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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Abgasanteils von einem Verbrennungsmotor zugeführten Mischgas, bei dem die Lufttemperatur von zugeführter Luft, die Abgastemperatur und die Mischgastemperatur erfasst werden und auf der Grundlage eines die Lufttemperatur, die Abgastemperatur und die Mischgastemperatur verknüpfenden Zusammenhangs ein im Mischgasstrom enthaltener Abgasanteil bestimmt wird.
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Ein derartiges Verfahren ist aus der
DE 24 49 954 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden die Lufttemperatur von angesaugter Frischluft, die Abgastemperatur von rückgeführtem Abgas und die Mischgastemperatur erfasst. Da die Enthalpie des Mischgases gleich der Summe der Enthalpien der zugeführten Frischluft und des rückgeführten Abgases ist, kann anhand der gemessenen Temperaturen der Abgasanteil im Mischgas bestimmt werden. Dies setzt allerdings voraus, dass ein signifikanter Temperaturunterschied zwischen der Lufttemperatur und der Abgastemperatur besteht.
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Die
US 2006/0144374 A1 offenbart eine Abgasrückführkontrollvorrichtung in einem Dieselmotor zur Unterdrückung von NOx- und Rußbestandteilen im Abgas. Die Abgasrückführkontrollvorrichtung weist einen ersten Temperatursensor im oberen Bereich des Ansaugtraktes und einen zweiten Temperatursensor im unteren Bereich des Ansaugtraktes auf. Damit kann das Mischungsverhältnis von Frischluft und rückgeführtem Abgas anhand der Temperaturen von Frischluft, Abgas und Mischgas bestimmt werden.
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Auch die
US 6,742,335 B2 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführanteils anhand von Temperaturmessungen.
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Im Betrieb moderner Verbrennungsmotoren kann es vorkommen, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Lufttemperatur und der Abgastemperatur so klein wird, dass keine sichere Bestimmung des Abgasanteils mehr möglich ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur sicheren Bestimmung des Abgasanteils anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei dem Verfahren wird die Temperaturdifferenz zwischen der Abgastemperatur und der Lufttemperatur durch eine Temperaturstellvorrichtung oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes gehalten. Da in Motoren Vorrichtungen vorhanden sind, durch die sich die Temperatur der zugeführten Luft und des rückgeführten Abgases verändern lassen, können diese Vorrichtungen dazu verwendet werden, die Temperaturdifferenz zwischen Lufttemperatur und Abgastemperatur so einzustellen, dass diese oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes gehalten wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird insbesondere der Abgaskühler für das rückgeführte Abgas so eingestellt, dass die Temperatur des rückgeführten Abgases oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes für die Temperaturdifferenz zur Lufttemperatur liegt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Umgehungsleitung für den Abgaskühler geöffnet, um die Temperatur des zurückgeführten Abgases auf eine Temperatur oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes zu halten.
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Der Grenzwert selbst kann ebenfalls an die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors angepasst werden. Bei hohen Abgasrückführraten kann der vorbestimmte Grenzwert abgesenkt werden, da der größere Abgasmassenstrom zu einer größeren Erhöhung der Lufttemperatur führt, so dass sich größere Temperaturdifferenzen ergeben. Umgekehrt muss bei einer niedrigen Abgasrückführrate der Grenzwert erhöht werden, um die Messbarkeit der Abgasrückführrate gewährleisten zu können.
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Zur Bestimmung des Abgasanteils wird vorzugsweise ein Zusammenhang zwischen Lufttemperatur, Abgastemperatur und Mischgastemperatur verwendet, der auf dem Prinzip der Enthalpieerhaltung beim Mischvorgang beruht. Aus der Erhaltung der Enthalpie ergibt sich ein einfacher Zusammenhang zwischen Lufttemperatur, Abgastemperatur und Mischgastemperatur, der auf einfache Weise berechenbar ist.
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In diesen der Bestimmung des Abgasanteils zugrunde gelegten Zusammenhang geht auch die Wärmekapazität des Abgases und die Wärmekapazität der zugeführten Luft ein. Die Wärmekapazitäten hängen dabei wesentlich vom jeweiligen Wassergehalt ab. Insbesondere hängt die volumetrische Wärmekapazität des rückgeführten Abgases von dem verwendeten Brennstoff ab. So werden heutzutage neben herkömmlichen Kraftstoffen vermehrt auch alkoholische Brennstoffe (Methanol, Äthanol) eingesetzt. Für herkömmliches Benzin ROZ95 erhält man bei λ = 1 Abgas mit etwa 11 vol% H2O (sowie etwa 15 vol% CO2 und 74 vol% N2) und eine volumetrische Wärmekapazität von 1,20 Joule pro Kelvin und Liter. Für die Verbrennung von Methanol erhält man bei λ = 1 Abgas mit etwa 26 vol% H2O (sowie etwa 14 vol% CO2 und 60 vol% N2) und eine volumetrische Wärmekapazität von 1,25 Joule pro Kelvin und Liter. Aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts alkoholischer und nichtalkoholischer Brennstoffe ergeben sich unterschiedliche Wärmekapazitäten des Abgases. Der Unterschied zwischen den Wärmekapazitäten von etwa 4% geht als Fehler in die Bestimmung der Abgasrückführrate ein. Daher kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Abhängigkeit der Wärmekapazität des rückgeführten Abgases vom Wassergehalt des rückgeführten Abgases berücksichtigt werden. Dazu können entsprechende Kennfelder vorgesehen sein. Auf diese Weise sind die thermischen Parameter des Abgases besser bekannt und die thermische Messung der Rückführrate kann entsprechend korrigiert werden.
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Der Wassergehalt des rückgeführten Abgases kann aus Daten der Motorsteuerung bestimmt werden. So ergeben sich wegen der unterschiedlichen Eigenschaften von nichtalkoholischen Brennstoffen einerseits und alkoholischen Brennstoffen andererseits unterschiedliche optimale Verbrennungsparameter. Diese werden von der Motorsteuerung festgelegt, so dass aus diesen Parametern auf die Zusammensetzung des Brennstoffes, insbesondere auf den den Wassergehalt bestimmenden Alkoholgehalt, geschlossen werden kann. Aus der Brennstoffzusammensetzung kann wiederum der Wassergehalt des bei einer Verbrennung dieses Brennstoffes entstehenden Abgases bestimmt werden, beispielsweise mittels geeigneter Kennfelder.
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Zu den von der Motorsteuerung festgelegten Verbrennungsparametern gehören die Einspritz- und Zündzeiten sowie die Einspritzmengen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird daher der Wassergehalt des rückgeführten Abgases von der dosierten Kraftstoffmenge und/oder der Einspritzzeit und/oder der Zündzeit abgeleitet.
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Die optimalen Verbrennungsparameter können zum Beispiel mittels einer Klopfregelung und Lambdamessung durch geeignete Algorithmen durch die Motorsteuerung selbst ermittelt und richtig eingestellt werden. Die jeweils dosierte Kraftstoffmenge bzw. die Einspritz- und Zündzeiten werden dann von der Motorsteuerung vorgegeben und stehen ohne die Verwendung zusätzlicher Sensoren unmittelbar zur Verfügung.
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Es ist aber auch möglich, den Alkoholgehalt mittels eines Kraftstoffzusammensetzungssensors zu bestimmen. Solche auch als „FlexFuel-Sensoren” bezeichnete Sensoren führen beispielsweise eine kapazitive Messung des Kraftstoffs durch. Aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen von nichtalkoholischen und alkoholischen Kraftstoffen lässt sich auf diese Weise die Zusammensetzung des Kraftstoffs und insbesondere der Alkoholgehalt bestimmen. Das Motorkennfeld und insbesondere die Verbrennungsparameter werden dann entsprechend angepasst. In diesem Fall kann der Wassergehalt des rückgeführten Abgases gemäß einer weiteren Ausgestaltung also aus Daten des Kraftstoffzusammensetzungssensors bestimmt werden.
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Ferner ist es möglich, den Wassergehalt der zugeführten Luft mit Hilfe eines Feuchtesensors zu bestimmen oder aus der Kennlinie eines Massestromsensors bei bekannter Temperatur abzuleiten.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
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1 den Aufbau eines Verbrennungsmotors, der mit einer Abgasrückführung im Hochdruckbereich und mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasrückführrate ausgestattet ist;
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2 ein Zeitdiagramm, das den zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur und der Lufttemperatur beim Betrieb des Verbrennungsmotors aus 1 zeigt; und
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3 den Aufbau eines Verbrennungsmotors, der mit einer Abgasrückführung im Niederdruckbereich und mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasrückführrate ausgestattet ist.
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1 zeigt den Aufbau eines Verbrennungsmotors 1 mit einem Motorblock 2, in dem vier Zylinder 3 ausgebildet sind. Bei dem Verbrennungsmotor 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Dieselmotor. Bei dem Verbrennungsmotor 1 kann es sich aber auch um einen Ottomotor mit oder ohne Direkteinspritzung handeln. Die Zylinder 3 sind abgasseitig an einen Abgassammler 4 angeschlossen, der in eine Abgasleitung 5 übergeht, von der eine Abgasrückführleitung 6 abzweigt. Im weiteren Verlauf führt die Abgasleitung 5 zu einem Turbolader 7. Der Turbolader 7 wird von Abgas 8 angetrieben und verdichtet in einer Ansaugleitung 9 zugeführte Frischluft 10 zu Ladeluft 11. Hinter dem Turbolader 7 befindet sich ein Ladeluftkühler 12, der von einer Umgehungsleitung 13 überbrückt ist, in der ein Umgehungsventil 14 angeordnet ist. Stromabwärts hinter dem Ladeluftkühler 12 befindet sich schließlich die Drosselklappe 15, durch die dem Verbrennungsmotor 1 zugeführte Luftmenge einstellbar ist.
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Hinter der Drosselklappe 15 mündet die Abgasrückführleitung 6 in die Ansaugleitung 9. Die Menge an rückgeführtem Abgas 16, die aus der Abgasrückführleitung 6 in die Ansaugleitung 9 einströmt, wird dabei von einem Abgasrückführventil 17 gesteuert, das sich in der Abgasrückführleitung 6 befindet. Stromabwärts hinter dem Abgasrückführventil 17 befindet sich ein Abgasrückführkühler 18, der von einer Umgehungsleitung 19 überbrückt ist, die von einem Umgehungsventil 20 kontrolliert ist.
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Hinter der Mündung der Abgasrückführleitung 6 in die Ansaugleitung 9 befindet sich eine Mischstrecke 21, in der das rückgeführte Abgas 16 mit der Ladeluft 11 zu einem Mischgas 22 gemischt wird, das über einen Luftverteiler 23 auf die Zylinder 3 verteilt wird. In den Zylinder 3 oder unmittelbar vor den Zylindern 3 erfolgt schließlich die Kraftstoffeinspritzung.
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Um den Anteil an rückgeführtem Abgas 16 am Mischgas 22 zu bestimmen, ist in der Abgasrückführleitung 6 vor der Mündung in die Ansaugleitung 9 ein Abgastemperatursensor 24 vorgesehen, mit dem sich die Temperatur des rückgeführten Abgases 16 erfassen lässt. Daneben wird die Temperatur der Ladeluft 11 mithilfe eines Lufttemperatursensors 25 erfasst, der in der Ansaugleitung 9 vor der Mündung der Abgasrückführleitung 6 in die Ansaugleitung 9 angeordnet ist. Schließlich ist noch ein Mischgastemperatursensor 26 vorgesehen, der in der Mischstrecke 21 angeordnet ist.
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Der Abgastemperatursensor 24, der Lufttemperatursensor 25 und der Mischgastemperatursensor 26 sind an ein Steuermodul 27 angeschlossen, das mit einer Motorsteuerung 28 verbunden ist.
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Es sei angemerkt, dass in dem Verbrennungsmotor 1 neben den genannten Temperatursensoren weitere Sensoren wie beispielsweise ein Drucksensor 29 oder ein Luftmassensensor 30 vorhanden sein können.
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Ferner sei angemerkt, dass die weiteren Sensoren, zum Beispiel der Luftmassensensor 30, mit der Motorsteuerung 28 verbunden sein können. Die Motorsteuerung 28 beaufschlagt auch den Ladeluftkühler 12, das Umgehungsventil 14, das Abgasrückführventil 17, den Abgasrückführkühler 18 und das Umgehungsventil 20 mit Steuersignalen, die über in 1 nicht dargestellte Steuerleitungen zu den genannten Aggregaten gesandt werden.
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Aufgrund der Enthalpie-Erhaltung beim Mischvorgang kann das Massenverhältnis von Ladeluft
11 zu rückgeführtem Abgas
16 berechnet werden zu:
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TG ist dabei die vom Mischgastemperatursensor 26 erfasste Temperatur des Mischgases 22, TF die vom Lufttemperatursensor 25 erfasste Lufttemperatur, TA die vom Abgastemperatursensor 24 erfasste Abgastemperatur TA, CpF die spezifische Wärme der Ladeluft 11 bei konstantem Druck, CpA, die spezifische Wärme des rückgeführten Abgases 16 bei konstantem Druck und k(TF) sowie k(TA) Korrekturwerte für die Temperaturabhängigkeit von CpF und CpA.
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Die spezifischen Wärmekapazitäten der Ladeluft 11 und des rückgeführten Abgases 16 hängen wesentlich vom Wassergehalt ab. Der Wassergehalt des rückgeführten Abgases 16 kann gegebenenfalls anhand der vom Motorsteuergerät 28 dosierten Kraftstoffmenge und/oder der Einspritzzeit und/oder der Zündzeit und einem geeigneten Kalibrierkennfeld ermittelt werden.
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Der Wassergehalt des rückgeführten Abgases kann aber auch aus Daten eines Kraftstoffzusammensetzungssensors bestimmt werden. Der Wassergehalt der Ladeluft 11 kann ferner mithilfe eines Feuchtesensors bestimmt werden. In der Praxis ist jedoch die Wärmekapazität CpF der Ladeluft 11 häufig gleich der spezifischen Wärmekapazität CpA des Abgases und braucht daher in der Regel nicht korrigiert zu werden. Die Abhängigkeiten der Wärmekapazitäten CpF und CpA von der Temperatur können daneben Tabellen entnommen werden, die mithilfe von Kalibrierverfahren ermittelt worden sind.
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Die für die Berechnung des Masseverhältnisses von Ladeluft 11 zu Abgas 16 notwendigen Berechnungen können in dem Steuermodul 27 oder in der Motorsteuerung 28 vorgenommen werden.
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Bei dem Abgastemperatursensor 24, dem Lufttemperatursensor 25 und dem Mischgastemperatursensor 26 kann es sich um temperaturabhängige Widerstände oder um Thermoelemente handeln. Dabei ist darauf zu achten, dass die Temperatursensoren kurze Antwortzeiten aufweisen. Insbesondere werden temperaturabhängige Widerstände mit einem möglichst günstigen Verhältnis von Oberflächengröße zu Masse bevorzugt.
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Der Abgastemperatursensor 24, der Lufttemperatursensor 25 und der Mischgastemperatursensor 26 können auch eine Vielzahl von über den Strömungsquerschnitt verteilten Messelementen aufweisen, durch die ein Temperaturmittelwert für die Abgastemperatur TA, für die Lufttemperatur TF und die Mischgastemperatur TG bestimmt werden kann. Bei ausreichend linearem Temperaturgang der einzelnen Sensorelemente oder bei niedrigen räumlichen Temperaturgradienten können die Sensorelemente zur Mittelwertbildung in Reihe geschaltet und wie ein einzelner Temperatursensor ausgewertet werden. Wenn dagegen eine Einzelauswertung der Sensorelemente notwendig ist, besteht die Möglichkeit, die Sensorelemente für den Abgastemperatursensor 24, den Lufttemperatursensor 25 und den Mischgastemperatursensor 26 in ein Abgasrückführmodul 31 zu integrieren, das gegebenenfalls auch das Steuermodul 27 umfasst. In das Abgasrückführmodul 31 können unter Umständen auch weitere mechanische Komponenten, wie das Abgasrückführventil 17, der Abgasrückführkühler 18, die Umgehungsleitung 19 und das Umgehungsventil 20 integriert werden. Für das vollständige Abgasrückführmodul 31 ist dann lediglich eine einzelne Schnittstelle für die Stromversorgung und den Datenaustausch mit der Motorsteuerung 28 nötig. Die Motorsteuerung 28 braucht dann dem Steuermodul 27 lediglich die benötigte Abgasrückführrate mitzuteilen und das Abgasrückführmodul 31 übernimmt dann die Einstellung der benötigten Abgasrückführrate, indem das Abgasrückführventil 17 mit einem entsprechenden Steuersignal beaufschlagt wird. Außerdem kann das Abgasrückführmodul 31 die Funktion des Abgasrückführkühler 18 und des Umgehungsventils 20 steuern und dadurch eine Abgastemperatur des rückgeführten Abgases 16 einstellen, die oberhalb der Temperatur der Ladeluft 11 liegt. Damit ist sichergestellt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Lufttemperatur TF und der Abgastemperatur TA so groß ist, dass die Abgasrückführrate berechnet werden kann. Die Einstellung der Abgastemperatur TA erfolgt dabei vorzugsweise so, dass die Abgastemperatur TA gegenüber der Lufttemperatur TF um einen vorbestimmten Temperaturbetrag höher liegt.
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Dieser Sachverhalt sei anhand 2 veranschaulicht. In 2 zeigt eine Temperaturkurve 32 den Verlauf der Lufttemperatur bei einem Kaltstart. Zunächst wird der Ladeluftkühler 12 mithilfe der Umgehungsleitung 13 überbrückt, so dass die Ladeluft 11 eine vergleichsweise hohe Temperatur TF1 aufweist. Nach dem Warmfahren wird das Umgehungsventil 14 geschlossen und die Ladeluft 11 durch den Ladeluftkühler 12 gekühlt, so dass die Lufttemperatur TF absinkt und die Lufttemperatur TF den Wert TF2 erreicht. Die Abgastemperatur TA wird nun so geführt, dass wenigstens eine vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Lufttemperatur TF und der Abgastemperatur TA vorhanden ist. Dementsprechend wird der Abgasrückführkühler 18 und das Umgehungsventil 20 so betrieben, dass die Abgastemperatur TA gemäß einer Temperaturkurve 33 nach Möglichkeit um den Temperaturbetrag ΔT oberhalb der Lufttemperatur TL liegt.
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Die Temperaturdifferenz ΔT kann auch vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 abhängen. Bei großen Abgasrückführraten oberhalb von 10 Prozent kann der Temperaturabstand ΔT kleiner als bei Abgasrückführraten unterhalb von etwa 10 Prozent sein.
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Falls der Druck in der Mischstrecke 21, der Ansaugleitung 9 und der Abgasrückführleitung 6 nicht gleichmäßig verteilt ist, können in der Mischstrecke 21, der Ansaugleitung 9 und der Abgasrückführleitung 6 Drucksensoren integriert werden und die gemessenen Temperaturen über eine Gasgleichung umgerechnet werden. Falls beispielsweise der Druck vor der Einmündung der Abgasrückführleitung 6 wesentlich größer als der Druck in der Mischstrecke 21 ist, kann der Drucksensor 29 dazu verwendet werden, die mithilfe des Lufttemperatursensors 25 gemessene Lufttemperatur auf den in der Mischstrecke 21 herrschenden Druck zu korrigieren. Dazu ist kein Mehraufwand erforderlich, da der Drucksensor 29 ohnehin für die Ladedruckregelung und andere Motorsteuerfunktionen benötigt wird.
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Da die Einspritzung von Kraftstoff aufgrund der Verdunstungsvorgänge zu zeitlich und örtlich schwer zu erfassenden Temperaturschwankungen führen würde, ist es von Vorteil, wenn die Einspritzung des Kraftstoffs in der Nähe des Einlassventils erfolgt, so dass die Temperaturmessung des Mischgastemperatursensors 26 nicht beeinträchtigt wird. Derartige Probleme können bei Dieselmotoren und Benzinmotoren mit Direkteinspritzung ohnehin nicht auftreten, da der Kraftstoff in die Zylinder 3 und nicht in die Ansaugleitung 9 injiziert wird.
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Bei dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor 1 findet die Abgasrückführung im Hochdruckbereich statt. Demgegenüber ist in 3 ein weiterer Verbrennungsmotor 34 dargestellt, bei dem die Abgasrückführung mithilfe einer im Niederdruckbereich angeordneten Abgasrückführleitung 35 bewerkstelligt wird. Bei der Einmündung der Abgasrückführleitung 35 in die Ansaugleitung 9 kann die Abgasrückführrate mithilfe des in der Abgasrückführleitung 35 angeordneten Abgastemperatursensors 24 sowie des Lufttemperatursensors 25 und des Mischgastemperatursensors 26 durchgeführt werden. Um die Mischstrecke 21 zu verlängern, kann auch daran gedacht werden, den Mischgastemperatursensor 26 nach dem Turbolader 7 anzuordnen und mithilfe von Drucksensoren die Temperatur hinter dem Turbolader 7 auf eine Temperatur vor dem Turbolader 7 umzurechnen.
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Die Bestimmung der Abgasrückführrate mithilfe des Abgastemperatursensors 24, des Lufttemperatursensors 25 und des Mischgastemperatursensors 26 ermöglicht eine unmittelbare Bestimmung der Abgasrückführraten ohne dass auf die Zylinderfüllung und die Luftmassenmessung zurückgegriffen werden muss. Außerdem sind die gemessenen Temperaturen nützliche Parameter, die für die Optimierung von anderen Steuerparametern der Verbrennungsmotoren 1 und 34, wie beispielsweise für die Bestimmung des Spritzbeginns oder die Glühstiftsteuerung bei einem Dieselmotor, verwendet werden können.
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Die für die Bestimmung der Abgasrückführung notwendigen Temperatursensoren benötigen nur wenig Platz, so dass diese in die Ansaugleitung 9 integriert werden können. Insofern ist es möglich, ein Abgasrückführmodul 31 zu schaffen, das neben den Temperatursensoren auch die Stellkomponenten und Steckverbindungen zur Motorsteuerung 28 enthält.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
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Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
