DE102007010501A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführmasse - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung einer in einer Abgasrückvorrichtung einer Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit rückgeführten Abgasmasse angegeben, die mittels eines Abgasrückführventils (22) vom Abgas der Brennkraftmaschine abgezweigt und der über einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft beigemischt wird. Für die direkte Messung des rückgeführten Abgasmassenstroms $I1 wird die mit Ventildurchgang hervorgerufene Änderung des thermodynamischen Zustands der abgezweigten Abgasmasse erfasst und daraus der Abgasmassenstrom $I2 ermittelt. Vorzugsweise wird hierzu der am Ein- und Ausgang des Abgasrückführventils (22) herrschende Druck (p<SUB>1</SUB>, p<SUB>2</SUB>) gemessen und mit den Messwerten unter Einbeziehung des gemessenen Öffnungshubs (s) des Abgasrückführventils (22) der Abgasmassenstrom $I3 berechnet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung einer in einer Abgasrückführvorrichtung einer Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit rückgeführten Abgasmasse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Abgasrückführvorrichtungen dienen zur Absenkung der Stickoxid-Emissionen im Abgas von Brennkraftmaschinen. Dabei steigen die Rußemissionen mit steigender Abgasrückführung erst moderat, bei Überschreiten eines Grenzwerts oder sog. Rußgrenze, aber sehr stark an.
  • Bei einer bekannten Abgasrückführvorrichtung für Dieselmotoren („Dieselmotor-Management", Robert Bosch GmbH, 4. Auflage, Oktober 2004, Seite 330 bis 425, Fried. Vieweg und Sohn Verlag, Wiesbaden) wird eine bestimmte Abgasmenge auf der Hochdruckoder Niederdruckseite eines Abgasturboladers vom Abgas abgezweigt und der über den Ansaugtrackt des Motors angesaugten Verbrennungsluft zugeführt. Die rückgeführte Abgasmenge hängt von der Druckdifferenz zwischen dem Abgasgegendruck und dem Druck im Ansaugtrakt sowie der Stellung eines pneumatisch oder elektrisch betätigten Abgasrückführventils ab. Aufgrund der hohen Temperatur und des Schmutzanteils im Abgas erfolgt die Regelung des Abgasrückführventils nicht durch direkte Messung des rückgeführten Abgasstroms, sondern indirekt über einen Luftmassenmesser im Ansaugtrakt. Dessen Messwert wird im Motorsteuergerät mit dem theoretischen Luftbedarf des Motors verglichen, der seinerseits aus verschiedenen Kenndaten des Motors ermittelt wird. Je niedriger die tatsächlich gemessene Verbrennungsluftmasse im Vergleich zum theoretischen Luftbedarf ist, umso höher ist der rückgeführte Abgasanteil.
  • Da das Motorverhalten sich über die Laufzeit verändern kann und das Signal des Luftmassenmessers große Toleranzen aufweist, ist aufgrund der Empfindlichkeit der Rußemission ein relativ großer Sicherheitsabstand zur Rußgrenze zu wahren, so dass der rückgeführte Abgasmassenstrom nicht so groß eingestellt werden kann, wie dies zur Einhaltung der künftig zu erwartender, niedrigen Emissionsgrenzwerte notwendig wäre.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der rückgeführte Abgasmassenstrom direkt gemessen und damit sehr viel genauer bestimmt wird. Damit kann die Regelung des Abgasrückführventils so durchgeführt werden, dass der rückgeführte Abgasmassenstrom sehr viel größer eingestellt und damit die Stickoxidemission weiter reduziert werden kann, ohne dass die Grenze für die stark ansteigende Rußemission erreicht wird.
  • Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Erfassung der thermodynamischen Zustandsänderung der am Ein- und Ausgang des Abgasrückführventils herrschende Druck gemessen und die Messwerte zur Berechnung des Abgasmassenstroms herangezogen. Vorteilhaft wird dabei der Öffnungshub des Abgasrückführventils direkt am Ventil gemessen, mit dem gemessenen Öffnungshub aus der Ventilgeometrie der momentane Öffnungsquerschnitt bestimmt und der momentane Öffnungsquerschnitt des Ventils in die Berechnung des Abgasmassenstroms einbezogen.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird zur Erfassung der Änderung des thermodynamischen Zustands die Temperatur des Abgases am Ventileingang, die Temperatur der Verbrennungsluft vor der Mischstelle von Verbrennungsluft und Abgas und die Temperatur der Mischung aus Abgas und Verbrennungsluft unmittelbar hinter der Mischstelle gemessen und daraus eine Abgasrückführrate als Verhältnis des Abgasmassenstroms zur Summe aus Abgasmassenstrom und Verbrennungsluftmassenstrom berechnet. Der Verbrennungsluftmassenstrom wird in bekannter Weise mit einem Luftmassenmesser, z. B. mit einem Heißfilm-Luftmassenmesser, gemessen, und mit dem gemessenen Verbrennungsluftmassenstrom wird aus der Abgasrückführrate der Abgasmassenstrom berechnet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Mischung von Verbrennungsluftmassenstrom und Abgasmassenstrom adiabat durchgeführt und die Temperaturmessstellen für Verbrennungsluft und Mischluft in den adiabaten Mischbereich, also räumlich recht dicht zueinander gelegt. Eine adiabate Mischstrecke; d. h. eine Mischstrecke, in dem dem Gas weder Wärme zugeführt, noch Wärme entnommen wird, kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die Mischstrecke aus einem Kunststoffrohr gefertigt ist. Um eine gute Durchmischung von Verbrennungsluft und Abgas zu erreichen und sog. Strähnen mit stark unterschiedlichen Temperaturen zu vermeiden, ist im Mischbereich bzw. in der Mischstrecke ein Turbolenzgenerator angeordnet, der für eine gute Verwirbelung von Verbrennungsluft und Abgas sorgt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer auf der Hochdruckseite und einer auf der Niederdruckseite eines Abgasturboladers angeordneten Abgasrückführvorrichtung,
  • 2 eine Schemaskizze des Mischstellenbereichs der Abgasrückführvorrichtungen in 1 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3 eine gleiche Darstellung wie in 1 mit nur einer modifizierten Abgasrückführvorrichtung auf der Hochdruckseite des Turboladers,
  • 4 eine Schemaskizze des Mischstellenbereichs der Abgasrückführvorrichtung in 3 zur Erläuterung des modifizierten Verfahrens.
  • Die in 1 schematisiert dargestellte Brennkraftmaschine 10 mit vier Verbrennungszylindern, die z. B. ein Dieselmotor sein kann, weist einen Ansaugtrackt 11 auf, über den den Verbrennungszylindern der Brennkraftmaschine 10 Verbrennungsluft zugeführt wird. An jedem Verbrennungszylinder ist ein Abgasrohr 12 angeschlossen, die in einem gemeinsamen Abgasstrang 13 münden. Im Abgasstrang 13 ist die Turbine 141 eines Abgasturboladers 14 angeordnet, dessen Verdichter 142 im Ansaugtrackt 11 platziert ist. Die Turbine 141 nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters 142, der Frischluft ansaugt und über ein Saugrohr 15 des Ansaugtrakts 11 als Verbrennungsluft in die Verbrennungszylinder drückt. Der Turbine 141 des Abgasturboladers ist im Abgasstrom 13 ein Oxidationskatalysator 16 und/oder ein Dieselpartikelfilter nachgeordnet, mittels derer eine Nachbehandlung des Abgases durchgeführt wird. Im Saugrohr 15 ist noch ein Ladeluftkühler 17 angeordnet. Auf der Hochdruckseite der Turbine 141 des Turboladers 14 und auf der Niederdruckseite der Turbine 141 ist jeweils eine Abgasrückführvorrichtung 20 angeordnet. Die Abgasrückführvorrichtung 20 auf der Hochdruckseite der Turbine 141 liegt mit einem Abgasrückführkühler 21 in einem Abzweigkanal 18, der vor der Turbine 141 vom Abgasstrang 13 abzweigt und in Strömungsrichtung hinter dem Ladeluftkühler 17 im Saugrohr 15 mündet. Die Abgasrückführvorrichtung 20 auf der Niederdruckseite der Turbine 141 liegt zusammen mit einem Abgasrückführkühler 21 in einem Abzweigkanal 19, der vom Abgasstrang 13 hinter dem Oxidationskatalysator 16 abzweigt und im Ansaugtrakt 13 vor dem Verdichter 142 mündet. In beiden Abzweigkanälen 18, 19 kann der Abgasrückführkühler 21 in Strömungsrichtung vor oder hinter der Abgasrückführvorrichtung 20 angeordnet sein.
  • Die beiden Abgasvorrichtungen 20 sind identisch ausgebildet. Jede Abgasrückführvorrichtung 20 weist ein Abgasrückführventil 22 mit einem Ventilglied 221 (2) und einen das Ventilglied 221 des Abgasrückführventils 22 betätigenden Aktor 23 auf, der von einem Motorsteuergerät 24 angesteuert wird. Beispielhaft ist das Abgasrückführventil 22 ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil und der Aktor 23 ein Elektromagnet, dessen den Öffnungshub s des Ventilglieds 221 (2) bestimmender Erregerstrom im Motorsteuergerät 24 generiert wird. Der jeweils vom Ventilglied 221 ausgeführte Öffnungshub s, der den momentanen Öffnungs- oder Durchlassquerschnitt des Abgasrückführventils 22 bestimmt, wird direkt am Ventil 22 gemessen und dem Motorsteuergerät 24 über eine Messleitung zugeführt. Mit dem Öffnungshub s des Abgasrückführventils 22 wird die über den Abzweigkanal 18 fließende, aus dem Abgasstrang 13 abgezweigte und in dem Saugrohr 15 der Verbrennungsluft beigemischte Abgasmasse pro Zeiteinheit eingestellt.
  • Die zur Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit rückgeführte Abgasmasse wird im Motorsteuergerät 24 in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 über die Ventilöffnung des Abgasrückführventils 22 geregelt. Hierzu ist es erforderlich, die tatsächliche Größe der über das Abgasrückführventil 22 der Verbrennungsluft zugemischten Abgasmasse pro Zeiteinheit zu bestimmen, die als Istwert in dem Regelkreis des Motorsteuergeräts 24 verarbeitet wird. Bei dem hier vorgestellten Verfahren erfolgt die Bestimmung der pro Zeiteinheit rückgeführten Abgasmasse, also die Bestimmung des Istwerts des Abgasmassenstroms, dadurch, dass die mit Ventildurchgang hervorgerufene Änderung des thermodynamischen Zustands der abgezweigten Abgasmasse erfasst und daraus der Abgasmassenstrom berechnet wird. Im einzelnen wird hierzu in der Abgasrückführvorrichtung 20 der 1 und 2 der am Eingang des Abgasrückführ ventils 22 herrschende Druck p1 und der am Ausgang des Abgasrückführventils 22 herrschende Druck p2 gemessen, und die Messwerte werden zur Berechnung des Abgasmassenstroms ṁAbgas (2) herangezogen.
  • Die Berechnung des Abgasmassenstroms ṁAbgas erfolgt gemäß
    Figure 00050001
  • In Gl. (1) ist μ der Durchflussbeiwert, AVentil der momentane Öffnungsquerschnitt des Abgasrückführventils 22, ρ1 die Dichte des Abgases am Ventileingang und κAbgas der Isentropenkoeffizient des Abgases, auch Addiabatenexponent oder -koeffizient genannt. Der Durchflussbeiwert μ wird durch einmaliges Vermessen des Abgasrückführventils 22 ermittelt und in dem Motorsteuergerät 24 als Tabelle hinterlegt. Der Öffnungs- oder Durchflussquerschnitt A wird ebenfalls durch Vermessen des Abgasrückführventils 22 ermittelt und abhängig vom Hub s des Ventilglieds 221 als Tabelle im Motorsteuergerät 24 abgelegt. Der aktuelle Wert des Öffnungsquerschnitts A wird anhand des gemessenen Öffnungshubs s des Ventils 22 aus der Tabelle entnommen. Der Isentropenkoeffizient κAbgas, der als Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten bei konstantem Druck cp und konstantem Volumen cv definiert ist, wird aus dem Luftverhältnis oder der Luftzahl λ und der zu messenden Abgastemperatur tabellarisch bestimmt.
  • In der auf der Niederdruckseite des Turboladers 14 angeordneten Abgasrückführvorrichtung 20 wird die vom Abgasstrang 13 hinter dem Oxidationskatalysator 16 über den Abzweigkanal 19 abgezweigte und der im Ansaugtrakt 11 strömenden Verbrennungsluft zugemischte Abgasmasse pro Zeiteinheit in gleicher Weise gemessen, wie vorstehend beschrieben. Die Verarbeitung der von dieser Abgasrückführvorrichtung 20 dem Motorsteuergerät 24 zugeführten Messwerte s*, p1 *, p2 * werden im Motorsteuergerät 24 getrennt von den Messwerten s, p1, p2 der Abgasrückführvorrichtung 20 auf der Hochdruckseite des Turboladers 14 verarbeitet und eine entsprechende Stellgröße an den Aktor 23 zur Korrektur des Öffnungshubs des Ventilglieds 221 des Abgasrückführventils 22 gegeben.
  • Die in 3 in Verbindung mit der Brennkraftmaschine dargestellte, auf der Hochdruckseite des Turboladers 14 angeordnete Abgasrückführvorrichtung 20 ist im Aufbau identisch mit der zuvor beschriebenen Abgasrückführvorrichtung 20. Sie unterscheidet sich nur durch das Verfahren, mit dem die tatsächliche über das Abgasrückführventil 22 vom Abgasstrang 13 abgezweigte und der Verbrennungsluft im Saugrohr 15 zugemischte Abgasmasse pro Zeiteinheit bestimmt wird. Ebenso wie bei der Abgasrückführvorrichtung 20 gemäß 1 und 2 wird die mit Ventildurchgang hervorgerufene Änderung des thermodynamischen Zustands der abgezweigten Abgasmasse erfasst und daraus der Abgasmassenstrom ṁAbgas ermittelt (4). Allerdings wird hierzu die Temperatur TAbgas am Ventileingang, die Temperatur TLuft, der Verbrennungsluft vor der Mischstelle und die Temperatur Tmix der Mischluft aus Abgas und Verbrennungsluft nach der Mischstelle gemessen und daraus eine Abgasrückführrate ARR als Verhältnis des Abgasmassenstroms ṁAbgas zur Summe aus Abgasmassenstrom ṁAbgas und Verbrennungsluftmassenstrom ṁLuft berechnet. Die Berechnung der Abgasrückführrate ARR aus den dem Motorsteuergerät 24 zugeführten Messwerten erfolgt gemäß
    Figure 00060001
  • In Gl. (2) ist cp die spezifische Wärmekapazität des jeweiligen gasförmigen Mediums, (Abgas, Luft und Mischstrom aus Abgas und Luft) bei konstantem Druck ist. Diese spezifischen Wärmekapazitäten cp sind abhängig von der Temperatur und der Zusammensetzung des jeweiligen Mediums. Die spezifische Wärmekapazität der Luft cp,Luft, die nur abhängig von der Temperatur ist, ist tabellarisch im Motorsteuergerät 24 abhängig von der Temperatur abgelegt. Ihr aktueller Wert wird mit der gemessenen Temperatur TLuft aus der Tabelle ausgelesen. Die spezifische Wärmekapazität des Abgases cp,Abgas ist ebenfalls im Motorsteuergerät 24 abgespeichert, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur und der Luftzahl λ. Der momentane Wert wird abhängig von der gemessenen Temperatur TAbgas und der gemessenen Luftzahl λ aus dieser Tabelle entnommen. Die spezifische Wärmekapazität cp,mix des Mischstroms aus Verbrennungsluft und Abgas setzt sich zusammen aus der cp,Luft und der mit der Abgasrückführrate ARR gewichteten cp,Abgas. Deren Bestimmung benötigt somit die zuvor gemessenen ARR, so dass cp,mix nur iterativ bestimmt werden kann.
  • Zur Gewinnung des Istwerts des Verbrennungsluftmassenstroms wird die über das Saugrohr 15 angesaugte Verbrennungsluft mittels eines im Ansaugtrakt 11 angeordneten Luftmassenmessers 25 gemessen. Ein solcher als Heißfilm-Luftmassenmesser bekannter Luftmassenmesser ist beispielhaft in dem eingangs zitierten, bekannten Dokument auf Seite 424 und 425 beschrieben. Der gemessene Verbrennungsluftmassenstrom ṁLuft wird dem Motorsteuergerät 24 zugeführt, und im Motorsteuergerät 24 wird aus der berechneten Abgasrate ARR und dem Verbrennungsluftmassenstrom ṁLuft der Abgasmassenstrom ṁAbgas gemäß
    Figure 00070001
    bestimmt. Entsprechend der Regelabweichung dieses Istwerts des Abgasmassenstroms ṁAbgas vom Sollwert des Abgasmassenstroms wird eine Stellgröße an den Aktor 23 des Abgasrückführventils 22 gelegt. Zur exakten Temperaturmessung wird dafür Sorge getragen, dass die Mischung der Verbrennungsluft und der rückgeführten Abgasmasse adiabatisch und weitgehend strähnenfrei erfolgt. Hierzu wird in der Mischstrecke ein Turbulenzgenerator 26 angeordnet, der für eine recht gute Verwirbelung der dem Verbrennungsluftstrom beigemischten Abgasmenge sorgt. Um im Mischbereich den gasförmigen Medien weder Wärme zuzuführen, noch entnehmen, also eine weitgehend adiabatische Mischung der Medien sicherzustellen, wird die Mischstrecke vorzugsweise als Kunststoffrohr ausgeführt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - „Dieselmotor-Management", Robert Bosch GmbH, 4. Auflage, Oktober 2004, Seite 330 bis 425, Fried. Vieweg und Sohn Verlag, Wiesbaden [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer in einer Abgasrückführvorrichtung (20) einer Brennkraftmaschine (10) pro Zeiteinheit rückgeführten Abgasmasse, die mittels eines Abgasrückführventils (22) vom Abgas der Brennkraftmaschine (10) abgezweigt und der über einen Ansaugtrakt (11) der Brennkraftmaschine (10) angesaugten Verbrennungsluft beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Ventildurchgang hervorgerufene Änderung des thermodynamischen Zustands der abgezweigten Abgasmasse erfasst und daraus der Abgasmassestrom (ṁAbgas) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der am Ein- und Ausgang des Abgasrückführventils (22) herrschende Druck (p1, p2) gemessen und die Messwerte zur Berechnung des Abgasmassenstroms (ṁAbgas) herangezogen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungshub (s) des Abgasrückführventils (22) gemessen und damit aus der Ventilgeometrie der momentane Öffnungsquerschnitt (A) des Abgasrückführventils (22) bestimmt wird und dass der momentane Öffnungsquerschnitt (A) des Abgasrückführventils (22) in die Berechnung des Abgasmassenstroms (ṁAbgas) mit einbezogen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Abgasmassenstroms ṁAbgas gemäß
    Figure 00080001
    durchgeführt wird, wobei der Durchflussbeiwert μ durch Vermessen des Abgasrückführventils (22) bestimmt und abgespeichert worden ist, der durch Vermessen des Abgasrückführventils (22) bestimmte und abhängig vom Öffnungshub des Abgasrückführventils (22) tabellarisch abgespeicherte Öffnungsquerschnitt A anhand des gemessenen Öffnungshubs (s) des Abgasrückführventils (22) der Tabelle entnommen wird, der Isentropenkoeffizient κAbgas mittels Luftzahl λ und Temperatur des Abgases aus einer abgespeicherten Tabelle ausgelesen wird und die Dichte ρ1 des Abgases aus Temperatur und Druck des Abgases berechnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TAbgas) des Abgases am Eingang des Abgasrückführventils (22), die Temperatur (TLuft) der Verbrennungsluft vor der Mischstelle und die Temperatur (Tmix) der Mischluft aus Abgas und Verbrennungsluft nach der Mischstelle gemessen und daraus eine Abgasrate (ARR) als Verhältnis des Abgasmassenstroms (ṁAbgas) zur Summe aus Abgasmassenstrom (ṁAbgas) und Verbrennungsluftmassenstrom (ṁLuft) berechnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Abgasrückführrate ARR gemäß
    Figure 00090001
    durchgeführt wird, wobei die spezifische Wärmekapazität cp,Luft der Verbrennungsluft anhand der gemessenen Temperatur TLuft der Verbrennungsluft und die spezifische Wärmekapazität Cp,Abgas des Abgases anhand der gemessenen Temperatur TAbgas des Abgases und der Luftzahl λ jeweils einer Tabelle entnommen werden und die spezifische Wärmekapazität cp,mix der Luft/Abgas-Mischung iterativ aus der cp,Luft und der mit der Abgasrückführrate ARR gewichteten cp,Abgas bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsluftmassenstrom ṁLuft gemessen und mit diesem aus der Abgasrückführrate ARR der Abgasmassenstrom ṁAbgas gemäß
    Figure 00090002
    bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Temperatur (Tmix) an der Mischstelle hinter einem vom Mischgas durchströmten Turbulenzgenerator (26) vorgenommen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung von Verbrennungsluft und Abgas adiabatisch vorgenommen und die Temperaturmessstellen räumlich dicht beieinander angeordnet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsluftmassenstrom (ṁLuft) mittels eines Luftmassenmessers (25) gemessen wird.
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