauerstoffkonzentration im Zylinder senken sowie die Bildung von NOx während der Verbrennung reduzieren.
  • Bei manchen Motorauslegungen, die einen Turbolader aufweisen, können sowohl eine Niedrigdruck- als auch eine Hochdruck-AGR-Anlage verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Hochdruck-AGR-Schleife (HD) vom Abgaskrümmer (stromaufwärts der Turbine des Turboladers) zum Ansaugkrümmer (stromabwärts des Verdichters des Turboladers) eingesetzt werden. Ferner kann auch eine Niedrigdruck-Schleife (ND) von stromabwärts der Turbine zu stromaufwärts des Verdichters verwendet werden. Siehe zum Beispiel U.S. 6,863,058.
  • Die Erfinder dieser Anmeldung haben bei einem solchen Vorgehen einen Nachteil erkannt. Im Einzelnen kann in manchen Fällen die HD-AGR-Rate anhand eines stromaufwärts des HD-AGR-Einlasses in dem Ansaugkrümmer angeordneten Luftmassenmessers geschätzt werden. Bei Verwenden sowohl einer HD- als auch einer ND-Schleife ist dieser Messwert typischerweise durch die AGR der ND-AGR-Anlage beeinflusst, wenn beide AGR-Anlagen aktiv sind. Daher kann es zu einer schlechteren Schätzung und somit Regelung der HD- und ND-AGR-Anlage kommen.
  • Weiterhin haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung auch erkannt, dass bei Verwenden einer dualen AGR-Schleife die Wechselwirkung zwischen den beiden AGR-Strömen das Vorliegen ungewollter Bedingungen verursachen kann, beispielsweise dass der gesamte AGR-Strom zu groß oder zu klein wird. Wenn zum Beispiel ungenügend Druck über den AGR-Schleifen vorliegt, kann ungenügend AGR erhalten werden. Analog können transiente Bedingungen vorliegen, bei denen die gesamte AGR größer als erwünscht wird.
    •
  • Zumindest einige der obigen Belange können durch ein System für einen Dieselmotor mit einem Ansaugkrümmer und einem Abgaskrümmer angegangen werden, welches umfasst: einen zwischen dem Ansaug- und Abgaskrümmer des Motors angeschlossenen Turbolader; eine Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem an dem Abgaskrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Niedrigdruck-Abgasrückführung ein damit verbundenes erstens Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; eine Hochdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem mit dem Abgaskrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenem ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Niedrigdruck-Abgasrückführung ein damit verbundenes zweites Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; einen in dem Motoransaugkrümmer stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossenen ersten Luftmassenmesser; und einen in dem Motoransaugkrümmer stromabwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage und stromaufwärts des zweiten Endes der Hochdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossenen zweiten Luftmassenmesser.
  • Auf diese Weise kann ein System an die Hand gegeben werden, das sowohl Hochdruck- als auch Niedrigdruck-AGR-Ströme präzis regeln kann, selbst wenn beide Anlagen gleichzeitig aktiv sind. In einem Beispiel wird dies durch die Fähigkeit zum Schätzen von Niedrigdruck-AGR-Strömen unabhängig von HD-AGR-Strömen mittels Verwendung eines in der Ansauganlage stromaufwärts des Niedrigdruck-AGR- Einlasses befindlichen Sensors zusätzlich zu anderen Angaben vorgesehen. In einem anderen Beispiel können zwei Luftmassenmesser verwendet werden, um zwischen Hoch- und Niedrigdruck-AGR-Strömen zu unterscheiden. Wie hierin nachstehend beschrieben wird, sind noch weitere Beispiele möglich.
  • In einer anderen Ausführung können zumindest einige der obigen Belange durch ein Verfahren zum Regeln eines Dieselmotors mit einem Ansaugkrümmer und einem Abgaskrümmer angegangen werden, wobei der Motor weiterhin umfasst: einen zwischen dem Ansaug- und Abgaskrümmer des Motors angeschlossenen Turbolader; eine Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem an dem Abgaskrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage ein damit verbundenes erstens Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; eine Hochdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem mit dem Abgaskrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenem ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Niedrigdruck-Abgasrückführung ein damit verbundenes zweites Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; eine in dem Motoransaugkrümmer zwischen dem zweiten Ende der Hochdruck-Abgasrückführungsanlage und dem zweiten Ende der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossene erste Drossel und eine stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossene zweite Drossel, wobei das Verfahren umfasst: Einstellen des ersten Ventils und der ersten Drossel zum Regeln von Strömen in der Hochdruck-Anlage und Einstellen des zweiten Ventils und der zweiten Drossel zum Regeln von Strömen in der Niedrigdruck-Anlage.
  • Auf diese Weise ist es möglich, eine koordinierte Regelung der beiden AGR-Strömventile und der beiden Drosseln in dem Ansaugkrümmer zu verwenden, um einen verbesserten Gesamtbetrieb zu erreichen. Zum Beispiel kann ausreichendes AGR-Strömen von der jeweiligen Hoch- und Niedrigdruck-Anlage unter sich verändernden Betriebsbedingungen erreicht werden.
    •
  • Beschreibung der Figuren
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Selbstzündungsmotorsystems mit einer AGR-Anlage und einem Turbolader variabler Geometrie; und
  • 2–3 sind Übersichtsflussdiagramme eines beispielhaften Betriebs.
  • Eingehende Beschreibung
  • Unter Hinwendung zunächst zu 1 wird dort ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines Selbstzündungsmotorsystems 10 gezeigt, das mit einer Hochdruck- und Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage (AGR) (12 bzw. 13) und einem Turbolader variabler Geometrie (VGT) 14 ausgestattet ist. Ein repräsentativer Motorblock 16 wird mit vier Brennräumen 18 gezeigt, wenngleich bei Bedarf mehr oder weniger Zylinder verwendet werden können. Jeder der Brennräume 18 weist ein Direkteinspritz-Kraftstoffeinspritzventil 20 auf. Die Einschaltdauer der Einspritzventile 20 wird durch das Motorsteuergerät (ECU) 24 ermittelt und entlang einer Signalleitung 22 übertragen. Durch den Ansaugkrümmer 26 dringt Luft in die Brennräume 18 und durch den Abgaskrümmer 28 werden Verbrennungsgase in Richtung des Pfeils 30 abgelassen.
  • Um den Wert von NOx-Emissionen zu senken, ist der Motor mit einer AGR-Anlage ausgerüstet. Die AGR-Anlage weist eine Hochdruck-AGR-Anlage 12 (HD) auf, die eine den Abgaskrümmer 28 mit dem Ansaugkrümmer 26 verbindende Leitung 32 umfasst. Dies erlaubt ein Rückführen eines Teils der Abgase von dem Abgaskrümmer 28 zu dem Ansaugkrümmer 26 in Richtung des Pfeils 31. Ein HD-AGR-Ventil 34 regelt die von dem Abgaskrümmer 28 rückgeführte Abgasmenge. Das Ventil 34 kann eine Drosselklappe, eine Düsennadelöffnung, ein Steuerschieber oder eine andere Art von variablem Ventil sein. Ferner wird eine Niedrigdruck-AGR-Anlage 13 (ND) gezeigt, die eine Gase vom Ausgang der Turboladerturbine (nachstehend erläutert) mit dem Einlass des Turboladerverdichters verbindende Leitung 33 aufweist. Dies erlaubt das Rückführen eines Teils der Abgase von dem Auslass zu dem Einlass stromaufwärts der Turboladeranlage und somit bei niedrigen Drücken. Ein ND-AGR-Ventil 76 ähnlich dem Ventil 34 kann zum Regeln des Strömens der ND-AGR verwendet werden. Jedes der Ventile 34 und 76 kann durch das ECU 24 gesteuert werden.
  • In den Brennräumen wirkt das rückgeführte Abgas als inertes Gas, wodurch die Flammen- und Zylindergastemperatur gesenkt und die Bildung von NOx verringert wird. Das rückgeführte Abgas verdrängt dagegen Frischluft und senkt das Kraftstoff-/Luftverhältnis des Zylindergemisches durch Reduzieren von überschüssigem Sauerstoff.
  • Der Turbolader 14 nutzt Abgasenergie zum Vergrößern der den Motorbrennräumen 18 gelieferten Masse der Luftladung. Das in Richtung von Pfeil 30 strömende Abgas treibt den Turbolader 14 an. Diese größere Luftmasse kann mit einer größeren Menge Kraftstoff verbrannt werden, was zu mehr Drehmoment und Leistung verglichen mit Saugmotoren ohne Turbolader führt.
  • Der Turbolader 14 weist einen Verdichter 36 und eine Turbine 38 auf, die durch eine gemeinsame Welle 40 verbunden sind. Das Abgas 30 treibt die Turbine 38 an, die den Verdichter 36 antreibt, der wiederum Umgebungsluft 42 (und falls vorhanden ND-AGR-Gas) verdichtet und es in den Ansaugkrümmer 26 lenkt (Pfeil 43). Der VGT 14 kann als Funktion von Motordrehzahl während des Motorbetriebs durch Verändern der Turbinenstromfläche und des Winkels, bei dem das Abgas 30 an den Turbinenschaufeln gelenkt wird, modifiziert werden. Dies wird durch Ändern des Winkels der Einlassleitschaufeln 44 an der Turbine 38 verwirklicht. Die Betriebsstellung für die Motorleitschaufeln 44 wird aus den erwünschten Motorbetriebseigenschaften bei verschiedenen Motordrehzahlen und Lasten durch das ECU 24 ermittelt.
  • Zwischen der Turbine 38 und der ND-AGR-Anlage 13 kann ein Schadstoffbegrenzungssystem 74 sein, das eine oder mehrere Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen aufweisen kann, beispielsweise einen Partikelfilter, einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion, einen NOx-Filter oder Kombinationen derselben. Weitere zusätzliche Vorrichtungen können stromaufwärts der Turbine 38 und/oder stromabwärts des Systems 74 enthalten sein. In einer Ausführung können ein oder mehrere Druck- und/oder Temperatursensoren in dem System 74 angeschlossen sein und zum Einstellen des Motorbetriebs verwendet werden.
  • Wie aus 1 ersichtlich wird, regulieren sowohl die AGR-Anlagen 12 und 13 als auch der VGT 14 das Strömen von Gas von dem Abgaskrümmer 28. Die Wirkung der AGR und des VGT ist daher gemeinsam von den Bedingungen in dem Abgaskrümmer 28 abhängig. AGR-Ströme und Frischluftströme können ebenfalls durch Einstellen entweder der Hochdruck-AGR-Drossel 84 oder der Niedrigdruck-AGR-Drossel 28 geregelt werden, die beide durch das ECU 24 gesteuert werden.
  • All die Motorsysteme einschließlich der AGR-Anlagen 12 und 13, dem VGT 14, der Drosselventile 78 und 84 und der Einspritzventile 20 werden durch das ECU gesteuert. Ein Signal 46 von dem ECU 24 regelt zum Beispiel die HD-AGR-Ventilstellung und ein Signal 48 regelt die Stellung der VGT-Leitschaufeln 44.
  • In dem ECU 24 werden die Befehlssignale 46, 48 an die AGR-Anlage 12 und die VGT-14-Aktoren sowie andere Befehlssignale aus gemessenen Variablen und Motorbetriebsparametern berechnet. Sensoren und kalibrierbare Lookup-Tabellen liefern dem ECU 24 Motorbetriebsinformationen. Der Ansaugunterdruckfühler 50 (MAP) liefert zum Beispiel ein Signal 52 an das ECU 24, das den Druck in dem Ansaugkrümmer 26 stromabwärts des HD-AGR-Eingangs anzeigt, und der Drucksensor 96 liefert ein Signal 98, das den Druck stromaufwärts des HD-AGR-Eingangs in den Ansaugkrümmer anzeigt. Analog liefert ein Abgaskrümmerdrucksensor 54 (EXMP) ein EXMP-Signal 56 zum ECU 24, das den Druck in dem Abgaskrümmer 28 stromaufwärts des HD-AGR-Auslasses anzeigt. Ferner liefert ein Luftladungstemperatursensor 58 ein Signal 60 an das ECU 24, das die Temperatur der Ansaugluftladung 42 anzeigt. Ein erster Luftmassenmesser 80 (MAF1) und ein zweiter Luftmassenmesser 64 (MAF2) liefern dem ECU 24 ebenfalls Signale 82 und 66, die jeweils die jeweiligen Luftströme in dem Ansaugsystem anzeigen. Während 1 den Sensor 80 in dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des ND-AGR-Einlasses und stromaufwärts der Drossel 78 zeigt, kann er zum Beispiel auch stromabwärts der Drossel angeordnet sein. Während 1 den Sensor 80 in dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des ND-AGR-Einlasses und stromaufwärts der Drossel 78 zeigt, kann er auch zum Beispiel stromabwärts der Drossel angeordnet sein. Während ferner 1 den Sensor 64 in dem Ansaugkrümmer stromabwärts des ND-AGR-Einlasses und stromaufwärts des HD-AGR-Einlasses und stromaufwärts des Turboladers 14 zeigt, kann ferner der Sensor 64 auch stromabwärts des Turboladers 14 und entweder stromaufwärts oder stromabwärts der Drossel 84 angeordnet sein, während er immer noch stromaufwärts des HD-AGR-Einlasses ist.
  • Sensoren können auch Angaben zur Ventilstellung für die Regelung liefern, beispielsweise für ein beliebiges oder jedes der Ventile 34, 84, 76 und 78. Ferner kann ein Abgasdruck in der ND-AGR-Anlage mittels eines Signals 92 durch den Drucksensor 90 vorgesehen werden. Weiterhin kann die Abgassauerstoffkonzentration, die ein Kraftstoff-/Luftverhältnis anzeigen kann, durch einen Sauerstoffsensor 72 vorgesehen werden. Weitere Sensoreingaben können ebenfalls von dem ECU entlang der Signalleitung 62 empfangen werden, beispielsweise Motorkühlmitteltemperatur, Motordrehzahl und Drosselstellung. Weitere Bedienereingaben 68 werden zusammen mit Signal 70 erhalten, beispielsweise die Gaspedalstellung. Beruhend auf den Sensoreingaben und den im Speicher abgelegten Motorkennfelddaten steuert das ECU die AGR-Anlagen, die Drosseln und den VGT, um Ansaugluftströmen, rückgeführte Abgase und/oder den Ansaugkrümmerdruck (MAP) zu regeln, und steuert die Einspritzventile zum Regeln der Kraftstoffzufuhr.
  • Unter gewissen Bedingungen können zum Erreichen einer erwünschten gesamten AGR-Strömrate in dem Ansaugkrümmer bei bestimmten Drehzahlen und Lasten ein oder beide der ND- und HD-AGR-Anlagen verwendet werden. Unter bestimmten Bedingungen wird mit anderen Worten nur die HD-AGR-Schleife verwendet, unter anderen Bedingungen nur die ND-AGR-Schleife und unter noch anderen Bedingungen werden beide Schleifen verwendet. Da aber unter verschiedenen Bedingungen die AGR eine oder mehrere Strecken nehmen kann, kann es schwierig sein, eine Menge und Zusammensetzung einer AGR-Strömmenge in dem Ansaugkrümmer zu ermitteln und zu regeln.
  • Ein beispielhaftes Vorgehen für die Schätzung und Regelung bietet eine verbesserte Lösung für die Regelung der Niedrigdruck-AGR und bietet verbesserte Genauigkeit bei Transienten und verbesserte Robustheit im Hinblick auf Störfaktoren. Dieses Beispiel nutzt einen Satz von Sensoren, die einen Hinweis sowohl auf den ND- als auch den HD-AGR-Massenstrom liefern können. Auf diese Weise können die Ströme unabhängig ermittelt und somit präzis geregelt werden. In einer Ausführung kann ein stromaufwärts des ND-AGR-Einlasses angeordneter Luftmassenmesser zusammen mit zusätzlichen Strömungs- und/oder Drucksensoren beim Vorsehen einer akkuraten Schätzung und Regelung von Niedrigdruck- und Hochdruck-AGR-Strömen vorteilhaft verwendet werden.
  • Unter Bezug nun auf 2 wird eine Routine zum Steuern der ND- und HD-AGR-Ventile beschrieben. In diesem Beispiel ermittelt die Routine zunächst bei 210, ob sowohl die Hoch- als auch die Niedrigdruck-AGR-Anlage aktiv ist. Wenn ja, rückt die Routine zu 212 vor, um das Hochdruck-AGR-Strömen zu ermitteln. Dieses Strömen kann durch Ermitteln der in ein festgelegtes Volumen, beispielsweise der Ansaugkrümmer vom Eingang der ND-AGR-Anlage zum Motor, eindringenden Strömmenge, der aus dem Volumen austretenden Strömmenge und jeder Stromkompressibilität in dem Volumen geschätzt werden. In einem Beispiel ist der austretende Strom der in den Motor eindringende Strom (W_eng), der aus dem Völligkeitsgrad (in dem ECU als Funktion von Drehzahl und anderen Motorbetriebsparametern gespeichert) und dem Krümmerdruck (MAP) vom Sensor 50 berechnet werden kann. Der eindringende Strom kann vom Sensor 64 (MAF2) ermittelt werden, wenn ein solcher Sensor vorgesehen ist. In einer alternativen Ausführung kann der eindringende Strom aus dem Druckabfall über der Drossel 84 unter Verwendung einer Durchflussmengengleichung geschätzt werden.
  • Somit können in einem Vorgehen die folgenden Gleichungen zum Ermitteln des HD-AGR-Stroms (W_egr_hp) verwendet werden. W_egr_hp = d(m_int)/dt + W_eng – MAF2 wobei MAF2 der von dem MAF-Sensor stromabwärts des ND-AGR-Einlasses gemessene Strom ist, W_eng die Motorströmung, berechnet aus Völligkeitsgrad, und m_int die geschätzte Masse von Gasen im Ansaugkrümmer beruhend auf dem idealen Gasgesetz sind.
  • Als Nächstes ermittelt die Routine bei 214 den vorhandenen ND-AGR-Strom, der beruhend auf dem gesamten Strom stromaufwärts des HD-AGR-Einlasses (z.B. MAF2) minus des in den Einlass eindringenden Stroms (z.B. 42 gemessen von MAF1) ermittelt werden kann. Alternativ kann bei Bedarf der in den Einlass eindringende Strom beruhend auf den Druckwerten stromaufwärts und stromabwärts der Drossel 78 mit Hilfe einer Durchflussmengengleichung geschätzt werden.
  • Als Nächstes ermittelt die Routine bei 216 die erwünschten ND- und HD-AGR-Ströme basierend auf Betriebsbedingungen wie Drehzahl und Last. Dann stellt die Routine bei 218 die ND- und HD-AGR-Ventile (34, 90) anhand eines Vergleichs der erwünschten Ströme mit den geschätzten oder gemessenen Werten ein. In einem Beispiel kann ein Regler, beispielsweise ein proportional oder proportional-integral (PI) wirkender Regler verwendet werden, wobei die Ventilbefehle ermittelt werden als: Cmd_egr_lp = PI(W_EGR_lp – W_EGR_lp_des(N, trq)) Cmd_egr_hp = PI(W_EGR_hp – W_EGR_hp_des(N, trq))wobei Cmd_egr_lp/hp die Einstellungen oder die angeordnete Einschaltdauer bzw. die Stellungen zu den AGR-Ventilen sind und W_EGR_lp/hp_des die erwünschten Niedrigdruck- und Hochdruck-AGR-Ströme sind, die eine Funktion von Drehzahl (N), Drehmoment (trq), Last oder anderen Motorbetriebsbedingungen sein können.
  • Wenn die Antwort auf 212 Nein ist, rückt die Routine zu 220 vor, um zu ermitteln, ob die ND-AGR-Anlage aktiv ist. Wenn ja, rückt die Routine zu 222 vor, um die Menge des ND-AGR-Stroms zu ermitteln, beispielsweise mit Hilfe der oben in 214 beschriebenen Berechnung. Dann rückt die Routine zu 216 vor, um einen erwünschten ND-AGR-Strom zu ermitteln, und stellt dann das ND-AGR-Ventil bei 218 basierend auf den erwünschten und geschätzten Werten ein, was wie vorstehend beschrieben mit Hilfe eines PI-Reglers erfolgen kann.
  • Wenn die Antwort auf 220 nein lautet, rückt die Routine zu 228 vor, um zu ermitteln, ob die HD-AGR-Anlage aktiv ist. Wenn ja, rückt die Routine zu 230 vor, um die Menge des HD-AGR-Stroms zu ermitteln, beispielsweise mit Hilfe der vorstehend bei 212 beschriebenen Berechnung. Dann rückt die Routine zu 232 vor, um einen erwünschten HD-AGR-Strom zu ermitteln, und stellt dann das HD-AGR-Ventil bei 234 beruhend auf den erwünschten und geschätzten Werten ein, was wie vorstehend beschrieben mit Hilfe eines PI-Reglers erfolgen kann.
  • Wenn die Antwort auf 228 nein lautet, schließt die Routine beide ND- und HD-AGR-Ventile und bewegt die Drosseln basierend auf Betriebsbedingungen zu einem erwünschten Wert.
  • Auf diese Weise ist es möglich, eine unabhängige und präzise Regelung der AGR-Anlagen durch Vorsehen einer akkuraten Schätzung und/oder Messung der ND- und HD-AGR-Ströme vorzusehen. Im Einzelnen kann in einer Ausführung unter Verwendung eines Luftmassenmessers stromaufwärts des ND-AGR-Einlasses (und optional unter Verwendung eines zweiten Luftmassenmessers stromabwärts des ND-AGR-Einlasses) eine präzise Ermittlung des ND-AGR-Stroms und somit eine präzise Regelung der AGR verwirklicht werden.
  • Während 2 eine beispielhafte Ausführung zum Regeln und Schätzen von AGR-Strömen zeigt, wird in 3 eine alternative Ausführung beschrieben. In dem Beispiel von 3 wird eine koordinierte Steuerung mehrerer AGR-Ventile und Drosselventile vorgesehen, um selbst unter sich verändernden oder transienten Betriebsbedingungen eine präzise Regelung zu bieten.
  • Im Einzelnen zeigt 3 eine alternative Ausführung, die verwendet werden kann, wenn sowohl der ND- als auch der HD-AGR-Strom aktiv ist. Bei 310-312 ermittelt die Routine Werte der ND- und ND-AGR-Ströme und ermittelt dann ähnlich wie bezüglich 212-216 gezeigt und vorstehend erläutert bei 314 die erwünschten HD- und ND-AGR-Ströme. Dann ermittelt die Routine bei 316, ob das Druckdifferential über der ND-AGR-Anlage größer als ein Grenzmindestwert ist. Der Grenzwert kann variabel sein, zum Beispiel kann er ein Betrag sein, um eine erwünschte Strömung bei maximaler ND-AGR-Ventilstellung zu ergeben, was eine Funktion von Betriebsbedingungen, Temperatur etc. sein kann. Alternativ kann ein fester Grenzwert verwendet werden oder die Routine kann ermitteln, ob das ND-AGR-Ventil stärker offen ist als ein Grenzwertbetrag etwas unter der maximalen Stellung.
  • Wenn die Antwort auf 316 ja ist, rückt die Routine zu 318 vor, um den Betrieb der ND-Drossel 78 einzustellen (z.B. zu schließen), um einen Unterdruck in dem Luftrohr stromaufwärts der Verdichterseite des Turboladers 14 zu erhöhen. In einem Beispiel kann, wenn der Druckabfall über dem ND-AGR-Ventil nicht ausreicht, ein größerer Druckabfall durch Drosseln des Gases stromaufwärts des Niedrigdruckeinlasses erzeugt werden. In einer Ausführung kann ein einziger Steuerbefehl verwendet werden, um einen größeren Bereich an ND-AGR-Strömung zu erreichen, indem die folgende Steuerstruktur bei 320 und 322 ausgeführt wird: Cmd_egr_lp = PI(W_EGR_lp – W_EGR_lp_des(N, trq)) Cmd_egrvv_lp = min(1, cmd_egr_lp) Cmd_egrthr_lp = max(0, cmd_egr_lp – 1)wobei N die Motordrehzahl, trq ein erwünschtes Drehmoment, min() eine Mindestfunktion, 1 eine einheitlose Darstellung einer maximalen Ventilstellung und max() eine Maximalfunktion sind.
  • Ein ähnliches Vorgehen kann dann für die HD-AGR-Anlage übernommen werden, wenn laut Ermittlung bei 324 ungenügendes Strömen erhalten wird. Zum Beispiel kann bei 326-330 die folgende Struktur verwendet werden: Cmd_egr_hp = PI(W_EGR_hp – W_EGR_hp_des(N, trq)) Cmd_egrvv_hp = min(1, cmd_egr_hp) Cmd_egrthr_hp = max(0, cmd_egr_hp – 1)
  • Wenn weiter mit 3 die Antwort auf 324 nein lautet, rückt die Routine zu 334 vor, um die ND- und HD-AGR-Ventilstellungen einzustellen, um den erwünschten Strom zu verwirklichen, wie vorstehend unter Bezug auf 218 erwähnt wurde.
  • Während das obige Beispiel AGR und/oder Drosselventilstellungen einstellt, um erwünschte HD- und ND-AGR-Ströme zu erhalten, die eine Funktion von Bedingungen wie Drehzahl und Last sind, können andere Steuerziele verwendet werden. Zum Beispiel kann die Routine Sollwerte oder Wunschwerte der HD- und ND-AGR-Ströme einstellen, um eine erwünschte Ansaugkrümmertemperatur, T_int_des(N, trq), zu verwirklichen, die selbst eine Funktion von Motorbetriebsbedingungen ist. Zum Beispiel: W_EGR_hp_des = W_EGR_hp_des_ff + PI(T_int – T_int_des(N, trq)) W_EGR_lp_des = W_EGR_lp_des_ff + PI(T_int – T_int_des(N, trq))wobei W_EGR_hp/lp_des_ff das anfängliche erwünschte HD-ND-AGR-Strömen ist, das zum Beispiel auf Drehzahl und Last beruhen kann.
  • Auf diese Weise ist es möglich, ND- und ND-AGR-Ströme einzustellen und dabei auch zum Beispiel die Ansaugkrümmertemperatur zu steuern. Ein solcher Betrieb kann beim Verwirklichen einer erwünschten Zylinderladungstemperatur für eine Selbstzündungsverbrennung mit homogener Ladung bei niedriger Temperatur vorteilhaft verwendet werden, bei der der Temperaturanstieg der Verdichtung, nicht die Einspritzsteuerung von Dieselkraftstoff, eine Zündung bewirkt. Noch weitere Vorteile können verwirklicht werden, da durch Regeln der Ansaugkrümmertemperatur die Abgastemperatur beeinflusst werden kann.
  • In einer noch anderen alternativen Ausführung kann die Routine einen ND-/HD-AGR-Anteil regeln. Das Verhältnis der AGR-Ströme kann mit anderen Worten so eingestellt werden, dass es sich während Betriebsbedingungen verändert, und dann mittels koordinierter Einstellung der AGR und/oder der Drosselventile wie folgt geregelt werden: X_egr_lp = W_egr_lp/W_eng X_egr_hp = W_egr_hp/W_engwobei X_egr_lp der Anteil des ND-AGR-Stroms ist und X_egr_hp der Anteil des HD-AGR-Stroms ist. Diese Werte können dann mittels des vorstehend bezüglich der 2 und/oder 3 erläuterten PI-Reglers gesteuert werden. Ferner kann bei Bedarf auch eine Ansaugkrümmertemperaturregelung aufgenommen werden.
  • In einer noch anderen alternativen Ausführung kann die Routine weiterhin die Regelung eines verbrannten Gasanteils enthalten. Die Routine kann zum Beispiel mit Hilfe einer Abgaslambdasonde (z.B. 72) den Anteil verbrannten Gases in den ND- und HD-AGR-Strömen schätzen und die verbrannten ND/HD-Gasanteile in dem Ansaugkrümmer regeln. In diesen Beispiel können weitere Sensorangaben verwendet werden, beispielsweise die Temperatur in dem Ansaugkrümmer (58).
  • Im Einzelnen wird der Anteil an inertem Gas im Ansaugkrümmer (f_man) in den von der Niedrigdruckschleife (f_man_lp) kommenden Anteil und den von der Hochdruckschleife (f_man_hp) kommenden Anteil an inertem Gas unterschieden. Jeder dieser Anteile wird beruhend auf den zuvor beschriebenen Sensoren und der spezifischen Raumgeschwindigkeit jeder AGR-Schleife beobachtet. Diese Beobachtungselemente, die auf die Lambdasonde und den Temperatursensor ansprechen, ermöglichen eine präzise Schätzung der Zusammensetzung des rückgeführten Gases.
  • Bei einem Vorgehen können die folgenden Differentialgleichungen zum Modellieren von Veränderungen des Anteils an inertem Gas im Ansaugkrümmer, das von der Niedrigdruck-AGR-Schleife bzw. der Hochdruck-AGR-Schleife kommt, verwendet werden: d(f_man_lp)/dt = [(Fegrlp·(MAF2 – MAF1) – f_man_lp·(MAF2 + W_egr_hp)]/Mman d(f_man_hp)/dt = [(Fegrhp – f_man_hp)·W_egr_hp_f_man_hp·MAF2]/Mmanwobei Fman der Anteil an AGR-Gas im Krümmer, f_man_lp der von der Niedrigdruck-AGR-Schleife kommende Anteil an AGR-Gas im Ansaugkrümmer, f_man_hp der von der Hochdruck-AGR-Schleife kommende Anteil an AGr-Gas im Ansaugkrümmer, Mman die Masse an Gas im Krümmervolumen, f_egr_lp der Anteil an AGR-Gas am Auslass des AGR-Niedrigdruckkrümmers (was durch Umkehrung des gemessenen Lambdawerts in der Abgasleitung mit einer zusätzlichen Transportverzögerung, die spezifisch für die ND-AGR-Schleife ist, approximiert werden kann), f_egr_hp der Anteil an AGR-Gas am Auslass des AGR-Hochdruckkrümmers (was durch Umkehrung des gemessenen Lambdawerts im Abgasrohr mit einer zusätzlichen Transportverzögerung, die spezifisch für die HD-AGR-Schleife ist, approximiert werden kann) sind und wobei zu beachten ist, dass Fman gleich der Kombination aus f_man_hp und f_man_lp ist, W_egr_lp gleich der Differenz zwischen MAF2 und MAF1 ist und W_egr_hp gleich der Differenz zwischen W_eng und MAF2 ist.
  • Eine Doppelsteuerung von f_man_lp und f_man_hp kann so mit Hilfe ihrer jeweiligen Ventile in einer dekorrelierten Weise ausgeführt werden, um den erwünschten Anteil an inertem Gas in dem Ansaugkrümmer unter Beachten der spezifischen Dynamik beider Schleifen, der Dynamikanforderungen des Motors und unter Verbesserung der Robustheit der Steuerung mit Verwendung der Lambdasonde zu erreichen, um die Zusammensetzung der rückgeführten Gase präzis zu kennen.
  • Im Einzelnen können erwünschte Werte für den Anteil an Hoch- und Niedrigdruck-AGR (f_man_lp_des und f_man_hp_des) aus einem einzigen erwünschten Anteil wie folgt ermittelt werden: f_man_lp_des = k·f_man_des f_man_hp_des = (1 – k)·f_man_des so dass f_man_des = f_man_hp_des + f_man_lp_des wobei f_man_des der erwünschte Gesamtanteil verbrannten Gases im Ansaugkrümmers, f_man_lp_des der erwünschte Anteil verbrannter Gase im Ansaugkrümmer, der von der Niedrigdruckschleife kommt, f_man_hp_des der erwünschte Anteil verbrannte Gase im Ansaugkrümmer, der von der Hochdruckschleife kommt; und k ein Element von [0; 1] und das Gewicht ist, das die Übertragung von Leistung von einer AGR-Schleife zur anderen bestimmt.
  • Mit anderen Worten: wenn k ansteigt, sinkt f_man_lp_des, sinkt fman_hp_des und somit wird ein höherer Anteil verbrannter Gase im Ansaugkrümmer von der Niedrigdruck-AGR-Schleife angefordert und umgekehrt. Die Ermittlung von k bei Motorbedingungen erlaubt eine bessere Anpassung der Verwendung jeder AGR-Schleife basierend auf deren spezifischer Dynamik und/oder Beschränkungen. Der Parameter k kann bei zahlreichen Betriebsbedingungen verändert werden, zum Beispiel Motortemperatur, Drehzahl, Last und andere.
  • Die Steuerung der Anteile inerten Gases kann bei Bedarf auch mit der koordinierten Steuerung der AGR-Ventile und Drosselventile und der Temperaturregelung kombiniert werden. Ferner kann auch wie hierin nachstehend erwähnt ein Ausgleich für Transportverzögerungen aufgenommen werden.
  • Wie hierin vorstehend erwähnt können verschiedene Messstellen für Ströme verwendet werden. Da die AGR und/oder Massenströme stromaufwärts des Ansaugkrümmers gemessen werden, kann es in einem Beispiel möglich sein, die Strömungsverzögerungen in dem Niedrigdruck-AGR-Strom durch Schätzen der Transportverzögerung zwischen dem ND-AGR-Einlass und dem Ansaugkrümmer und in dem Hochdruck-AGR durch Schätzen der Transportverzögerung zwischen dem HD-AGR-Einlass und dem Ansaugkrümmer auszugleichen. Die Transportverzögerungen können durch Teilen des Rohrvolumens durch eine Durchflussgeschwindigkeit beruhend auf einer repräsentativen Dichte geschätzt werden. Dann kann die Routine die Strömverzögerungen durch Einstellen der erwünschten Strömmengen ausgleichen.
  • Zu beachten ist, dass die hierin enthaltenen Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motorkonfigurationen, wie sie oben beschrieben wurden, verwendet werden können. Die hierin beschriebene spezifische Routine kann eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, beispielsweise unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene gezeigte Schritte oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, wird aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Eine oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen können abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Weiterhin können die beschriebenen Schritte einen in das maschinenlesbare Speichermedium in dem Steuergerät 24 einzuprogrammierenden Code graphisch darstellen.
  • Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend aufgefasst werden dürfen, da zahlreiche Abänderungen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, Gegenkolben- und andere Motorausführungen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst weiterhin alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
  • Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims (20)

  1. System für einen Dieselmotor mit einem Ansaugkrümmer und einem Abgaskrümmer, welches umfasst: einen zwischen dem Ansaug- und Abgaskrümmer des Motors angeschlossenen Turbolader; eine Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem an dem Abgaskrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Niedrigdruck-Abgasrückführung ein damit verbundenes erstens Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; eine Hochdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem mit dem Abgaskrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenem ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Hochdruck-Abgasrückführung ein damit verbundenes zweites Ventil zum Regeln von Strömen aufweist; einen in dem Motoransaugkrümmer stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossenen ersten Luftmassenmesser; und einen in dem Motoransaugkrümmer stromabwärts des zweiten Endes der Hochdruck-Abgasrückführungsanlage und stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossenen zweiten Luftmassenmesser.
  2. System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein dafür ausgelegtes Steuergerät umfasst, Ströme in der Niedrigdruck-Anlage und der Hochdruck-Anlage als Reaktion auf mindestens den ersten und zweiten Sensor zu schätzen und zu regeln.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät weiterhin dafür ausgelegt ist, Ströme in der Niedrigdruck-Anlage und der Hochdruck-Anlage als Reaktion auf mindestens eines von Krümmerdruck, Motordrehzahl und Luftladungstemperatur zu schätzen und zu regeln.
  4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät weiterhin dafür ausgelegt ist, das erste und das zweite Ventil zum Einstellen von Temperatur im Ansaugkrümmer einzustellen.
  5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät weiterhin dafür ausgelegt ist, ein erwünschtes Verhältnis von Abgasrückführungsströmen in den Niedrig- und Hochdruck-Anlagen aufrechtzuerhalten.
  6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät weiterhin dafür ausgelegt ist, einen Anteil verbrannten Gases in den Abgasrückführungsanlagen als Reaktion auf einen Sauerstoffsensor in dem Abgaskrümmer zu schätzen.
  7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät weiterhin dafür ausgelegt ist, die Abgasrückführungsströme einschließlich eines Ausgleichs für Transportverzögerungen zu schätzen.
  8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftmassenmesser stromaufwärts des Turboladers ist.
  9. System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein erstes Drosselventil stromaufwärts des zweiten Endes der Hochdruck-Anlage und stromabwärts des Turboladers umfasst.
  10. System nach Anspruch 1, welches weiterhin ein zweites Drosselventil stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Anlage umfasst.
  11. Verfahren zum Regeln von Strömen in einer ersten und zweiten Abgasrückführungsanlage eines Motors, wobei der Motor einen Turbolader aufweist, die erste Abgasrückführungsanlage zwischen dem Motoreinlass und -auslass an einer Hochdruckseite des Turboladers angeschlossen ist, die zweite Abgasrückführungsanlage zwischen dem Motoreinlass und -auslass an einer Niedrigdruckseite des Turboladers angeschlossen ist, wobei das Verfahren umfasst: Einstellen eines Regelventils in dem Motor zum Verändern mindestens eines Stroms in den Hoch- und Niedrigdruck-Anlagen, wobei das Einstellen als Reaktion auf einen in dem Ansaugkrümmer stromabwärts der Hochdruck-Anlage angeschlossenen ersten Sensor, einen in dem Ansaugkrümmer zwischen dem Niedrigdruck-Sensor und der Hochdruck-Anlage angeschlossenen zweiten Sensor und einen in dem Ansaugkrümmer stromaufwärts der Niedrigdruck-Anlage angeschlossenen dritten Sensor erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor ein Drucksensor ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor und der dritte Sensor Luftmassenmesser sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, welches weiterhin das Ermitteln einer ersten Menge an Motorströmung als Reaktion auf den ersten Sensor, das Ermitteln einer zweiten Menge an Frischluftströmung und Niedrigdruck-Abgasrückführung basierend auf dem zweiten Sensor und das Ermitteln einer dritten Menge an Frischluftströmung basierend auf dem dritten Sensor umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge einer Niedrigdruck-Abgasrückführung basierend auf dem zweiten und dritten Sensor ermittelt wird und eine Menge an Hochdruck-Abgasrückführung basierend auf dem zweiten Sensor und dem ersten Sensor ermittelt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einstellen weiterhin das Einstellen einer stromabwärts der Turbine angeordneten ersten Drossel und einer stromaufwärts der Turbine angeordneten zweiten Drossel umfasst.
  17. Verfahren zum Steuern eines Dieselmotors mit einem Ansaugkrümmer und einem Abgaskrümmer, wobei der Motor weiterhin aufweist: einen zwischen den Ansaug- und Abgaskrümmern des Motors angeschlossenen Turbolader, eine Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem an dem Abgaskrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen ersten Ende und einem an dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage ein damit verbundenes erstes Ventil zum Regeln von Strömen aufweist, eine Hochdruck-Abgasrückführungsanlage mit einem mit dem Abgaskrümmer stromaufwärts des Turboladers angeschlossenem ersten Ende und einem mit dem Ansaugkrümmer stromabwärts des Turboladers angeschlossenen zweiten Ende, wobei die Hochdruck-Abgasrückführungsanlage ein damit verbundenes zweites Ventil zum Regeln von Strömen aufweist, eine in dem Ansaugkrümmer zwischen dem zweiten Ende der Hochdruck-Abgasrückführungsanlage und dem zweiten Ende der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossene erste Drossel und eine stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Abgasrückführungsanlage angeschlossene zweite Drossel, wobei das Verfahren umfasst: Einstellen des ersten Ventils und der ersten Drossel zum Regeln des Strömens in der Hochdruck-Anlage; und Einstellen des zweiten Ventils und der zweiten Drossel zum Regeln des Strömens in der Niedrigdruck-Anlage.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ein Turbolader variabler Geometrie ist, und wobei das Verfahren weiterhin das Einstellen des Turboladers als Reaktion auf Veränderungen von Betriebsbedingungen umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, welches das Einstellen einer der Drosselventile und Rückführungsventile als Reaktion auf einen in dem Ansaugkrümmer stromaufwärts des zweiten Endes der Niedrigdruck-Anlage angeschlossenen Luftmassenmesser umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor weiterhin eine stromabwärts der Turbine angeschlossene Schadstoffbegrenzungsvorrichtung aufweist.
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