DE102009003018B4

DE102009003018B4 - Verfahren zum Einstellen der Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem sowie Abgasrückführsystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009003018B4
Application number: DE102009003018.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Winge Vigild; Charles Tumelaire; Evangelos Karvounis; Daniel Roettger
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: DE102009003018A1

Abstract

Verfahren zum Regeln einer Abgasrückführrate (AGR_Rück)) in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors, in dem ein Ermitteln des Anteils (F_MAN) an verbrannter Masse im Ansaugplenum, ein Ermitteln einer Stellgröße auf der Basis des ermittelten Anteils (F_MAN) und ein Ausgeben der Stellgröße zum Einstellen der Abgasrückführrate (AGR_Rück)) mittels eines Stellgliedes erfolgt, wobei die Sauerstoffkonzentration und/oder die Kohlendioxidkonzentration im Abgas gemessen wird bzw. werden und der Anteil (F_MAN) an verbrannter Masse im Ansaugplenum auf der Basis der Abgasrückführrate und der Sauerstoffkonzentration im Abgas oder auf der Basis der Abgasrückführrate und der Kohlendioxidkonzentration im Abgas oder auf der Basis der Abgasrückführrate und der Luftzahl (λ_EXH) im Abgas ermittelt wird, wobei die Luftzahl (λ_EXH) im Abgas anhand der gemessenen Sauerstoffkonzentration im Abgas und/oder der gemessenen Kohlendioxidkonzentration im Abgas ermittelt wird, wobei die Abgasrückführrate (AGR_Rück)) anhand eines Modells abgeschätzt wird, und wobei in das Modell zum Abschätzen der Abgasrückführrate (AGR_Rück)) der Druck, die Temperatur und der Frischluftmassenstrom der zugeführten Frischluft eingehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für ein Kraftfahrzeug, ein mit einem Abgasrückführsystem ausgestattetes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Einstellen der Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem.
In einem Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor findet eine Rückführung eines Teils des durch den Abgaskrümmer strömenden Abgasmassenstroms in das Ansaugplenum des Motors statt. Im oder vor dem Ansaugplenum erfolgt eine Vermischung des rückgeführten Abgases mit Frischluft. Die Abgasrückführrate, d. h. der Anteil des Abgasmassenflusses am Gesamtfluß des dem Ansaugplenum zugeführten Abgas-Frischluft-Gemisches, wird mittels einem oder mehrerer Ventile und ggf. auch mittels der Turbinengeometrie eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie eingestellt. Die Entnahme des Abgases aus der Auspuffanlage erfolgt bei Fahrzeugen mit Turboladern häufig stromaufwärts zum Turbinenteil des Turboladers.
Ein Ziel, welches mit Abgasrückführsystemen erreicht werden soll, ist es, den Schadstoffausstoß von Motoren zu verringern. Dazu werden geeignete Steuerungen für das Abgasrückführsystem notwendig. Ein Abgasrückführsystem, in welchem die Abgasrückführrate auf der Basis des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors eingestellt wird, ist in US 5 927 075 A beschrieben.
Zur weiteren Verbesserung des Verhaltens von Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführung hinsichtlich ihres Schadstoffausstoßes ist in DE 101 30 471 A1 ein Abgasrückführsystem beschrieben, in welchem eine druckabhängige Regelung der Abgasrückführrate stattfindet.
Obwohl mit den Abgasrückführsystemen nach Stand der Technik bereits Fortschritte beim Verringern der Schadstoffemissionen erzielt werden konnten, besteht weiterer Verbesserungsbedarf. So kann es bei den Abgasrückführsystemen nach Stand der Technik beispielsweise zu einem stark pulsierenden Fluß der Abgasrückführung kommen. Das starke Pulsieren führt dabei zu einer schlechteren Qualität der Vermischung von Abgas und Frischluft und damit zu einem nicht optimalen Verhalten hinsichtlich des Schadstoffausstoßes.
Außerdem ist in Abgasrückführsystem nach Stand der Technik das Messen des Massenflusses des rückgeführten Abgases schwierig.
Eine starke Wechselwirkung zwischen der Dynamik der Abgasrückführung und der Dynamik des Ladedrucks im Abgasturbolader führt zu Schwierigkeiten beim Anwenden konventioneller dezentralisierter Regelungsalgorithmen zum Regeln des Abgasmassenstroms bzw. des Ladedruckes.
Schließlich hängt die Temperatur im Ansaugplenum vom Ladedruck und dem Abgasmassenfluß ab und ist somit nicht unabhängig von diesen beiden Parametern einzustellen.
DE 10 2005 013 977 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Mischungsverhältnisses von Abgas zu Frischluft in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors, in dem bzw. in der mittels eines im Ansaugplenum angeordneten Gaskonzentrationssensors eine Messung der Gaszusammensetzung des im Ansaugplenum befindlichen Gases erfolgt und anhand der gemessenen Gaszusammensetzung eine Regelung des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum erfolgt.
Die US 2006 / 0069494 A1 beschreibt ein Steuersystem für eine Abgasrückführung, in dem das Öffnen eines Abgasrückführventils gesteuert wird. Im Rahmen der Steuerung erfolgt eine Vorhersage der Sauerstoffkonzentration im Abgas, wobei in die Vorhersage der Massenfluss der Ansaugluft, die Drehzahl des Motors, die Menge an eingespritztem Kraftstoff und der Massenfluss an rückgeführtem Abgas eingehen. Zusätzlich kann ein Sauerstoffsensor im Abgasrückführkanal vorhanden sein, um die Sauerstoffkonzentration im rückgeführten Abgas zu messen. Auf der Basis der gemessenen Sauerstoffkonzentration erfolgt dann eine Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit.
Die US 2008 / 0046128 A1 beschreibt ein Steuersystem zum Steuern eines Verbrennungsmotors, wobei der Sauerstoffgehalt in den Zylindern berechnet und beim Ermitteln eines Einspritzparameters verwendet wird.
Die EP 1 705 354 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Inertgasanteil im Ansaugplenum berechnet wird, der dann zur Steuerung von Einspritzung und Zündung verwendet wird.
Gegenüber dem zitierten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Regeln einer Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Abgasrückführsystem für Kraftfahrzeuge zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere keinen Gaskonzentrationssensor im Ansaugplenum benötigt.
Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Kraftfahrzeug mit Abgasrückführsystem zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird nach Anspruch 1 durch ein Verfahren zum Regeln einer Abgasrückführrate t in einem Abgasrückführsystem gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Abgasrückführsystem nach Anspruch 3 und die dritte Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 gelöst. Die Abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regeln einer Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors erfolgt ein Ermitteln des Anteils an verbrannter Masse im Ansaugplenum, ein Ermitteln einer Stellgröße auf der Basis des ermittelten Anteils und ein Ausgeben der Stellgröße zum Einstellen der Abgasrückführrate mittels eines Stellgliedes. Die Sauerstoffkonzentration und/oder die Kohlendioxidkonzentration im Abgas wird bzw. werden gemessen, und der Anteil an verbrannter Masse im Ansaugplenum wird auf der Basis der Abgasrückführrate und der Sauerstoffkonzentration im Abgas oder der Basis der Abgasrückführrate und der Kohlendioxidkonzentration im Abgas oder auf der Basis der Abgasrückführrate und der Luftzahl im Abgas ermittelt, wobei die Luftzahl im Abgas anhand der gemessenen Sauerstoffkonzentration im Abgas und/oder der gemessenen Kohlendioxidkonzentration im Abgas ermittelt wir.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln der Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors ermöglicht das Abschätzen des Anteils an verbrannter Masse im Ansaugplenum ohne dass ein Messen der Gaszusammensetzung im Ansaugplenum zu erfolgen braucht, wie dies in DE 10 2005 013 977 A1 der Fall ist.
Die Abgasrückführrate wird anhand eines Modells geschätzt. In das Modell zum Abschätzen der Abgasrückführrate können insbesondere der Druck, die Temperatur und der Frischluftmassenstrom der zugeführten Frischluft eingehen..
Ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor, welcher ein Ansaugplenum, eine Abgasanlage und eine mit dem Ansaugplenum verbundenen Frischluftzufuhr umfasst, ist ausgestattet mit

- einer mit der Frischluftzufuhr verbundenen Abgasrückführleitung,
- einem in der Abgasanlage angeordneten Gaskonzentrationssensor, der dazu ausgestaltet ist, die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanlage zu ermitteln und eine die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanlage repräsentierende Konzentrationsgröße an das Übertragungsglied auszugeben,
- einem mit dem Gaskonzentrationssensor zum Empfang der Konzentrationsgröße verbundenen Übertragungsglied, welches zum Ausgeben einer Stellgröße zum Regeln einer Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem ausgebildet ist,
- einem mit dem Übertragungsglied verbundenen Stellglied zum Einstellen des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum auf der Basis der empfangenen Stellgröße, und
- einer Vorrichtung zum Ermitteln der Abgasrückführrate.

Das Übertragungsglied ist dazu ausgestaltet, aus der empfangenen Konzentrationsgröße und der Abgasrückführrate den Anteil an verbrannter Masse im Ansaugplenum zu ermitteln und die Stellgröße aus dem Anteil FMAN an verbrannter Masse im Ansaugplenum abzuleiten.
Damit stellt die Erfindung ein Abgasrückführsystem zur Verfügung, mit dem sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen läßt, also in dem ein Messen der Gaszusammensetzung im Ansaugplenum nicht zu erfolgen braucht. Ein Gaskonzentrationssensor im Ansaugplenum ist daher im erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem überflüssig.
In dem erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem ist die Vorrichtung zum Ermitteln der Abgasrückführrate vorzugsweise in das Übertragungsglied integriert, sie kann jedoch auch als selbständige Einheit ausgebildet sein.
In dem erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems sind in der Frischluftzufuhr ein Temperatursensor, ein Drucksensor und ein Massenstromsensor angeordnet. Der Temperatursensor ist zum Ermitteln der Frischlufttemperatur und zum Ausgeben einer die Frischlufttemperatur repräsentierenden Temperaturgröße ausgebildet, der Drucksensor zum Ermitteln des Frischluftdrucks und zum Ausgeben einer den Frischluftdruck repräsentierenden Druckgröße. Der Massenstromsensor ist dazu ausgebildet, den Frischluftmassenstrom zu ermitteln und eine Massenstromgröße auszugeben. Die Vorrichtung zum Ermitteln der Abgasrückführrate ist in dieser Ausgestaltung zum Empfang der Temperaturgröße mit dem Temperatursensor, zum Empfang der Druckgröße mit dem Drucksensor und zum Empfang der Massenstromgröße mit dem Massenstromsensor verbunden. Außerdem ist sie dazu ausgestaltet, die Abgasrückführrate aus der empfangenen Temperaturgröße, der empfangenen Druckgröße, und der empfangenen Massenstromgröße zu ermitteln. Dies ermöglicht das ermitteln der Abgasrückführrate aus in der Regel im Rahmen der Motorsteuerung sowieso gemessenen Größen. Alternativ zum modellieren der Abgasrückführrate ist auch ein direktes Messen der Abgasrückführrate möglich.
Zum Einstellen der Abgasrückführrate können ein Turbolader mit veränderter Turbinengeometrie und/oder ein Abgasrückführventil in der Abgasrückführleitung und/oder ein Drosselventil in der Frischluftzufuhrleitung dienen. Entsprechend ist das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem in einer Ausgestaltung der Erfindung mit einem Abgasrückführventil in der Abgasrückführleitung und einem Stellglied zu Beeinflussen der Ventilstellung des Abgasrückführventils ausgestattet. Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem mit einem Turbolader mit veränderbarer Turbinengeometrie und einem Stellglied zum Beeinflussen der Turbinengeometrie ausgestattet sein. Als weitere Alternative oder weiter zusätzlich kann das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem ein Drosselventil in der Frischluftzufuhrleitung sowie ein Stellglied zum Beeinflussen der Ventilstellung des Drosselventils aufweisen.
Die Erfindung eignet sich zum Einsatz in Abgasrückführsystemen mit Hochdruck-Abgasrückführleitung sowie in Systemen mit Niederdruck-Abgasrückführleitung. Selbstverständlich kann die Erfindung auch in Abgasrückführsystemen Verwendung finden, die sowohl mit einer Hochdruck-Abgasrückführleitung als auch mit einer Niederdruck-Abgasrückführleitung ausgestattet sind.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfaßt einen Verbrennungsmotor, welcher ein Ansaugplenum, eine Abgasanlage und eine mit dem Ansaugplenum verbundene Frischluftzufuhrleitung umfaßt, sowie ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

1 zeigt ein Abgasrückführsystem nach Stand der Technik.
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem, welches sowohl eine Hochdruck-Abgasrückführleitung als auch eine Niederdruck-Abgasrückführleitung umfaßt.

Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, erfolgt zuerst mit Bezug auf 1 eine Beschreibung eines Abgasrückführsystems (AGR-Systems) nach Stand der Technik. 1 ist dabei lediglich eine schematische Darstellung, in der keine Rücksicht auf die realen Abmessungen oder die reale Geometrie des Systems genommen worden ist.
Das AGR-System nach Stand der Technik umfaßt eine Abgasanlage 10 und eine Frischluftzufuhr 30. Die Abgasanlage 10 dient zum Abführen der im Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) entstehenden Abgase über einen Auspuff 12 ins Freie. In der Abgasanlage sind vom Motor ausgehend in Strömungsrichtung zum Auspuff der Abgaskrümmer 14, der Turbinenteil 15 eines Abgasturboladers, ein Abgasnachbehandlungssystem 16 sowie ein Schalldämpfer 18 angeordnet. Das in 1 dargestellte AGR-System findet in einem Fahrzeug mit einem Dieselmotor als Verbrennungsmotor Verwendung. Entsprechend umfaßt das Abgasnachbehandlungssystem 16 einen Katalysator und einen Rußfilter. AGR-Systeme, auch das noch zu beschreibende erfindungsgemäße AGR-System, können außer in Verbindung mit Dieselmotoren jedoch auch in Verbindung mit anderen Motoren zur Anwendung kommen. Denkbar sind beispielsweise auch Ottomotoren, Gasmotoren oder Hybridmotoren. In diesem Fall umfaßt das Abgasnachbehandlungssystem keinen Rußfilter.
Die Frischluftzufuhr 30 umfaßt eine Ansaugvorrichtung, die in 1 durch einen Luftfilter 32 angedeutet ist. Vom Luftfilter 32 ausgehend strömt die Frischluft zum Verbrennungsmotor (nicht dargestellt). In Strömungsrichtung sind in der Frischluftzufuhrleitung 34 der Frischluftzufuhr 30 ein Verdichter 36, ein optionaler Ladeluftkühler 38 sowie ein Drosselventil 40 angeordnet. Die Frischluftzufuhrleitung 34 mündet in ein Ansaugplenum 42, von welchem aus die Frischluft dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Der in der Frischluftzufuhrleitung 34 angeordnete Verdichter 36 ist Teil des Abgasturboladers und wird vom Turbinenteil 15 angetrieben. Er dient dazu, die angesaugte Luft auf einen höheren Druck zu verdichten. Die verdichtete Frischluft wird anschließend mittels des Ladeluftkühlers 38 gekühlt, was die thermische Belastung des Motors, die Abgastemperatur und damit die NOx-Emission sowie den Kraftstoffverbrauch günstig beeinflußt. Bei Ottomotoren erhöht die Ladeluftkühlung außerdem die Klopffestigkeit des Motors. Der dem Ansaugplenum 42 schließlich zugeführte Frischluftmassenstrom kann über das Drosselventil 40 eingestellt werden.
Im in 1 dargestellten Abgasrückführsystem ist die Abgasanlage 10 über eine Abgasrückführleitung 50 (AGR-Leitung) mit der Frischluftzufuhr 30 verbunden. Ein Teil des Abgasmassenstroms wird stromaufwärts zur Turbine 15 aus der Abgasanlage 10 abgezweigt und dem Frischluftmassenstrom in der Frischluftzufuhr 30 im Bereich zwischen dem Drosselventil 40 und dem Ansaugplenum 42 zugeführt. Der dem Frischluftmassenstrom zugeführte Abgasmassenstrom kann dabei mittels eines in unmittelbarer Nähe zum Einmündungspunkt 51 der AGR-Leitung 50 in die Frischluftzufuhr 30 angeordneten AGR-Ventils 52 eingestellt werden. Die in 1 dargestellte AGR-Leitung 50 ist eine sogenannte Hochdruck-AGR-Leitung, da der rückgeführte Abgasmassenstrom stromaufwärts zum Turbinenteil 15 abgezweigt wird. Mit anderen Worten, der rückgeführte Abgasmassenstrom wird abgezweigt, bevor der unter hohem Druck stehende Abgasmassenstrom in der Turbine 15 unter Arbeitsleistung entspannt.
Im Betrieb des AGR-Systems wird der der Frischluftzufuhr 30 zugeführte Teil des Abgasmassenstroms mit dem Frischluftmassenstrom gemischt und dem Motor zugeführt. Das Mischungsverhältnis zwischen Abgas und Frischluft wird dabei durch geeignete Einstellung des Abgasrückführventils 52, des Drosselventils 40 sowie der Turbinengeometrie bei Turboladern mit variabler Turbinengeometrie gesteuert. Die Mischung selbst findet im zwischen dem Drosselventil 40 und dem Ansaugplenum 42 gelegenen Abschnitt der Frischluftzufuhrleitung 34 statt. Im Stand der Technik werden die Stellgrößen für das Abgasrückführventil, das Drosselventil und die Geometrie der Turbinen beispielsweise auf der Basis des Betriebszustandes des Motors ermittelt, wie dies in US 5 927 075 A beschrieben ist. In DE 101 30 471 A1 findet dagegen die Steuerung des Abgasrückführsystems auf der Basis von Drücken im Abgasrückführsystem statt.
Ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem ist in 2 dargestellt. Elemente, die dem mit Bezug auf 1 beschriebene Abgasrückführsystem entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem unterscheidet sich vom in 1 dargestellten Abgasrückführsystem im Wesentlichen dadurch, dass es eine Regeleinheit 70 und eine Reihe mit der Regeleinheit 70 verbundenen Sensoren 72, 74, 75, 76 aufweist. Die Regeleinheit 70 ist zur Ausgabe von Stellsignalen mit der Turbine 15, dem Drosselventil 40 sowie einem Abgasrückführventil 54 verbunden. Das Abgasrückführventil 54 des erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist im Unterschied zu dem Abgasrückführsystem nach 1 nicht in unmittelbarer Nähe zum Einmündungspunkt 51 der AGR-Leitung 50 in die Frischluftzufuhrleitung 34, sondern in unmittelbarer Nähe zum Auspuffkrümmer 14 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung entspricht die Gaszusammensetzung im Bereich des AGR-Ventils 56 unmittelbar nach Öffnen des Ventils der Gaszusammensetzung im Abgaskrümmer 14. Dies gilt solange der Abstand zwischen dem AGR-Ventil und dem Auspuff vernachlässigt werden kann.
Der Sensor 76 mißt den Druck in der Frischluftzufuhrleitung 34 zwischen dem Drosselventil 40 und der Einmündung 51 der AGR-Leitung 50, der Sensor 72 die Temperatur im Ansaugplenum, der Sensor 74 den Frischluftmassenstrom der durch die Frischluftleitung 34 zugeführten Frischluft und der Sensor 75 die Luftzahl λ_EXH, die Sauerstoffkonzentration (02-Konzentration) und/oder die Kohlendioxidkonzentration (CO₂-Konzentration) im Abgassystem 10.
Die Regeleinheit 70 ist dazu ausgelegt, den Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum zu regeln. Die Regelung erfolgt mittels der Ausgabe der Stellgrößen an das AGR-Ventil 54, das Drosselventil 40 und die Turbinenschaufeln im Turbinenteil 15 des Abgasturboladers. Es sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, dass jedes einzelne der genannten Elemente dazu genutzt werden kann, den Inertgasmassenanteil zu regeln. Insbesondere einer Regelung alleine mit dem AGR-Ventil ist grundsätzlich möglich. Die Stellsignale für das AGR-Ventil 54, das Drosselventil 40 und die Geometrie der Turbinenschaufeln 15 berechnet die Regeleinheit 70 auf der Basis des Anteils FMAN der verbrannten Masse im Einlaßplenum und der Abgasrückführrate AGR_Rück.
Der Anteil F des bei der Verbrennung in Kohlendioxid umgesetzten Anteils des ursprünglich in der Frischluft enthaltenen Sauerstoffs in einem gegebenen Volumen, d. h. die Gaszusammensetzung in diesem Volumen, ist näherungsweise durch die Formel $F = \frac{m_{b}}{m} \approx (1 - \frac{O_{2} %}{21 %})$
gegeben, wobei m_b der bei der Verbrennung in Kohlendioxid umgesetzte Massenanteil des ursprünglich in der Frischluft enthaltenen Sauerstoffs, m die Gesamtmasse des im betrachteten Volumen befindlichen Gases und 02% der Sauerstoffanteil in diesem Volumen ist. Im Abgas ist dieser Sauerstoffanteil geringer als der 21 %ige Sauerstoffanteil in der Frischluft, da ein Teil des Sauerstoffs bereits im Verbrennungsprozeß verbraucht worden ist. Außer durch die Sauerstoffkonzentration im Volumen kann der Anteil F auch durch die Differenz des Kohlendioxidkonzentration CO2% im Volumen und der Kohlendioxidkonzentration CO₂%_Air der Frischluft gemäß der Formel $F = C O_{2} % - C O_{2} %_{A i r}$
ausgedrückt werden.
Die Sauerstoffkonzentration und die Kohlendioxidkonzentration sind direkt mit dem Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum 42 verbunden. So erhöht sich beispielsweise bei Rückführung von Abgas der Inertgasmassenanteil im Abgas-Frischluftgemisch um einen Anteil der direkt mit dem Sauerstoffanteil bzw. dem Kohlendioxidanteil im rückgeführten Abgas zusammenhängt.
Der Anteil FMAN der verbrannten Masse im Einlaßplenum bezogen auf den Anteil der verbrannten Masse im Abgaskrümmer F_EXH gibt im Wesentlichen die Abgasrückführrate AGR_Rate wieder und entspricht der Luftzahl λ_EXH im Abgaskrümmer bezogen auf die Luftzahl λ_MAN im Ansaugplenum. Die Regeleinheit 70 kann daher aus dem Anteil der verbrannten Masse im Abgaskrümmer F_EXH, d. h. aus der Luftzahl λ_EXH im Abgaskrümmer oder der Sauerstoffkonzentration und/oder Kohlendioxidkonzentration im Abgaskrümmer, und der Abgasrückführrate AGR_Rück den Anteil FMAN der verbrannten Masse im Einlaßplenum ermitteln. Die Luftzahl A gibt dabei das Verhältnis von zugeführter Luftmasse zum Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung wieder. Es gilt die Formel für stationäre Bendingungen: $A G R_{R a t e} = \frac{C O_{2} %_{M A N} - C O_{2} %_{A I R}}{C O_{2} %_{E X H} - C O_{2} %_{A I R}} \approx \frac{λ_{E X H}}{λ_{M A N}} \approx \frac{F_{M A N}}{F_{E X H}} = \frac{(1 - \frac{O_{2} %_{M A N}}{21 %})}{(1 - \frac{O_{2} %_{E X H}}{21 %})}$
Die Abgasrückführrate AGR_Rück kann eine Vorrichtung zum Ermitteln der Abgasrückführrate aus den Meßwerten der Sensoren 72, 74, 76 zur Frischlufttemperatur, zum Frischluftmassenstrom im Frischluftsystem und zum Frischluftdruck ermitteln. Die Vorrichtung zum Ermitteln der Abgasrückführrate ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Regeleinheit 70 integriert, sie kann aber grundsätzlich auch als eigenständige Einheit vorliegen, die zum Weiterleiten der ermittelten Abgasrückführrate mit der Regeleinheit verbunden ist.
Auf der Basis des Anteils FMAN der verbrannten Masse im Einlaßplenum ermittelt die Regeleinheit 70 dann wenigstens eine Stellgröße für das AGR-Ventil 54 und/oder das Drosselventil 40 und/oder die Turbine 15. Mit Hilfe der Ausgabe der Stellgrößen an das AGR-Ventil 54 und/oder das Drosselventil 40 und/oder die Turbine 15 läßt sich daher der Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum auf einen gewünschten Sollwert regeln. Die Messung der Luftzahl λ_EXH im Abgassystem 10 oder der Sauerstoffkonzentration des Abgases im Abgassystem 10 erfolgt mittels des Gaskonzentrationssensors 74.
Im Folgenden soll nun noch auf das Einstellen des Inertgasverhältnisses im Ansaugplenum mittels des AGR-Ventils 54 eingegangen werden. Die Abgasrückführleitung 50 bietet in der Regel zwischen dem AGR-Ventil und dem Einmündungspunkt 51 in die Frischluftzufuhrleitung 34 einen vernachlässigbaren Flußwiderstand. Dies hat zur Folge, dass der Massenfluß am Einmündungspunkt 51 weitgehend dem Massenfluß am AGR-Ventil 54 entspricht. Der Massenfluß am AGR-Ventil kann daher anhand der Information über die Gaszusammensetzung im Ansaugplenum 42 ermittelt werden. Alternativ ist es auch möglich, zum Ermitteln des Massenflusses durch das AGR-Ventil 54 sowohl Information über die Gaszusammensetzung FMAN im Ansaugplenum als auch über die Gaszusammensetzung F_EXH in der Abgasanlage heranzuziehen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn auch die Ventilstellung des AGR-Ventils 54 gemessen wird, um eine geeignete Kenngröße für die effektive Fläche, die für den Fluß durch das AGR-Ventil 54 zur Verfügung steht, zu erhalten. Dadurch kann die Leistung des AGR-Regelungssystems beim Übergang zwischen verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors verbessert werden. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass das Messen der Ventilstellung zwar hilfreich aber nicht notwendig ist, da die Rückkopplungsinformation, welche der ermittelte Anteil FMAN der verbrannten Masse im Einlaßplenum liefert, bereits ausreicht, um eine Regelung zu gewährleisten. Der ermittelte Anteil F_MAN reicht insbesondere aus, um eine stabile Regelung bei einem stationären Zustand des Inertgases im Ansaugplenum zu gewährleisten.
Die Gaszusammensetzung F_AGR, _valve (Anteil an verbrannter Masse) am AGR-Ventil 54 nimmt ohne wesentliche Zeitverzögerung die Gaszusammensetzung des Abgases F_EXH an, solange der Abstand zwischen dem AGR-Ventil 54 und dem Auspuff vernachlässigt werden kann. Die Gaszusammensetzung F_AGR,in an der Einmündung 51 der Abgasrückführleitung 50 in die Frischluftzufuhrleitung 34 erreicht jedoch nicht notwendigerweise ohne wesentliche Zeitverzögerung die Gaszusammensetzung F_EXH des Abgases, da erst ein Gastransport vom AGR-Ventil 54 bis zum Einmündungspunkt 51 stattfinden muß. Der Anteil an verbrannter Masse am Einmündungspunkt 51 zum Zeitpunkt t entspricht daher in der Regel dem Anteil an verbrannter Masse im Bereich des AGR-Ventils 54 zu einem Zeitpunkt t', welcher um eine Verzögerungszeit t_d früher liegt, d. h. es gilt: F_AGR,in (t) = F_AGR,valve (t - t_d). Die Verzögerungszeit t_d kann dabei mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden $t_{d} = \frac{m_{A G R, i n}}{{\dot{m}}_{A G R, v a l v e}} = \frac{V_{A G R} P_{A G R}}{R T_{A G R, m e a n}} \cdot \frac{1}{{\dot{m}}_{A G R, v a l v e}}$
wobei V_AGR das Volumen des Abgasrückführsystems, d. h. der Abgasrückführleitungen einschließlich eines eventuell vorhandenen Abgaskühlers zwischen dem AGR-Ventil und der Einmündung 51 in die Frischluftzufuhrleitung 34, m_AGR die in diesem Volumen befindliche Gasmasse bezeichnen. P_AGR, T_AGR und R bezeichnen den Druck im Abgasrückführsystem, den Mittelwert der Temperatur des rückgeführten Abgases und die Gaskonstante.
Unter Verwendung der oben dargestellten Formeln läßt sich der Fluß der verbrannten Gasmasse ṁ_b,_MAN, welcher in das Ansaugplenum erfolgt durch die folgende Gleichung modellieren: ${\dot{m}}_{b, M A N} = F_{A G R, i n} (t) \cdot {\dot{m}}_{A G R, i n} \approx F_{A G R, v a l v e} (t - t_{d}) \cdot {\dot{m}}_{A G R, m} \approx F_{A G R, v a l v e} (t - t_{d}) \cdot {\dot{m}}_{A G R, v a l v e}$
Die Änderungsrate des Anteils der verbrannten Gasmasse im Ansaugplenum, F_MAN, kann dann durch eine Differentialgleichung angenähert werden, die auf eine einfachen Füllungs- und Leerungsanalogie für die Gasaustauschprozedur im Ansaugplenum basiert, bspw. durch die Formel: $\begin{array}{l} \frac{d F_{M A N}}{d t} = \frac{d}{d t} (\frac{m_{b, M A N}}{m_{T}}) = \frac{d m_{b, M A N}}{d t} \frac{1}{m_{T}} - F_{M A N} \frac{d m_{b, M A N}}{d t} \frac{m_{T}}{m_{T}} \\ = \frac{R \cdot T_{M A N}}{P_{M A N} \cdot V_{M A N}} [(F_{A G R} - F_{M A N}) \cdot {\dot{m}}_{A G R} - F_{M A N} \cdot {\dot{m}}_{A I R}] \\ \approx \frac{R \cdot T_{M A N}}{P_{M A N} \cdot V_{M A N}} [(F_{E X H} (t - t_{d}) - F_{M A N} (t)) \cdot {\dot{m}}_{A G R, v a l v e} (t) - F_{M A N} (t) \cdot {\dot{m}}_{A I R} (t)] \end{array}$
Hierbei bezeichnet m_b,MAN und m_T die verbrannte Gasmasse m Ansaugplenum und die Gesamtgasmasse im Ansaugplenum.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem ist in 3 dargestellt. Das Abgasrückführsystem in 3 unterscheidet sich vom Abgasrückführsystem in 2 lediglich dadurch, dass zusätzliche zur Hochdruck-Abgasrückführleitung 50 noch eine Niederdruck-Abgasrückführleitung 80 vorhanden ist. In der Niederdruck-Abgasrückführung 80 wird ein Teil des Abgasmassenstroms stromabwärts vom Abgasnachbehandlungssystem 16 abgezweigt und der Frischluftzufuhr 30 stromaufwärts zum Verdichter 36 zugeführt. In unmittelbarer Nähe zum Einmündungspunkt 81 der Niederdruck-Abgasrückführleitung 80 in die Frischluftzufuhr 30 ist ein Abgasrückführventil 82 angeordnet, mit dem sich einstellen läßt, wie viel Abgas der Frischluftzufuhr 30 über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 80 zugeführt wird. Das Abgasrückführventil 80 ist wie das Abgasrückführventil 54 der Hochdruck-Abgasrückführleitung 50 zum Empfang eines Stellsignals mit der Regeleinheit 70 verbunden.

Claims

Verfahren zum Regeln einer Abgasrückführrate (AGR_Rück)) in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors, in dem ein Ermitteln des Anteils (F_MAN) an verbrannter Masse im Ansaugplenum, ein Ermitteln einer Stellgröße auf der Basis des ermittelten Anteils (F_MAN) und ein Ausgeben der Stellgröße zum Einstellen der Abgasrückführrate (AGR_Rück)) mittels eines Stellgliedes erfolgt, wobei die Sauerstoffkonzentration und/oder die Kohlendioxidkonzentration im Abgas gemessen wird bzw. werden und der Anteil (F_MAN) an verbrannter Masse im Ansaugplenum auf der Basis der Abgasrückführrate und der Sauerstoffkonzentration im Abgas oder auf der Basis der Abgasrückführrate und der Kohlendioxidkonzentration im Abgas oder auf der Basis der Abgasrückführrate und der Luftzahl (λ_EXH) im Abgas ermittelt wird, wobei die Luftzahl (λ_EXH) im Abgas anhand der gemessenen Sauerstoffkonzentration im Abgas und/oder der gemessenen Kohlendioxidkonzentration im Abgas ermittelt wird, wobei die Abgasrückführrate (AGR_Rück)) anhand eines Modells abgeschätzt wird, und wobei in das Modell zum Abschätzen der Abgasrückführrate (AGR_Rück)) der Druck, die Temperatur und der Frischluftmassenstrom der zugeführten Frischluft eingehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate (AGR_Rück)) gemessen wird.
Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor, welcher ein Ansaugplenum (42), eine Abgasanlage (10) und eine mit dem Ansaugplenum (42) verbundenen Frischluftzufuhr (30) umfasst, mit - einer mit der Frischluftzufuhr (30) verbundenen Abgasrückführleitung (50), - einem in der Abgasanlage (10) angeordneten Sensor (75), der dazu ausgestaltet ist, die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanlage (10) zu ermitteln und eine die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanlage (10) repräsentierende Konzentrationsgröße an das Übertragungsglied (70) auszugeben, - einem mit dem Sensor (75) zum Empfang der Konzentrationsgröße verbundenen Übertragungsglied (70), welches zum Ausgeben einer Stellgröße zum Regeln des Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem ausgebildet ist, und - einem mit dem Übertragungsglied (70) verbundenen Stellglied zum Einstellen des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum (42) auf der Basis der empfangenen Stellgröße, wobei - eine Vorrichtung (70) zum Ermitteln der Abgasrückführrate vorhanden ist und - das Übertragungsglied (70) dazu ausgestaltet ist, aus der empfangenen Konzentrationsgröße und der Abgasrückführrate den Anteil (F_MAN) an verbrannter Masse im Ansaugplenum zu ermitteln und die Stellgröße aus dem Anteil (F_MAN) an verbrannter Masse im Ansaugplenum abzuleiten, wobei - in der Frischluftzufuhr (30) ein Temperatursensor (72) angeordnet ist, der zum Ermitteln der Frischlufttemperatur und zum Ausgeben einer die Frischlufttemperatur repräsentierenden Temperaturgröße ausgebildet ist, - in der Frischluftzufuhr (30) ein Drucksensor (76) angeordnet ist, der zum Ermitteln des Frischluftdrucks und zum Ausgeben einer den Frischluftdruck repräsentierenden Druckgröße ausgebildet ist, - in der in der Frischluftzufuhr (30) ein Massenstromsensor (74) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, den Frischluftmassenstrom zu ermitteln und eine Massenstromgröße auszugeben, - die Vorrichtung zum Ermitteln der Abgasrückführrate zum Empfang der Temperaturgröße mit dem Temperatursensor (72), zum Empfang der Druckgröße mit dem Drucksensor (76) und zum Empfang der Massenstromgröße mit dem Massenstromsensor (74) verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, die Abgasrückführrate aus der empfangenen Temperaturgröße, der empfangenen Druckgröße, und der empfangenen Massenstromgröße zu ermitteln.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (70) eine Regeleinheit ist.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführventil (54) in der Abgasrückführleitung und ein Stellglied zum Beeinflussen der Ventilstellung des Abgasrückführventils (54) vorhanden sind.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zum Ermitteln der Ventilstellung des Abgasrückführventils (54) vorhanden ist.
Abgasrückführsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbolader (15, 16) mit veränderbarer Turbinengeometrie und ein Stellglied zum Beeinflussen der Turbinengeometrie vorhanden sind.
Abgasrückführsystem nach einem der Ansprühe 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drosselventil (40) in der Frischluftzufuhrleitung (34) und ein Stellglied zum Beeinflussen der Ventilstellung des Drosselventils (40) vorhanden sind.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, welcher eine Frischluftzufuhr (30), eine Abgasanlage (10) und ein Abgasrückführsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8 umfasst.