DE102007046146A1 - Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate (xAGR), bei dem die externe Abgasrückführrate (xAGR) iterativ anhand einer aktualisierten Brennraumtemperatur (T-80,k+1) geschätzt wird, wobei die aktualisierte Brennraumtemperatur (T-80,k+1) aus einer vorgegebenen Brennraumtemperatur (T-80) ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate.
  • Eine Abgasrückführung wird zur Minderung von Stickstoffoxiden (NOx) bei einer Verbrennung von Kraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise in Otto- oder Dieselmotoren, verwendet, um speziell bei Verbrennungskraftmaschinen vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte einzuhalten.
  • Es existieren bereits verschiedene Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate. Aus „Bargende, M.: Besonderheiten der thermodynamischen Analyse von DE-Ottomotoren in: MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001), S. 56 bis 68" ist ein solches Verfahren bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate anzugeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate wird die externe Abgasrückführrate iterativ anhand einer aktualisierten Brennraumtemperatur geschätzt, wobei die aktualisierte Brennraumtemperatur aus einer vorgegebenen Brennraumtemperatur ermittelt wird.
  • Dabei wird die vorgegebene Brennraumtemperatur als Ausgangsgröße eines ersten Verfahrens verwendet. In diesem ersten Verfahren wird mittels der externen Abgasrückführrate und einem zurückgeführten Abgasmassenstrom eine ausgangsseitig an einem Abgasrückführungs-Kühler vorliegende Abgastemperatur des zurückgeführten Abgases ermittelt. Aus dieser wird anschließend eine Saugrohrtemperatur bestimmt.
  • In einem zweiten empirischen Verfahren wird aus dieser Saugrohrtemperatur die aktualisierte Brennraumtemperatur ermittelt. Die aktualisierte Brennraumtemperatur wird im weiteren Verlauf als Ausgangsgröße zur Durchführung des ersten Verfahrens verwendet.
  • Das erste und zweite Verfahren werden solange wiederholt, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium oder eine festgelegte Anzahl von Wiederholungen erreicht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren verknüpft die beiden Verfahren und thermodynamische Grundgleichungen zu einer iterativen Methodik.
  • Zusammenfassend ist es anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit einer Zylinderdruckmessung möglich, eine zylinderindividuelle Verbrennungsregelung zu realisieren und damit in vorteilhafter Weise eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoffs und eine Verringerung der in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Schadstoffe zu erreichen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Anordnung mit einem Verbrennungsmotor, dessen Frischluftzuführung, Abgasabführung und einer Abgasrückführung, und
  • 2 schematisch Abhängigkeiten bei einer Modellierung einer Brennraumtemperatur, und
  • 3 schematisch ein Flussdiagramm zu einer Bestimmung einer externen Abgasrückführrate.
  • 1 stellt die Anordnung dar, die die Frischluftzuführung zu einer Verbrennungskraftmaschine 1, dessen Abgasabführung und eine Abgasrückführung zeigt.
  • Dabei durchströmt Frischluft L mit einer Temperatur Tamb ein Luftfilter 2. Anschließend erfasst ein Luftmassenmesser 3 einen Frischluftmassenstrom ṁL und eine Temperatur T1 der angesaugten Frischluft L und einen Druck p1.
  • Die Frischluft L wird einem Luftverdichter, z. B. einem Abgasturbolader 4, zugeführt und verdichtet, anschließend mittels eines Ladeluftkühlers 5 abgekühlt und anhand einer Drosselklappe 6 dosiert der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt. An der Drosselklappe 6 werden eine Frischlufttemperatur T2 und ein Frischluftdruck p2 erfasst.
  • Ein durch eine Verbrennung eines Kraftstoffes in der Verbrennungskraftmaschine 1 entstehendes Abgas A wird mittels einer Abgasanlage 7 abgeführt und treibt den Abgasturbolader 4 an. Weiterhin wird mittels eines Sensors, insbesondere einer Lambdasonde, ein Restsauerstoffgehalt des Abgases A ermittelt, um ein Verhältnis der Frischluft L zu dem zugeführten Kraftstoff zur Verbrennung anzugeben. Dieses Verhältnis wird anhand eines Lambdawertes λa beschrieben.
  • Ein Teil des Abgases A wird über ein Abgasrückführungsventil 8 dosiert der Frischluft L beigemischt. Hierdurch werden eine vollständige Verbrennung und daraus folgend eine Verminderung von Stickstoffoxiden in dem Abgas A erreicht. Vor der Zuführung des Abgases A zu dem Abgasrückführungsventil 8 werden eine Abgastemperatur T3 und ein Abgasdruck p3 gemessen. Nach der Dosierung des Abgases A mittels des Abgasrückführungsventils 8 wird das Abgas A anhand eines Abgasrückführungskühlers 9 abgekühlt der Frischluft L beigemischt.
  • An einem Saugrohr 10, mit dem ein Abgas-Frischluft-Gemisch AL der Verbrennungskraftmaschine 1 zuführbar ist, wird zusätzlich eine Saugrohrtemperatur T2,SR ermittelt.
  • 2 zeigt Abhängigkeiten bei der Modellierung der Brennraumtemperatur T–80 bei einem Kurbelwinkel von –80°. Dabei wird anhand der Brennraumtemperatur T–80 und einem, z. B. anhand von Drucksensoren, gemessenen Zylinderdruck p–80 eine angesaugte Frischluftmasse mAn bestimmt. Der Kurbelwinkel beschreibt den Winkelversatz einer Kurbelwelle bezüglich einer Ausgangsposition, bei welcher sich ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine 1 an einem oberen Totpunkt befindet.
  • Anhand eines ersten Verfahrens V1 nach Mladek, welches in 3 näher beschrieben ist, wird aus der der angesaugten Frischluftmasse mAn die externe Abgasrückführungsrate xAGR sowie der zurückgeführte Abgasmassenstrom ṁAGR ermittelt. Anhand eines fest vorgegebenen Kennfelds 11 sowie der gemessenen Abgastemperatur T3 wird im weiteren Verlauf die ausgangsseitig am Abgasrückführungs-Kühler 9 vorliegende Abgastemperatur T3,K berechnet.
  • Aus der Abgastemperatur T3,K wird die Saugrohrtemperatur T2,SR abgeleitet, die als Ausgangsgröße für ein zweites, empirisches Verfahren 2 dient.
  • Anhand von diesem zweiten Verfahren V2 nach Zapf, welches in 3 näher beschrieben ist, wird aus der Saugrohrtemperatur T2,SR die aktualisierte Brennraumtemperatur T–80,k+1 ermittelt. Diese aktualisierte Brennraumtemperatur T–80,k+1 wird im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen, iterativen Verfahrens als Ausgangsgröße des ersten Verfahrens V1 verwendet.
  • Die Iteration des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, weil zu einer Ermittlung der angesaugten Frischluftmasse mAN sowie der externen Abgasrückführungsrate xAGR die Brennraumtemperatur T–80 bekannt sein muss, diese sich jedoch ohne eine Kenntnis der Abgasrückführungsrate xAGR und der angesaugten Frischluftmasse mAn nicht schätzen lässt.
  • 3 stellt anhand des Flussdiagramms einen Signalfluss zur Bestimmung der externen Abgasrückführrate xAGR dar. Zu Beginn der Iteration wird eine Anfangsbedingung gesetzt. Diese Anfangsbedingung beinhaltet eine geschätzte vorgegebene Brennraumtemperatur T–80. Weiterhin gibt eine Zählvariable k an, in welchem Durchlauf sich die Iteration befindet. Aus diesem Grund besitzt die Zählvariable k zu Beginn der Iteration den Wert k = 0.
  • Im weitern Verlauf berechnet sich in dem ersten Verfahren V1 aus der vorgegebenen Brennraumtemperatur T–80,k, einem Brennraumdruck p–80,k und einem Brennraumvolumen V–80,k die angesaugte Frischluftmasse mAn,k aus der die externe Abgasrückführrate xAGR geschätzt wird. Ferner werden der Abgasdruck p3 vor dem Abgasturbolader 4. die Abgastemperatur T3 vor dem Abgasrückführungs-Kühler 9 und ein minimales Volumen Vmin bei der Bestimmung der angesaugten Frischluftmasse mAn,k berücksichtigt. RL stellt die spezifische Gaskonstante von Luft dar.
  • Figure 00060001
  • Mit einer Ladungseffizienz ηc ergibt sich die Schätzung der externen Abgasrückführrate xAGR. Die Ladungseffizienz ηc gibt ein Maß für eine Qualität einer Zylinderladung an. Sie ist definiert als ein Verhältnis von minimal benötigter Masse mm zu tatsächlich vorhandener Masse mtot in dem Brennraum 10 der Verbrennungskraftmaschine 1 gemäß:
    Figure 00060002
  • Dabei ergibt sich die Ladungseffizienz ηc in weiterer Auflösung zu:
    Figure 00060003
    wobei eine Konstante C von einer Drehzahl N und einer Lage eines Verbrennungsschwerpunktes H50 abhängt und pr0 ein durch ein Offset korrigiertes Druckverhältnis darstellt.
  • Mit der Ladungseffizienz ηc ergibt sich die externe Abgasrückführrate xAGR anhand einer Schätzung zu:
    Figure 00070001
  • Dabei gibt Lst ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis an und CoC bezeichnet eine Vollständigkeit einer Verbrennung.
  • Aus der in Gleichung [1] berechneten angesaugten Frischluftmasse mAn,k und der in Gleichung [4] ermittelten Abgasrückführrate xAGR,k lassen sich die angesaugte Frischluftmasse mL,k und die Abgasmasse mAGR,k in dem Brennraum 10 errechnen gemäß: mL,k = (1 – xAGR,k)·mAn,k' [5] mAGR,k = xAGR,k·mAn,k. [6]
  • Unter der Annahme, dass die in dem Brennraum 10 enthaltene Abgasmasse mAGR,k dem durch den Abgasrückführungskühler 9 zurückgeführten Abgasmassenstrom ṁAGR während eines Arbeitsspiels gemäß: ṁAGR,k ≡ mAGR,k [7]entspricht, ist mit Hilfe des Kennfelds 11 die ausgangsseitig am Abgasrückführungs-Kühler 9 vorliegende Abgastemperatur T3,K ermittelbar gemäß: T3,K,k = f(T3, ṁAGR,k). [8]
  • Die in Gleichung [7] gemachte Annahme gilt entsprechend für die angesaugte Frischluftmasse mL,k. Gemäß einer thermodynamischen Gleichung für eine adiabatische Mischung idealer Gase ergibt sich bei Vernachlässigung spezifischer Wärmekapazitäten die Saugrohrtemperatur T2,SR zu:
    Figure 00080001
  • Anhand des empirischen zweiten Verfahrens V2 lassen sich aus der Saugrohrtemperatur T2,SR eine Temperatur TUT,k an einem unteren Totpunkt des Kolbens der Verbrennungskraftmaschine 1 und in Verbindung mit einer näherungsweise polytropen Verdichtung die aktualisierte Brennraumtemperatur T–80,k+1 ermitteln gemäß:
    Figure 00080002
  • Über eine Änderung von einer vorhergehenden Brennraumtemperatur T–80,k auf die aktualisierte Brennraumtemperatur T–80,k+1 lässt sich ein Abbruchkriterium ξ für die Iteration festlegen. Diese endet, wenn die Bedingung |T–80,k+1 – T–80,k| < ξ [12]erfüllt ist. Falls dies nicht so ist, wird die Iteration bis zu einer vorgegebenen maximalen Anzahl k+ durchlaufen.
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Luftfilter
    3
    Luftmassenmesser
    4
    Abgasturbolader
    5
    Ladeluftkühler
    6
    Drosselklappe
    7
    Abgasanlage
    8
    Abgasrückführungs-Ventil
    9
    Abgasrückführungs-Kühler
    10
    Brennraum
    11
    Kennfeld
    A
    Abgas
    AL
    Abgas-Frischluft-Gemisch
    C
    Konstante
    CoC
    Vollständigkeit der Verbrennung
    k
    Zählvariable
    L
    Frischluft
    mAGR
    Abgasmasse
    ṁAGR,k
    aktualisierter Abgasmassenstrom
    mAn
    angesaugte Frischluftmasse
    ṁL
    Frischluftmassenstrom
    mL,k
    aktualisierte angesaugte Frischluftmasse
    p1
    Druck
    p2
    Frischluftdruck
    p3
    Abgasdruck
    Tamb
    Temperatur
    T1
    Temperatur
    T2
    Frischlufttemperatur
    T2,SR
    Saugrohrtemperatur
    T2,SR,k
    aktualisierte Temperatur
    T3
    Abgastemperatur
    T3,K
    Abgastemperatur
    T–80
    vorgegebene Brennraumtemperatur
    T–80,k+1
    aktualisierte Brennraumtemperatur
    V1
    erstes Verfahren
    V2
    zweites Verfahren
    xAGR
    externe Abgasrückführrate
    ηc
    Ladungseffizienz
    λa
    Lambdawert Abbruchkriterium
    ξ
    Abbruchkriterium
  • 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
    • - Bargende, M.: Besonderheiten der thermodynamischen Analyse von DE-Ottomotoren in: MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001), S. 56 bis 68 [0003]

Claims (3)

  1. Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate (xAGR), dadurch gekennzeichnet, dass die externe Abgasrückführrate (xAGR) iterativ anhand einer aktualisierten Brennraumtemperatur (T–80,k+1) geschätzt wird, wobei die aktualisierte Brennraumtemperatur (T–80,k+1) aus einer vorgegebenen Brennraumtemperatur (T–80) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Brennraumtemperatur (T–80) als Ausgangsgröße eines ersten Verfahrens V1 verwendet wird, mit dem aus der externen Abgasrückführrate (xAGR) und einem zurückgeführten Abgasmassenstrom (mAGR) eine ausgangsseitig an einem Abgasrückführungs-Kühler (9) vorliegende Abgastemperatur (T3,K) des zurückgeführten Abgases (A) ermittelt wird, wobei aus dieser eine Saugrohrtemperatur (T2,SR) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines empirischen zweiten Verfahrens V2 aus der Saugrohrtemperatur (T2,SR) die aktualisierte Brennraumtemperatur (T–80,k+1) ermittelt wird, wobei diese im weiteren Verlauf als Ausgangsgröße zur Durchführung des ersten Verfahrens verwendet wird.
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