DE102007021414B4 - Verfahren zur Einstellung der Füllung einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Einstellung der Füllung (ṁZYL) einer Verbrennungskraftmaschine (A), wobei die Füllung (ṁZYL) der Verbrennungskraftmaschine (A) der Summe des Anteils an Frischluft (ṁLUFT) und des Anteils an Abgas (ṁAGR) entspricht, die der Verbrennungskraftmaschine (A) zufließt, wobei die Verbrennungskraftmaschine (A) eine Einlassleitung (B), eine Auslassleitung (E) und eine Abgasrückführleitung (G) umfasst, wobei die Einstellung des Anteils an Frischluft (ṁLUFT) und des Anteils an Abgas (ṁAGR) in Abhängigkeit des Signals (p21) eines Drucksensors (I) erfolgt, der stromaufwärts einer Drosselklappe (D) in der Einlassleitung (B) der Verbrennungskraftmaschine (A) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (A) eine Gegenüberstellung eines aktuell bestimmten effektiven Strömungsquerschnittes (AEFF,AGR) eines Ventils (H), welches in der Abgasrückführleitung (G) angebracht ist, mit dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR,MAX) des Ventils (H) erfolgt, wobei für den Fall, dass der aktuell bestimmte effektive Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR) des Ventils (H) kleiner oder gleich dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR,MAX) des Ventils...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Füllung einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen ist eine möglichst präzise Einstellung der Füllung einer Verbrennungskraftmaschine erforderlich. Die Füllung einer Verbrennungskraftmaschine entspricht dabei der Summe des Anteils an Frischluft und des Anteils an Abgas, die dem mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zufließt.
  • Gemäß dem Artikel „Physikalisch basierte Regelung am Beispiel des Luftpfades", erschienen in dem Tagungsband des 4. Symposiums Steuerungssysteme für den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen 2003, Berlin S. 153–169, ist der Aufbau des Ladungswechselsystems einer Verbrennungskraftmaschine mit einer so genannten Abgasrückführung dargestellt. Dieses Ladungswechselsystem umfasst eine Einlassleitung, in welcher der Verdichter eines Abgasturboladers, ein Ladeluftkühler sowie eine Drosselklappe angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Ladungswechselsystem eine Auslassleitung, in welcher die Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist. Außerdem ist eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen, welche die Einlass- und Auslassleitung derart miteinander verbindet, dass Abgas von der Auslass- in die Einlassleitung geleitet werden kann. In der Abgasrückführleitung ist ein Ventil angeordnet, so dass eine Einstellung des Anteils an überströmendem Abgas möglich ist. Außerdem kann mittels der genannten Drosselklappe das Druckgefälle zwischen der Ein- und Auslassleitung und somit der Anteil an überströmendem Abgas beeinflusst werden. Weiterhin ist ein Drucksensor in der Einlassleitung stromauf- oder abwärts der Drosselklappe angeordnet, welcher zur Erfassung des Druckes in der Einlassleitung genutzt wird.
  • Jedoch ist der Einsatz eines Drucksensors stromabwärts der Drosselklappe, zum Zweck der Einstellung des Anteils an Frischluft und des Anteils an Abgas problematisch, da der Drucksensor Kontakt mit dem rückgeführten Abgas und Kondensat ha ben kann sowie hohen Temperaturgradienten ausgesetzt ist. Eine Drift des Drucksensorsignals über die Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine ist daher nicht ausgeschlossen. Aufgrund der Bedeutung des Drucksensors hinsichtlich des Schadstoffausstoßes der Verbrennungskraftmaschine ist außerdem, bedingt durch die gesetzlichen Vorgaben zur On-Board-Diagnose, ein zusätzliches, komplexes Überwachungskonzept erforderlich.
  • Außerdem ist es von Nachteil, dass durch den Einsatz der Drosselklappe ein Wirkungsgradverlust der Verbrennungskraftmaschine auftritt. Das zumindest teilweise Schließen der Drosselklappe hat stromabwärts der Drosselklappe einen Druckabfall zur Folge, der die für den Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine erforderliche Arbeit erhöht. Infolgedessen wird der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine durch den Einsatz der Drosselklappe ungünstig beeinflusst. Zur Einstellung der Drosselklappe in Bezug auf einen hohen Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine ist daher die möglichst genaue Kenntnis des Druckes stromabwärts der Drosselklappe erforderlich.
  • Zusammengefasst sind für einen optimalen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine möglichst viele Informationen über physikalische Zustandsgrößen, wie Druck und Temperatur von Vorteil. Jedoch bedingt die Verfügbarkeit dieser Informationen allgemein eine große Anzahl von Sensoren, mit den oben beschriebenen Nachteilen.
  • Ausserdem ist aus der EP1686254A2 ein Steuerungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine vorbekannt, die einen Abgasturbolader und eine Drosselklappe umfasst. Der Abgasturbolader weist einen elektrischen Generator auf, welcher der Umwandlung der im Abgas enthaltenen Energie in elektrische Energie dient. Die Drosselklappe ist dazu vorgesehen, die Füllung der Verbrennungskraftmaschine einzustellen. Ferner ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Betriebsbedingungen zumindest des elektrischen Generators sowie eine Vorrichtung zur Korrektur des Öffnungsgrades der Drosselklappe vorgesehen. Somit kann der Öffnungsgrad der Drosselklappe in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des elektrischen Generators korrigiert werden.
  • Aufgabe
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Einstellung der Füllung einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, das einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erlaubt, wobei die Anzahl und die Beanspruchung der eingesetzten Sensoren minimal ist.
  • Lösung
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Einstellung des Anteils an Frischluft und des Anteils an Abgas, die in Summe einer Verbrennungskraftmaschine zufließen, in Abhängigkeit des Signals eines Drucksensors, der stromaufwärts der Drosselklappe in der Einlassleitung angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß wird in einem ersten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine, bei dem die Drosselklappe vollständig geöffnet ist, die Tatsache genutzt, dass der Druck in der Einlassleitung stromaufwärts der Drosselklappe dem Druck stromabwärts der Drosselklappe entspricht. Daher erfolgt die Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts des Ventils, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist, in Abhängigkeit des Signals des Drucksensors, der stromaufwärts der Drosselklappe angeordnet ist. Zu diesem Zweck fließt der Wert des Signals dieses Drucksensors in eine Gleichung ein, die das Durchflussverhalten des Ventils beschreibt, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist. Diese Gleichung berücksichtigt ebenfalls den jeweils erforderlichen Anteil an Abgas, welcher der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden soll, den Druck und die Temperatur des Abgases in der Auslassleitung, die spezifische Gaskonstante sowie den Isentropenexponenten des Abgases.
  • Auf diese Weise wird in diesem ersten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine erfindungsgemäß der Vorteil erreicht, dass zur Einstellung der Füllung der Verbrennungskraftmaschine lediglich ein Drucksensor erforderlich ist, der keinem Kontakt mit dem rückgeführten Abgas, Kondensat und hohen Temperaturgradienten ausgesetzt ist und somit wenig beansprucht wird. Da in diesem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine die Drosselklappe vollständig geöffnet ist, wird der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine nicht ungünstig beeinflusst.
  • Ein weiterer Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine ist dadurch charakterisiert, dass ein höherer Anteil an Abgas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden soll, als bedingt durch das Druckgefälle zwischen der Ein- und Auslassleitung möglich ist, wobei das Ventil, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist, vollständig geöffnet ist. In diesem Betriebsbereich ist die Drosselklappe nicht vollständig geöffnet, um das Druckgefälle zwischen der Ein- und Auslassleitung derart zu beeinflussen, dass ein höherer Anteil an Abgas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden kann, als in diesem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine mit vollständig geöffneter Drosselklappe möglich ist. Bei nicht vollständig geöffneter Drosselklappe unterscheidet sich der Druck in der Einlassleitung stromaufwärts der Drosselklappe von dem Druck stromabwärts der Drosselklappe. Daher erfolgt erfindungsgemäß zunächst eine Vorhersage des Druckes stromabwärts der Drosselklappe. Anschließend erfolgt erfindungsgemäß auf Grundlage des vorhergesagten Druckwertes stromabwärts der Drosselklappe und des Signals des Drucksensors, der stromaufwärts der Drosselklappe angeordnet ist, die Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts der Drosselklappe, welcher erforderlich ist, um den jeweils gewünschten Anteil an Abgas einzustellen, welcher der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden soll.
  • Die Vorhersage des Druckes stromabwärts der Drosselklappe erfolgt erfindungsgemäß unter Berücksichtigung des jeweils erforderlichen Anteils an Abgas und des jeweils erforderlichen Anteils an Frischluft, welche der Verbrennungskraftmaschine in Summe zugeführt werden sollen, dem Druck und der Temperatur des Abgases in der Auslassleitung, der spezifischen Gaskonstante sowie dem Isentropenexponenten des Abgases, der Temperatur in der Einlassleitung stromabwärts der Drosselklappe, dem Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine, der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, einem Faktor, der den volumetrischen Wirkungsgrad des Ladungswechsels der Verbrennungskraftmaschine beschreibt sowie des maximalen effektiven Strömungsquerschnitts des Ventils, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist.
  • Die Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts der Drosselklappe erfolgt nunmehr erfindungsgemäß auf Grundlage des vorhergesagten Druckwertes stromabwärts der Drosselklappe und des Signals des Drucksensors, der stromaufwärts der Drosselklappe angeordnet ist sowie des jeweils erforderlichen Anteils an Frischluft, welcher der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden soll, der spezifischen Gaskonstante sowie des Isentropenexponentens der Frischluft und der Temperatur in der Einlassleitung stromaufwärts der Drosselklappe.
  • Auf diese Weise wird in diesem weiteren Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine erfindungsgemäß der Vorteil erreicht, dass zur Einstellung der Füllung der Verbrennungskraftmaschine lediglich ein Drucksensor erforderlich ist, der keinem Kontakt mit dem rückgeführten Abgas, Kondensat und hohen Temperaturgradienten ausgesetzt ist und somit wenig beansprucht wird. Durch die erfindungsgemäße Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnittes der Drosselklappe ist es vorteilhaft möglich, die Drosselklappe gezielt nur soweit zu schließen, wie es zur Einstellung des erforderlichen Anteils an Frischluft und Abgas nötig ist. Mit anderen Worten wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr genaue Steuerung der Drosselklappe erreicht, ohne dass es erforderlich ist, den Druck in der Einlassleitung stromabwärts messtechnisch zu erfassen und in Kauf zu nehmen, dass während der Einstellung der Position der Drosselklappe, beispielsweise mittels einer Regelung, die auf den messtechnisch erfassten Druck in der Einlassleitung aufbaut, die Drosselklappe zumindest zeitweise mehr als erforderlich geschlossen wird, was den Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine ungünstig beeinflusst.
  • Darüber hinaus ist es in dem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine, bei dem die Drosselklappe nicht vollständig geöffnet ist, erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, augenblickliche Änderungen in den Druckverhältnissen zu berücksichtigen, ohne dass sich Fehler in der Steuerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Drosselklappe und des Ventils, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist, ergeben. Mit anderen Worten werden dadurch, dass eine Vorhersage des Druckes stromabwärts der Drosselklappe erfolgt und der vorhergesagte Druckwert in die Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts der Drosselklappe und des Ventils, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist, einfließt, auch bei einer augenblicklichen Veränderung der Öffnung der Drosselklappe stets die korrekten zugehörigen effektiven Strömungsquerschnitte der Drosselklappe und des Ventils, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist, berechnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eine Gegenüberstellung des aktuell bestimmten effektiven Strömungsquerschnittes des Ventils, welches in der Abgasrückführleitung angebracht ist, mit dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt dieses Ventils durchzuführen. Auf diese Weise erfolgt für den Fall, dass der aktuell bestimmte effektive Strömungsquerschnitt kleiner oder gleich dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt dieses Ventils ist, unmittelbar eine Einstellung des effektiven Strömungsquerschnittes des Ventils, welches in der Abgasrückführleitung angebracht ist, wobei die Drosselklappe vollständig geöffnet ist. Weiterhin erfolgt für den Fall, dass der aktuell bestimmte effektive Strömungsquerschnitt des Ventils, welches in der Abgasrückführleitung angebracht ist, größer als der maximal mögliche effektive Strömungsquerschnitt dieses Ventils ist, zunächst eine Vorhersage des Druckes stromabwärts der Drosselklappe sowie anschließend auf Grundlage des vorhergesagten Druckwertes stromabwärts der Drosselklappe und des Signals des Drucksensors, der stromaufwärts der Drosselklappe angeordnet ist, die Bestimmung und Einstellung des effektiven Strömungsquerschnitts der Drosselklappe.
  • Durch dieses Vorgehen wird erfindungsgemäß jederzeit der Druck in der Einlassleitung stromabwärts der Drosselklappe maximiert, wobei der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine durch den Einsatz der Drosselklappe so wenig wie möglich ungünstig beeinflusst wird. Außerdem ist der eingesetzte Drucksensor keinem Kontakt mit dem rückgeführten Abgas ausgesetzt und wird daher wenig beansprucht.
  • Ausführungsbeispiel
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Hierbei zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung des Aufbaus des Ladungswechselsystems einer typischen Verbrennungskraftmaschine,
  • 2: das Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Wie in 1 dargestellt, umfasst das Ladungswechselsystem einer typischen Verbrennungskraftmaschine A, welche bevorzugt eine Dieselbrennkraftmaschine ist, eine Einlassleitung B, in welcher der Verdichter C eines Abgasturboladers sowie eine Drosselklappe D angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Ladungswechselsystem eine Auslassleitung E, in welcher die Turbine F des Abgasturboladers angeordnet ist. Außerdem ist eine Abgasrückführleitung G vorgesehen, welche die Einlassleitung B und die Auslassleitung E derart miteinander verbindet, dass Abgas von der Auslassleitung E in die Einlassleitung B geleitet werden kann. In der Abgasrückführleitung G ist ein Ventil H angeordnet, so dass eine Einstellung des Anteils an überströmendem Abgas ṁAGR möglich ist. Außerdem kann mittels der genannten Drosselklappe D das Druckgefälle zwischen der Einlassleitung B und der Auslassleitung E und somit der Anteil an überströmendem Abgas ṁAGR beeinflusst werden. Weiterhin ist ein Drucksensor I in der Einlassleitung B stromaufwärts der Drosselklappe D angeordnet, welcher zur Erfassung des Druckes in der Einlassleitung B genutzt wird.
  • Wie aus 1 weiterhin zu entnehmen ist, entspricht die Füllung ṁZYL der Verbrennungskraftmaschine A gemäß Gleichung (1) ṁZYL = ṁAGR + ṁLUFT,SOLL (1)der Summe des Anteils an Frischluft ṁLUFT,SOLL und des Anteils an Abgas ṁAGR, die dem mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine 1 zufließt.
  • Gemäß 2 wird erfindungsgemäß während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine A zunächst angenommen, dass die Drosselklappe D zur Beeinflussung des Druckgefälles zwischen der Auslassleitung E und der Einlassleitung B nicht eingesetzt werden muss und vollständig geöffnet ist. Demgemäss wird in einem er sten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens der effektive Strömungsquerschnitt AEFF,DROSSEL der Drosselklappe D dem maximalen effektiven Strömungsquerschnitt AEFF,DROSSEL,MAX der Drosselklappe D gleichgesetzt. Da bei vollständig geöffneter Drosselklappe D der Druck p21 der Einlassleitung B stromaufwärts der Drosselklappe D dem Druck p22 der Drosselklappe D entspricht, erfolgt die Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,AGR des Ventils H, das in der Abgasrückführleitung G angeordnet ist, in Abhängigkeit des Signals des Drucksensors I, der stromaufwärts der Drosselklappe D angeordnet ist. Zu diesem Zweck fließt der Wert p21 = p22 des Signals dieses Drucksensors I in eine Gleichung (2) ein, die das Durchflussverhalten des Ventils H beschreibt, das in der Abgasrückführleitung G angeordnet ist.
    Figure 00080001
  • Diese Gleichung berücksichtigt ebenfalls den jeweils erforderlichen Anteil an Abgas ṁAGR,SOLL, welcher der Verbrennungskraftmaschine A zugeführt werden soll, den Druck p3 und die Temperatur T3 des Abgases in der Auslassleitung E, die spezifische Gaskonstante R sowie den Isentropenexponenten κ des Abgases. Die spezifische Gaskonstante R und der Isentropenexponent κ des Abgases kann gängigen Tabellenwerken entnommen werden, die Temperatur T3 sowie der Druck p3 des Abgases werden bevorzugt durch ein geeignetes Modell bereitgestellt.
  • Wie in 2 dargestellt, erfolgt die Bestimmung und Einstellung des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,AGR des Ventils H gemäß Gleichung (2) nur bis die Bedingung nicht mehr erfüllt ist, dass der auf diese Weise bestimmte effektive Strömungsquerschnitt AEFF,AGR des Ventils H kleiner oder gleich dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt AEFF,AGR,MAX des Ventils H ist. Mit anderen Worten wird, wenn die vorgenannte Bedingung erfüllt ist, der mittels Gleichung (2) bestimmte effektive Strömungsquerschnitt AEFF,AGR des Ventils H an die Motorsteuerung zur Einstellung des Ventils H übergeben.
  • Bevorzugt ist in der Motorsteuerung der Zusammenhang zwischen dem effektiven Strömungsquerschnitt AEFF,AGR des Ventils H, einer Ansteuergröße des Ventils H, beispielsweise dem Tastverhältnis einer Ansteuerung des Ventils H mittels eines pulsweitenmodulierten Signals einer Ansteuerschaltung und dem Anteil an Abgas ṁAGR abgelegt, so dass die tatsächlichen physikalischen Verhältnisse an dem Ventil H möglichst realitätsnah abgebildet werden.
  • Ist jedoch die Bedingung gemäß 2 nicht mehr erfüllt, dass der mittels Gleichung (2) bestimmte effektive Strömungsquerschnitt AEFF,AGR des Ventils H kleiner oder gleich dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt AEFF,AGR,MAX des Ventils H ist, erfolgt ein Gleichsetzen des mittels Gleichung (2) bestimmten effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,AGR des Ventils H mit dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt AEFF,AGR,MAX des Ventils H. Praktisch bedeutet das Nichterfüllen der vorgenannten Bedingung, dass kein ausreichendes Druckgefälle zwischen der Auslassleitung E und der Einlassleitung B vorhanden ist, um bei vollständig geöffnetem Ventil H den Anteil an Abgas ṁAGR weiter zu erhöhen. Infolgedessen ist es in einem solchen Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine A erforderlich, mittels der Drosselklappe D den Druck p22 stromabwärts der Drosselklappe D derart zu beeinflussen, dass der Anteil an Abgas ṁAGR weiter erhöht werden kann. Da sich bei nicht vollständig geöffneter Drosselklappe D der Druck p21 in der Einlassleitung B stromaufwärts der Drosselklappe D von dem Druck p22 stromabwärts der Drosselklappe D unterscheidet, erfolgt zunächst eine Vorhersage des Druckes p22,PRÄ stromabwärts der Drosselklappe D auf Grundlage der folgenden dargestellten Überlegungen.
  • Auf Grundlage von Gleichung (3)
    Figure 00100001
    lässt sich herleiten, dass
    Figure 00100002
    ist, wobei für die zu Grunde liegende Verbrennungskraftmaschine A weiterhin gilt, dass
    Figure 00100003
    ist und das Hubvolumen VHUB der Verbrennungskraftmaschine A, die Drehzahl nENG der Verbrennungskraftmaschine A bekannt sind und der Faktor kLA, der den volumetrischen Wirkungsgrad des Ladungswechsels der Verbrennungskraftmaschine A beschreibt, mittels eines Versuchs an einem geeigneten Prüfstand messtechnisch ermittelt wird. Die Temperatur T22 in der Einlassleitung B stromabwärts der Drosselklappe D kann ebenfalls messtechnisch erfasst oder modelliert werden. Die spezifische Gaskonstante R der Frischluft oder eines Gemisches aus Frischluft und Abgas kann gängigen Tabellenwerken entnommen werden.
  • Weiterhin ist es aus Gleichung (1) ṁZYL = ṁAGR + ṁLUFT,SOLL (1) bekannt, dass die Füllung ṁZYL der Verbrennungskraftmaschine A der Summe des Anteils an Frischluft ṁLUFT,SOLL und des Anteils an Abgas ṁAGR entspricht, die dem mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine A zufließt.
  • Die Gleichungen (1), (3), (4) und (5) stellen ein nichtlineares Gleichungssystem dar, welches sich durch Einsetzen auf eine einzelne quadratische Gleichung reduzieren lässt, wie im Folgenden ausgeführt ist.
  • Durch Gleichsetzen des mittels Gleichung (2) bestimmten effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,AGR des Ventils H mit dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt AEFF,AGR,MAX des Ventils H ist zunächst AEFF,AGR aus Gleichung (4) bekannt.
  • Weiterhin erfolgt ein Einsetzen der Gleichung (1) in Gleichung (5)
    Figure 00110001
    sowie ein Einsetzen der Gleichung (4) in Gleichung (6), so dass eine nichtlineare Gleichung gebildet wird. Durch Quadrieren dieser Gleichung kann diese nach dem vorherzusagenden Druck p22.PRÄ stromabwärts der Drosselklappe D aufgelöst werden. Die weitere Lösung dieser nunmehr quadratischen Gleichung erfolgt, wie allgemein bekannt, mittels der so genannten „p-q-Formel". Wobei auf Grundlage der folgenden Gleichungen (7)–(11) der vorherzusagende Druck p22.PRÄ stromabwärts der Drosselklappe D berechnet werden kann.
  • Ausgehend von
    Figure 00110002
    mit
    Figure 00120001
    kann p22,PRÄ berechnet werden. Da p22,PRÄ, nunmehr bekannt ist, kann erfindungsgemäß auf Grundlage von p22,RRÄ und dem Wert p21 des Signals des Drucksensors I die Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,DROSSEL der Drosselklappe D erfolgen, welcher erforderlich ist, um den jeweils gewünschten Anteil an Abgas ṁAGR,SOLL einzustellen, welcher der Verbrennungskraftmaschine A zugeführt werden soll.
    Figure 00130001
  • Die Temperatur T21 in der Einlassleitung B stromaufwärts der Drosselklappe D kann messtechnisch erfasst oder modelliert werden. Die spezifische Gaskonstante R und der Isentropenexponent κ der Frischluft können gängigen Tabellenwerken entnommen werden.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ebenfalls möglich, in Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine A, bei denen kein Anteil an Abgas ṁAGR der Verbrennungskraftmaschine A zufließen soll, etwa bei der Regeneration eines in der Auslassleitung E angeordneten Dieselpartikelfilters, die Füllung der Verbrennungskraftmaschine A einzustellen. Die Füllung der Verbrennungskraftmaschine A beschränkt sich in diesem Betriebsbereich auf den Anteil an Frischluft ṁLUFT,SOLL, welcher dem mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine A zufließt. Mit anderen Worten wird in diesem Betriebsbereich der Anteil an Abgas ṁAGR durch vollständiges Schließen des Ventils H auf einen Wert von Null eingestellt. Dem Anteil an Frischluft ṁLUFT,SOLL, welcher dem mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine A zufließt, ist folglich ein entsprechender Wert p22,SOLL des Druckes in der Einlassleitung B stromabwärts der Drosselklappe D zuzuordnen. So kann gemäß Gleichung (13) ein zu dem Anteil an Frischluft ṁLUFT,SOLL zugehöriger Wert p22,SOLL des Druckes in der Einlassleitung B stromabwärts der Drosselklappe D berechnet werden.
    Figure 00130002
  • Mit dem Wert p22,SOLL des Druckes in der Einlassleitung B stromabwärts der Drosselklappe D ist es nun möglich, mittels Gleichung (14) den effektiven Strömungsquerschnitt AEFF,DROSSEL der Drosselklappe D zu ermitteln und einzustellen, wobei der Wert p21 Signals des Drucksensors I in die Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,DROSSEL der Drosselklappe D einfließt.
    Figure 00140001
  • Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass in Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine A, in denen kein Anteil an Abgas ṁAGR vorgesehen ist, eine Einstellung der Füllung der Verbrennungskraftmaschine A lediglich in Abhängigkeit des Signals eines Drucksensors I erfolgt, der stromaufwärts der Drosselklappe D in der Einlassleitung B angeordnet ist.
  • Den oben beschriebenen Vorsteuerungen des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,DROSSEL der Drosselklappe D und AEFF,AGR des Ventils H kann jeweils eine Regelung überlagert werden, welche vorhandene geringe Modellungenauigkeiten ausgleicht.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich weiterhin der vorteilhafte Effekt, dass sich bei einer zu Gleichung (5) alternativen Modellierung der Füllung einer Verbrennungskraftmaschine A, durch die Bestimmung der Summe des Anteils an Frischluft ṁLUFT und des Anteils an Abgas ṁAGR, die der Verbrennungskraftmaschine A zufließen, mögliche Fehler bei einer messtechnischen Erfassung oder Modellierung der Temperatur T3 und des Druckes p3 des Abgases herausheben, wie die folgenden Überlegungen zeigen.
  • Gemäß Gleichung (1a) entspricht die Füllung ṁZYL,MODELL der Verbrennungskraftmaschine A der Summe des Anteils an Frischluft ṁLUFT,IST und des Anteils an Abgas ṁAGR,MODELL, die dem mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine A zufließt: ṁZYL,MODELL = ṁAGR,MODELL + ṁLUFT,IST (1a)wobei fehlerbehaftete Werte der Temperatur T3 und des Druckes p3 des Abgases einen Fehler bei der Bestimmung des jeweils erforderlichen Anteils an Abgas ṁAGR,MODELL bedingen, der sich entsprechend fortsetzt: ṁAGR,IST = ṁAGR,MODELL + ΔṁFEHLER (1b) ṁZYL,IST = ṁZYL,MODELL + ΔṁFEHLER (1c)
  • Da zur Bestimmung des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,AGR des Ventils H die invertierte Beziehung des jeweils erforderlichen Anteil an Abgas ṁAGR,SOLL verwendet wird, gehen die oben genannten Fehler in gleicher Weise in diese Berechnung mit ein, wobei für die Bestimmung des Sollwertes für den Anteil an Abgas ṁAGR,SOLL die Beziehung ṁAGR,SOLL = ṁZYL,MODELL – ṁLUFT,SOLL (1d)verwendet wird.
  • Auf Grundlage der vorangegangenen Überlegungen erhält man: ṁLUFT,IST = ṁZYL,IST – ṁAGR,IST (1e) ṁLUFT,IST = ṁZYL,MODELL – ΔṁFEHLER – ṁAGR,MODELL + ΔṁFEHLER (1f) ṁLUFT,IST = ṁZYL,MODELL – ṁAGR,MODELL (1g) ṁLUFT,IST = ṁLUFT,SOLL + ṁAGR,SOLL – ṁAGR,MODELL (1h) ṁLUFT,IST = ṁLUFT,SOLL (1i)
  • Der gewünschte Anteil an Frischluft ṁLUFT,SOLL kann folglich stets eingestellt werden.
  • Durch Einsetzen erhält man folgende Steuer-/Regelgleichung zur Bestimmung des erforderlichen effektiven Strömungsquerschnitts des Ventils H
    Figure 00160001
    in die ein ungenauer Wert der Temperatur T3 und des Druckes p3 des Abgases eingeht. Der Nennerterm kann über eine Zielfunktion optimiert werden, wodurch unerwünscht große oder kleine Rückführverstärkungen vermieden werden.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher auf vorteilhafte Weise möglich, die Füllung einer Verbrennungskraftmaschine A auch dann präzise einzustellen, wenn ein hinsichtlich der Füllung relevantes Bauteil der Verbrennungskraftmaschine A verändert wird, etwa im Rahmen der Weiterentwicklung der Verbrennungskraftmaschine A, da die Bestimmung und Einstellung des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,AGR des Ventils H sowie des effektiven Strömungsquerschnitts AEFF,DROSSEL der Drosselklappe D in Abhängigkeit des Signals eines Drucksensors I erfolgt, der stromaufwärts der Drosselklappe D in der Einlassleitung B angeordnet ist. Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil, dass nach einmaligem Auslegen einer Zielfunktion zur Optimierung des Nennerterms der Gleichung (1j) hinsichtlich mathematischen Stabilitätskriterien eine Steuer-/Regelgleichung bereitsteht, die gleichermaßen für alle Verbrennungskraftmaschinen A gilt, die einen Aufbau ge mäß 1 aufweisen. Diese Steuer-/Regelgleichung ist nun erfindungsgemäß vorteilhaft für einen mit der Entwicklung und Optimierung einer Verbrennungskraftmaschine A betrauten Fachmann beliebig einsetzbar. Mit anderen Worten ist die Steuer-/Regelgleichung auch bei einer umfassenden Überarbeitung einer Verbrennungskraftmaschine A einsetzbar, ohne Einbußen in der Stabilitäts- und Regelgüte hinnehmen zu müssen, da die Zielfunktion die Gradienten des Ventils H und die Regelabweichung bewertet, also keine von der jeweils zu Grunde liegenden Verbrennungskraftmaschine A abhängigen Parameter.
    • A
    Verbrennungskraftmaschine
    B
    Einlassleitung
    C
    Verdichter
    D
    Drosselklappe
    E
    Auslassleitung
    F
    Turbine
    G
    Abgasrückführleitung
    H
    Ventil
    I
    Drucksensor
    AEFF,AGR
    effektiver Strömungsquerschnitt des Ventils H
    AEFF,AGR,MAX
    maximaler möglicher Strömungsquerschnitt des Ventils H
    AEFF,AGR,SOLL
    erforderlicher effektiver Strömungsquerschnitt des Ventils H
    AEFF,AGR,IST
    tatsächlicher effektiver Strömungsquerschnitt des Ventils H
    AEFF,DROSSEL
    effektiver Strömungsquerschnitt der Drosselklappe D
    AEFF,DROSSEL,MAX
    maximaler effektiver Strömungsquerschnitt der Drosselklappe D
    ΔṁFEHLER
    Fehleranteil
    kLA
    Faktor, der den volumetrischen Wirkungsgrad des Ladungswechsels der Verbrennungskraftmaschine A beschreibt
    κ
    Isentropenexponent
    ṁAGR
    Anteil an Abgas
    ṁAGR,IST
    tatsächlicher Anteil an Abgas
    ṁAGR,MODELL
    Anteil an Abgas, modelliert
    ṁAGR,SOLL
    erforderlicher Anteil an Abgas
    ṁZYL
    Füllung
    ṁZYL,MODELL
    Füllung, modelliert
    ṁZYL,IST
    tatsächliche Füllung
    ṁLUFT,SOLL
    erforderlicher Anteil an Frischluft
    ṁLUFT,IST
    tatsächlicher Anteil an Frischluft
    nENG
    Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine A
    p21
    Druck stromaufwärts der Drosselklappe D
    p22
    Druck stromabwärts der Drosselklappe D
    p22,PRÄ
    vorhergesagter Druck stromabwärts der Drosselklappe D
    p22,SOLL
    erforderlicher Druck stromabwärts der Drosselklappe D
    p3
    Druck des Abgases
    R
    spezifische Gaskonstante
    T21
    Temperatur stromaufwärts der Drosselklappe D
    T22
    Temperatur stromabwärts der Drosselklappe D
    T3
    Temperatur des Abgases
    VHUB
    Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine A

Claims (5)

  1. Verfahren zur Einstellung der Füllung (ṁZYL) einer Verbrennungskraftmaschine (A), wobei die Füllung (ṁZYL) der Verbrennungskraftmaschine (A) der Summe des Anteils an Frischluft (ṁLUFT) und des Anteils an Abgas (ṁAGR) entspricht, die der Verbrennungskraftmaschine (A) zufließt, wobei die Verbrennungskraftmaschine (A) eine Einlassleitung (B), eine Auslassleitung (E) und eine Abgasrückführleitung (G) umfasst, wobei die Einstellung des Anteils an Frischluft (ṁLUFT) und des Anteils an Abgas (ṁAGR) in Abhängigkeit des Signals (p21) eines Drucksensors (I) erfolgt, der stromaufwärts einer Drosselklappe (D) in der Einlassleitung (B) der Verbrennungskraftmaschine (A) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (A) eine Gegenüberstellung eines aktuell bestimmten effektiven Strömungsquerschnittes (AEFF,AGR) eines Ventils (H), welches in der Abgasrückführleitung (G) angebracht ist, mit dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR,MAX) des Ventils (H) erfolgt, wobei für den Fall, dass der aktuell bestimmte effektive Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR) des Ventils (H) kleiner oder gleich dem maximal möglichen effektiven Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR,MAX) des Ventils (H) ist, eine Einstellung des effektiven Strömungsquerschnittes (AEFF,AGR) des Ventils (H) erfolgt, wobei die Drosselklappe (D) vollständig geöffnet ist und wobei für den Fall, dass der aktuell bestimmte effektive Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR) des Ventils (H) größer als der maximal mögliche effektive Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR,MAX) des Ventils (H) ist, zunächst eine Vorhersage des Druckes (p22,PRÄ) stromabwärts der Drosselklappe (D) erfolgt und anschließend auf Grundlage des vorhergesagten Druckwertes (p22,PRÄ) stromabwärts der Drosselklappe (D) und des Signals (p21) des Drucksensors (I) die Bestimmung und Einstellung des effektiven Strömungsquerschnitts (AEFF,DROSSEL) der Drosselklappe (D) erfolgt.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des effektiven Strömungsquerschnitts (AEFF,AGR) des Ventils (H) auf Grundlage eines Zusammenhanges zwischen dem effektiven Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR) des Ventils (H), einer Ansteuergröße des Ventils (H) und dem Anteil an Abgas (ṁAGR) erfolgt.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuergröße des Ventils (H) das Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten Signals einer Ansteuerschaltung ist.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erforderliche effektive Strömungsquerschnitt (AEFF,AGR) des Ventils (H) auf Grundlage der Gleichung
    Figure 00210001
    bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nennerterm der Gleichung
    Figure 00210002
    über eine Zielfunktion optimiert wird.
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