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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Leckagemassenstroms, der infolge einer Undichtigkeit einer Absperreinrichtung einer eine Abgaseinrichtung umgehenden Bypassleitung im Auspuffsystem einer Brennkraftmaschine in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine strömt.
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Zur Verbrauchsverminderung werden moderne Benzinmotoren zunehmend als direkt einspritzende Magermotoren ausgeführt. Dabei werden für die Abgasnachbehandlung NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt. Diese haben den Nachteil, dass sie bei hohen Abgastemperaturen schnell altern. Außerdem erhöhen NOx-Speicherkatalysatoren bei hohen Lasten den Abgasgegendruck und reduzieren dadurch die Motorleistung. Aus diesem Grund werden Bypassleitungen eingesetzt, die den NOx-Speicherkatalysator umgehen und die mit einer Absperreinrichtung versehen sind, so dass in bestimmten Betriebszuständen bei geschlossener Absperreinrichtung das gesamte Abgas den NOx-Speicherkatalysator durchströmen muss und in anderen Betriebszuständen, in denen die Absperreinrichtung geöffnet ist, der Speicherkatalysator vom Abgas umströmt werden kann.
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Aus der
EP 1 715 162 A2 ist ein solches Abgassystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Absperreinrichtung zwei in gegenseitigem Abstand angeordnete Absperrventile enthält, zwischen denen eine Leitung abzweigt, die strömungsabwärts einer Drosselklappe in das Saugrohr der Brennkraftmaschine mündet. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein durch undichte Absperrventile bedingter Abgasleckagestrom in die Umgebung gelangt.
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Das Dokument
DE 103 49 490 A1 betrifft ein Verfahren bekannt für das Steuern der Zylinderladung in einem fremdgezündeten Motor mit Direkteinspritzung, wobei der Motor einen Ansaugkrümmer und ein elektronisch gesteuertes Drosselklappen(ETC)-Ventil aufweist, das den Luftstrom von der Atmosphäre zum Ansaugkrümmer des genannten Motors regelt. Dem Dokument
DE 103 49 490 A1 wird vorgeschlagen, folgende Schritte durchzuführen: (A) Messen eines Ansaugkrümmerdruckwertes P
i, (B) Messen eines Stromwertes W
thr,m, der für den Strom durch die ETC-Drosselklappe charakteristisch ist, (C) Bestimmen eines gewünschten Ansaugkrümmerdruckwertes P
i,d, (D) Bestimmen eines gewünschten Stroms W
thr,d durch das ETC-Ventil, (E) Bestimmen einer gewünschten ETC-Ventilstellung u
thr,d, und (F) Anpassen der genannten ETC-Ventilstellung u
thr aufgrund folgender Gegebenheiten: (i) der genannten gewünschten ETC-Ventilstellung u
thr,d, (ii) einer Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugkrümmerdruckwert P; und dem bestimmten gewünschten Ansaugkrümmerdruckwert P
i,d, und (iii) einer Differenz zwischen dem gemessenen Stromwert W
thr,m durch das ETC-Ventil und dem bestimmten gewünschten Strom W
thr,d.
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Aus dem Dokument
DE 100 28 878 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbrennungsmotoren mit folgenden Schritten: Messen wenigstens eines Luftmassenstromverlaufs und des zugehörigen Verlaufs weiterer Mess-/Stell- und Regelgrößen der elektronischen Motorsteuerung während einer Zeitspanne, in der unterschiedliche Drehzahlen und Motorlasten auftreten, Schätzen wenigstens eines theoretischen Luftmassenstromverlaufs während der Zeitspanne aus den Stell-, Mess- und/oder Regelgrößen der elektronischen Motorsteuerung, Bilden eines Differenzverlaufes zwischen dem theoretischen Luftmassenstromverlauf und dem gemessenen Luftmassenstromverlauf, Verwendung der Differenzverlaufs zur Schätzung eines effektiven Leckquerschnitts im Saugrohr.
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Eine Eigenart des bekannten Abgassystems besteht darin, dass die Größe des in das Saugrohr gelangenden Abgasleckagestroms nicht bekannt ist, was nachteilige Auswirkungen auf die im Motor ablaufende Verbrennung haben kann. Durch Nichtberücksichtigung des im Motor mit der Frischladung verbrannten Abgasleckagestroms bei der Motorsteuerung kann es zu einer verschleppten Verbrennung und dadurch sinkendem Wirkungsgrad sowie Laufruhe- und Emissionsproblemen kommen. Weiter können Verbrennungsaussetzer entstehen. Bei überstöchiometrischer Verbrennung enthält der in das Saugrohr gelangende Abgasleckagestrom außer bereits verbranntem Abgas auch unverbranntes frisches Gas, was zu Gemischfehlern infolge zu geringer Kraftstoffzumessung und zu einem Momentenfehler infolge zu hoher Frischgasfüllung führt.
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Außerdem wird eine unzulässige Undichtigkeit in der Absperrrichtung der Bypassleitung nicht erkannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die vorgenannten Probleme anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Bestimmen eines Leckagemassenstroms gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Leckagemassenstrom bestimmt werden, ohne dass speziell dafür vorgesehene Sensoren erforderlich sind. Es kann vielmehr ausschließlich mit ohnehin für die Motorsteuerung erforderlichen Sensoren gearbeitet werden.
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Die Unteransprüche 2 bis 7 sind auf vorteilhafte Weiterbildungen und Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
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Der Anspruch 8 ist auf den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Bestimmen des Leckagemassenstroms gerichtet, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
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Die Ansprüche 9 und 10 kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In den Figuren stellen dar:
- 1 eine Prinzipdarstellung des Ansaug- und Abgassystems einer Brennkraftmaschine,
- 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Leckagemassenstroms,
- 3 ein Blockschaltbild eines Bypassleckagemodells, und
- 4 ein Blockschaltbild eines Saugrohrbehältermodells.
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Gemäß 1 führt eine von einem nicht dargestellten Luftfilter kommende Frischluftleitung 10 durch ein Drosselklappenteil 12 hindurch in ein Saugrohr 14 einer insgesamt mit 16 bezeichneten Brennkraftmaschine, von der schematisch eine Kolbenzylindereinheit mit Einlassventil und Auslassventil dargestellt ist.
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Ein Auslasskrümmer 18 der Brennkraftmaschine führt in einen Vorkatalysator 20, von dem aus das Auspuffsystem durch einen NOx-Speicherkatalysator 22 hindurch zu einem nicht dargestellten Schalldämpfer und dann in die Umgebung führt. Der NOx-Speicherkatalysator 22 wird von einer Bypassleitung 24 umgangen, die mittels einer Absperreinrichtung 26 absperrbar ist.
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Die Absperreinrichtung 26 enthält zwei in Strömungsrichtung beabstandete Absperrventile 28 und 30, die beispielsweise als Klappenventile ausgebildet sind, deren Ventilklappen in dichtende Anlage an einen jeweiligen Sitz bewegt werden können und beispielsweise von einem gemeinsamen Aktor betätigt werden.
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Von dem Raum zwischen den Absperrventilen 28 und 30 führt eine Absaugleitung 32 strömungsabwärts des Drosselklappenteils 12 in das Saugrohr 14. Wenn der Druck im Saugrohr 14 kleiner ist als der Druck strömungsoberhalb des Absperrventils 28 bzw. strömungsunterhalb des Absperrventils 30, wird ein durch etwaige Undichtigkeiten der Absperrventile 28 und/oder 30 entstehender Abgasleckagestrom durch die Absaugleitung 32 in das Saugrohr 14 rückgeführt und zusammen mit der Frischladung in der Brennkraftmaschine 16 verbrannt.
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Es versteht sich, dass mehrere Kolbenzylindereinheiten vorgesehen sein können, die jeweils parallel zueinander mit dem Saugrohr 14 bzw. dem Auslasskrümmer 18 verbunden sind.
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Das System gemäß 1 enthält folgende Sensoren:
- - einen Sensor 40 zur direkten oder indirekten Bestimmung des durch das Drosselklappenteil 12 hindurch in das Saugrohr 14 einströmenden Massenstroms ms_DK;
- - einen Drucksensor 42 zum Bestimmen des augenblicklichen bzw. Ist-Druckes ps_ist im Saugrohr 14;
- - einen Drucksensor 44 zur Bestimmung des Druckes p_vBPV strömungsoberhalb bzw. vor der Absperreinrichtung 26;
- - ein Temperatursensor 46 zur Bestimmung der Temperatur T_vBPV vor der Absperreinrichtung 26;
- - einen Drucksensor 47 zur Bestimmung des Druckers p_nBPV nach der Absperreinrichtung 26 und
- - einen Temperatursensor 48 zur Bestimmung der Temperatur T_nBPV nach der Absperreinrichtung 26.
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Dabei können eine oder mehrere Sensorgrößen auch durch geeignete Modellgrößen ersetzt werden.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur erfindungsgemäßen Ermittlung des Massenstroms, der durch die Absaugleitung 32 in das Saugrohr 14 gelangt.
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Eingängen eines Subtrahiergliedes 50 wird ein Signal zugeführt, das dem Ist-Saugrohrdruck ps_ist entspricht, und ein Signal zugeführt, dass einem berechneten Saugrohrdruck ps_b entspricht. Im Folgenden wird der Einfachheit halber nicht zwischen den Signalen und den jeweiligen Werten unterschieden, also beispielsweise dem Signal, das ps_ist entspricht und dem Wert ps_ist.
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Der Ausgang des Subtrahiergliedes 50 ist mit einer Parameterermittlungseinheit R verbunden, deren Ausgang wiederum mit einem Bypassleckagemodell BPM verbunden ist, dessen Funktion weiter unten erläutert wird. Der Ausgang des Bypassleckagemodells ist mit dem Eingang eines Saugrohrbehältermodells SBM verbunden, dessen Ausgang in das Saugrohrbehältermodell zurückgeführt wird und dem Subtrahierglied 50 zugeführt wird.
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An den einzelnen Leitungen liegen die in 2 angegebenen Signale, die soweit sie noch nicht beschrieben sind, wie folgt sind:
- ABP bedeutet ein Signal, das dem errechneten Leckagequerschnitt der Absperreinrichtung 26 entspricht, d.h. dem Leckagequerschnitt, der zwischen der Bypassleitung 24und der Absaugleitung 32 wirksam ist. Dieser Leckagequerschnitt ABP setzt sich aus den Leckagequerschnitten ABPv und ABPn der Absperrventile 28 und 30 zusammen.
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Das an einem Eingang des Bypassmodells liegende Signal BPV_soll bedeutet eine Sollstellung der Absperreinrichtung 26. Dabei bedeutet ein Wert von BPV_soll = 0, dass die Absperreinrichtung 26 geschlossen ist.
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Das einem Eingang des Saugrohrbehältermodells SBM zugeführte Signal ms_ZYL bedeutet den Massenstrom, der aus dem Saugrohr 14 in den bzw. die Zylinder der Brennkraftmaschine 16 abströmt.
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Die Funktion der durch das Blockschaltbild der 2 symbolisierten Schaltung ist wie folgt:
- Die Parameterermittlungseinheit R, die beispielsweise als Mehrgrößenregler ausgebildet sein kann, ermittelt aus dem am Ausgang des Subtrahiergliedes 50 liegenden Differenzsignal aus ps ist und einem aktuellen, vom Saugrohrbehältermodell berechneten Saugrohrdruck ps_b die Leckagequerschnitte ABPv und ABPn der Absperreinrichtung 26. Der Regler R hat vorteilhafterweise einen integrierenden Bestandteil, so dass die Werte der Leckagequerschnitte zumindest teilweise einem Integral des Ausgangssignals des Subtrahiergliedes 50 entsprechen.
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Dem Bypassleckagemodell BPM, das das Verhalten der Absperreinrichtung 26 und deren Verbindung mit dem Saugrohr 14 über die Absaugleitung 32 nachbildet, werden als Eingangsgrößen die Leckagequerschnitte ABPv und ABPn, der Ist-Saugrohrdruck ps_ist, die Drücke vor und nach der Absperreinrichtung 26 p_vBPV und p_nBPV, die Temperaturen vor und nach der Absperreinrichtung T_vBPV und T_nBPV sowie ein weiteres Signal BPV_soll zugeführt. Die Angabe in 2 BPV_soll = 0 bedeutet, dass die Absperreinrichtung 26 geschlossen ist (das Signal kann von einem jeweiligen Aktor der Absperreinrichtung 26 abgenommen werden). Eine Aktivierung des Bypassleckagemodells BPM bzw. eine Berechnung erfolgt nur, wenn die Absperreinrichtung 26 geschlossen ist. Andernfalls wären die Berechnungen zu ungenau, so dass sie für eine Bestimmung des Leckagemassenstroms weniger gut geeignet wären.
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Das Bypassleckagemodell BPM errechnet aus den genannten Signalen den Leckagemassenstrom ms_BP, der durch die Absaugleitung 32 in das Saugrohr 14 strömt.
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Dieser Leckagemassenstrom ms_BP wird dem Saugrohrbehältermodell SBM als Eingangssignal zugeführt. Weitere Eingangssignale des Saugrohrbehältermodells sind der durch das Drosselklappenteil 12 einströmende Massenstrom ms_DK, die Abströmung ms_ZYL aus dem Saugrohr 14 in den bzw. die Zylinder der Brennkraftmaschine 16 sowie weitere, gestrichelt dargestellte Einströmungen in das Saugrohr 14, beispielsweise eine Einströmung aus einer nicht dargestellten Tankentlüftung oder eine gezielte Abgasrückführung. Vorteilhafterweise wird die Berechnung unterbrochen, sobald eine Tankentlüftung oder eine Abgasrückführung erfolgt, da andernfalls die Berechnungen ungenauer werden.
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In der Schaltung gemäß 2 laufen während deren Aktivierung, also vorteilhafterweise nur bei geschlossener Absperreinrichtung 26 und keinen zusätzlichen Einströmungen in das Saugrohr 14 sowie weiter vorteilhafterweise nur bei unterhalb einem Schwellwert liegenden Saugrohrdruck ps_ist, die Berechnungen permanent und iterativ ab, so dass der Massenstrom ms_BP, der durch die Absaugleitung 32 in das Saugrohr 14 einströmt, ständig und aktuell zur Verfügung steht. Die Werte von ABPn und ABPv werden wird jeweils nicht flüchtig gespeichert, so dass sie bei Unterbrechung der Berechnung festgehalten werden und dann als Startwert zur Verfügung stehen, sobald die Berechnung wieder aktiviert wird.
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Anstelle des Mehrgrößenreglers kann ein üblicher rekursiver Parameterschätzalgorithmus eingesetzt werden. In beiden Fällen muss auf eine ausreichende Anregung des Prozesses geachtet werden.
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Im Folgenden werden die Funktionen des Bypassleckagemodells BPM und des Saugrohrbehältermodells SBM anhand der 3 und 4 erläutert:
- Gemäß 3 wird in dem Bypassleckagemodell BPM zunächst aus dem Saugrohr Ist-Druck ps_ist ein Druck p_BPV in der Absperreinrichtung 26 zwischen den Absperrventilen 28 und 30 bzw. in der Absaugleitung 32 errechnet, der in erster Näherung gleich dem Saugrohrdruck ps_ist sein kann. Alternativ kann als Ausgangsgröße auch mit dem berechneten Saugrohrdruck ps_b gearbeitet werden. Der Leckagemassenstrom setzt sich aus dem Leckagestrom durch das Absperrventil 28 und dem Leckagestrom durch das Absperrventil 30 zusammen. Aus dem Druck p_BPV und dem Druck p_vBPV wird anhand eines vom Druckverhältnis p_BPV zu p_vBPV abhängigen, in einer Tabelle (KLAF) gespeicherten Zusammenhangs ein Durchflussbeiwert berechnet, der mit dem Leckagequerschnitt ABPv multipliziert wird. Aus dem Produkt wird unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperatur strömungsoberhalb der Absperreinrichtung T_vBPV und dem Druck vor der Absperreinrichtung p_vBPV der im jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine rückgeführte Leckagemassenstrom ms_vBP berechnet.
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Die Berechnung des Leckagemassenstroms durch das Absperrventil 30 ms_nBP erfolgt analog mit den Größen p_nBPV, t_nBPV und ABPn.
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In dem Saugrohrbehältermodell SPM wird gemäß 4 aus den Einströmungen in das Saugrohr und den Ausströmungen aus dem Saugrohr der resultierende Massenstrom bzw. die zeitliche Änderung der in dem Saugrohr 14 befindlichen Masse dms berechnet. Aus der allgemeinen Gasgleichung p × V = m × R × T und den saugrohrspezifischen Werten V und T wird die jeweilige Druckänderung dps berechnet und aus deren Integration wird der berechnete Druck ps_b ermittelt.
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Mit dem vorbeschriebenen Verfahren, das in den anhand der Blockdiagramme erläuterten Schaltungen abläuft, kann der jeweilige durch die Absaugleitung 32 in das Saugrohr 14 strömende Leckagemassenstrom ms_BP berechnet werden und steht somit für eine genaue Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine zur Verfügung. Unter anderem ergeben sich dadurch folgende Vorteile:
- - Die Betriebparameter der Brennkraftmaschine, wie Zündwinkel, Phasenverstellung der Nockenwelle, Zumessung der Kraftstoffmasse usw. können genau an den jeweiligen Leckagemassenstrom angepasst werden. Der Motor kann dadurch in verbrauchsgünstigeren Betriebspunkten betrieben werden.
- - Der Einfluss des Leckagemassenstroms auf das abgegebene Drehmoment kann bei der Momentensteuerung berücksichtigt werden, wodurch die Fahrbarkeit verbessert wird.
- - Die in dem rückgeführten Leckagemassenstrom enthaltene Frischgasmasse kann berechnet und in der Füllungsvorsteuerung und -erfassung berücksichtigt werden.
- - Die Kraftstoffzumessung erfolgt bezogen auf die gesamte Frischgasfüllung und ist dadurch genau.
- - Es können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, falls in einem Betriebspunkt die infolge des Leckagemassenstroms erreichte Abgasrückführrate überschritten wird, indem beispielsweise die Betriebsart gewechselt wird oder der Leckagestrom mittels eines in der Rückführ- bzw. Absaugleitung 32 eingebauten Ventils begrenzt wird.
- - Eine unzulässige Undichtigkeit in der Absperreinrichtung kann diagnostiziert werden und es können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, indem beispielsweise die Absaugleitung 32 gesperrt wird oder ein Eintrag in einen Fehlerspeicher erfolgt.
- - Zusätzliche teure Sensorik, wie zum Beispiel eine Durchflussmessung in der Absaugleitung usw. ist nicht erforderlich.
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Die beispielhaft erläuterte Erfindung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise muss der Katalysator 22 nicht zwingend ein NOx-Speicherkatalysator sein, sondern kann jedwelche andere Abgasreinigungseinrichtung oder Abgasanlagenkomponente (z.B. Abgaskühler) sein, die von einer Bypassleitung umgangen wird. Die Erfindung ist an weitgehend allen Motoren einsetzbar, in deren Saugrohr ein Unterdruck erzeugbar ist, der dazu führt, dass aus einem Leck in der Absperreinrichtung der Bypassleitung eine Leckageströmung in das Saugrohr strömt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Frischluftleitung
- 12
- Drosselklappenteil
- 14
- Saugrohr
- 16
- Brennkraftmaschine
- 18
- Auslasskrümmer
- 20
- Vorkatalysator
- 22
- NOx-Speicherkatalysator
- 24
- Bypassleitung
- 26
- Absperreinrichtung
- 28
- Absperrventil
- 30
- Absperrventil
- 32
- Absaugleitung
- 40
- Sensor
- 42
- Drucksensor
- 44
- Drucksensor
- 46
- Temperatursensor
- 47
- Drucksensor
- 48
- Temperatursensor
- 50
- Subtrahierglied
- R
- Regler
- BPM
- Bypassleckagemodell
- SBM
- Saugrohrbehältermodell
