DE102009028617B4 - Verfahren und Steuergerät zur Berechnung des bankspezifischen Abgasmassenstroms bei mehrflutig ausgeführten Abgasanlagen aufgeladener Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Abgasmassenstroms in einer Abgasleitung (26a, 26b) eines zwei Gruppen von Zylindern (3) aufweisenden Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs, mit jeweils einem Turbolader (7a, 7b) für jede Gruppe, wobei jeder Turbolader (7a, 7b) frischluftseitig einen Kompressor (9a, 9b) und abgasseitig eine Turbine (11a, 11b) aufweist und die die Frischluft führenden Luftleitungen (13a, 13b, 20a, 20b) von den Kompressoren (9a, 9b) zu den zugehörigen Einlassventilen der Zylinder (3) einen gemeinsamen Abschnitt (22) aufweisen, wohingegen die die Abgase führenden Abgasleitungen (26a, 26b) der zwei Gruppen keinen gemeinsamen Abschnitt (22) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom in der zu einem der Turbolader zugehörigen Abgasleitung in Abhängigkeit von einem vor dem Kompressor (9a, 9b) dieses Turboladers mittels eines Sensors (15a, 15b) gemessenen Frischluftmassenstrom Im,Kom, der vor diesem Kompressor (9a, 9b) mittels eines Sensors (35) gemessenen Frischlufttemperatur T1, der nach diesem Kompressor mittels eines Sensors (37) gemessenen Frischlufttemperatur T2, der vor der Turbine (11a, 11b) dieses Turboladers mittels eines Sensors (39) gemessenen Abgastemperatur T3, der spezifischen Wärmekapazität cp,Komder diesen Kompressor (9a, 9b) durchströmenden Frischluft, der spezifischen Wärmekapazität cp,Turbdes diese Turbine (11a, 11b) durchströmenden Abgases, der mittels eines Sensors (40) gemessenen Drehzahl n dieses Turboladers (11a, 11b), des vor dieser Turbine (11a, 11b) mittels eines Sensors (41) gemessenen Gasdrucks p3und des nach dieser Turbine (11a, 11b) mittels eines Sensors (42) gemessenen Gasdrucks p4, des maximalen Wirkungsgrads ηTurb,Maxder Turbine dieses Turboladers (7a, 7b), des Außenradius rTurbeiner Turbinenschaufel dieses Turboladers (7a, 7b), des optimalen Verhältnisses c̃us,optaus der Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufel dieses Turboladers (7a, 7b) und einer bei einer isentropen Expansion auftretenden Gasgeschwindigkeit sowie des Adiabatenexponenten K ermittelt wird.

Description

• Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Der in den Oberbegriffen genannte Verbrennungsmotor weist insbesondere zwei Gruppen von Zylindern mit jeweils einem Turbolader für jede Gruppe auf, wobei Luftleitungen, die über die Turbolader strömende Frischluft zu den Einlassventilen der Zylinder der beiden Gruppen von Zylindern führen, einen gemeinsamen Abschnitt aufweisen, wohingegen die die Abgase führenden Abgasleitungen der zwei Gruppen keinen gemeinsamen Abschnitt aufweisen. Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist bereits per se bekannt.
• Aus der Druckschrift WO 2007/145372 A1 ist ferner ein Verbrennungsmotor mit sechs V-förmig in zwei Gruppen angeordneten Zylindern und zwei den Gruppen jeweils zugeordneten Turboladern bekannt. Der Verbrennungsmotor wird von zwei Frischluftleitungen, die jeweils mit einem Kompressor des Turboladers verbunden sind, mit Frischluft versorgt. Die Frischluftleitungen vereinen sich nach den Kompressoren unmittelbar vor den beiden Zylinderbänken zu einem gemeinsamen Ansaugbereich. Abgasseitig strömen die Abgase von den Zylinderbänken in je eine Abgasleitung, die die Abgase über eine Turbine des Turboladers in den Bereich der Abgasnachbehandlung leitet. Typische Beispiele von Komponenten von Abgasnachbehandlungsystemen sind Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter und Vorrichtungen zur Verringerung der Stickoxidemissionen durch selektive katalytische Reaktionen (SCR-Systeme) und/oder Stickoxidspeicherkatalysatoren.
• Die Kenntnis des Abgasmassenstroms ist für einen optimalen Betrieb einer Abgasnachbehandlungskomponente und damit auch auch für einen optimalen Betrieb des gesamten Abgasnachbehandlungssystems hilfreich.
• Im Stand der Technik ist außerdem ein Verfahren zum Betrieb von mehrflutig ausgeführten Abgasnachbehandlungseinrichtungen bekannt, die auf massenstrombezogenen Größen basieren. Diese Größen werden mit Hilfe einer mittleren Molmasse des Abgasmassenstroms oder einer Schätzung für die spezifische Gaskonstante des Abgases unter Verwendung von Modellen nährungsweise bestimmt. Hierzu greifen bestimmte Funktionen des zugehörigen Motorsteuergeräts auf die bekannten Stoffdaten der Luft zurück. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die mittlere Molmasse des Abgasmassenstroms sowohl von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ der motorischen Kraftstoffverbrennung als auch von der im Allgemeinen unbekannten Luftfeuchtigkeit der zugeführten Frischluft abhängt. Dadurch werden die Schätzungen des Abgasmassenstroms aufwändig und ungenau.
• Bei dem eingangs genannten, per se bekannten Verfahren werden die Abhängigkeiten der Abgasmassenströme von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors in den jeweils getrennt verlaufenden Abgasleitungen für eine Motorbaureihe auf einem Prüfstand ermittelt. Die ermittelten Werte der betriebspunktindividuellen Teilabgasmassenströme werden in den zugehörigen Steuergeräten weiterer Motoren der Baureihe als Kennfelder abgelegt. Der gesamte Abgasmassenstrom ergibt sich zum Beispiel als Funktion der Summe der gemessenen Frischluftströme und des zugehörigen Kraftstoffmassenstroms. In einem bestimmten Betriebspunkt ergibt sich dann zum Beispiel auf dem Prüfstand, dass 48 % des gesammten Abgasmassenstroms über die Abgasleitung der ersten Gruppe und 52 % über die Abgasleitung der zweiten Gruppe von Zylindern abfließen. In anderen Kennfeldpunkten ergeben sich entsprechend andere Werte. Während des Betriebs individueller Motoren der Motorbaureihe kann es jedoch zu Abweichungen des tatsächlichen Abgasmassenstroms von den abgelegten Kennfeldwerten kommen, insbesondere aufgrund von Fertigungstoleranzen und daraus resultierender Asymmetrien der Turbolader. Diese Abweichungen bilden sich in Ungenauigkeiten des ermittelten Abgasmassenstroms ab, was die Abgasnachbehandlung ineffizient werden lässt.
• Die DE 10 2006 018 594 A1 zeigt ferner ein Brennkraftmaschinensystem mit einem Saugrohr, einer Verbrennungskammer, einem Auspuffkrümmer und einer Abgasrückführungs-Vorrichtung für die Rückführung eines Teils der Abgase von dem Auspuffkrümmer zu dem Saugrohr. Aus der Luftfraktion in dem Saugrohr, die von einem Maschinensystemmodell bestimmt wird, das wechselweise voneinander abhängige Luftmassenfraktionen an verschiedenen Orten in dem Maschinensystem liefert, wird eine geschätzte Saugrohr-Sauerstoffkonzentration bestimmt.
• Ausgehend von den eingangs genannten, per se bekannten Gegenständen liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, den Abgasmassenstrom in einer einzelnen Abgasleitung eines Verbrennungsmotors der eingangs genannten Art auf einfache und wirtschaftliche Weise möglichst exakt zu bestimmen.
• Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Der Abgasmassenstrom wird dabei aus dem angesaugten Frischluftmassenstrom, den gemessenen Temperaturwerten und Gasdruckwerten, der gemessenen Turboladerdrehzahl, der Umfangsgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel des Turboladers, dem maximalen Wirkungsgrad der Turbine, dem Verhältnis aus der Geschwindigkeit der Turbinenschaufeln am Rand der Turbine, einem Adiabatenexponenten K und der Gasgeschwindigkeit aufgrund einer isentropen Expansion sowie den spezifischen Wärmekapazitäten der Frischluft und des Abgases, die sich beispielsweise aus ohnehin in dem verwendeten Motorsteuergerät abgelegten Kennfeldern ergeben, ermittelt.
• Dadurch kann in jeder Abgasleitung eine an den jeweiligen Abgasmassenstrom genau angepasste Abgasnachbehandlung erfolgen. Somit kann das Abgasnachbehandlungssystem optimal betrieben werden. Die gesetzlichen Auflagen zu entsprechenden Fahrzyklen werden erfüllt, die Lebensdauer der eingesetzten Katalysatoren wird erhöht und die Fehlerdiagnose bei fehlerhafter Funktion des Abgasnachbehandlungssystems wird vereinfacht.
• Die Erfindung basiert damit auf der Erkenntnis, dass sich die zunächst unbekannte und von Betriebspunkt zu Betriebspunkt variierende Aufteilung des gesamten Abgasmassenstroms auf die Teil-Abgasmassenströme in den einzelnen Abgasleitungen der beiden Zylindergruppen in den genannten Betriebsparametern abbildet und sich umgekehrt auch aus diesen Betriebsparametern ermitteln lässt. Die Erfindung erlaubt daher eine zylindergruppenindividuelle und damit abgasleitungsindividuelle Bestimmung der jeweiligen Abgasmassenströme in Abhängigkeit von beim normalen Fahrzeugbetrieb erfassten Größen in Verbindung mit im Steuergerät mit Hilfe von bestimmbaren Stoffwerten.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der vor dem Kompressor gemessene Frischluftmassenstrom I_m,Kom mittels eines Luftmassensensors ermittelt wird.
• Die Messung der ansaugseitigen Frischluftmasse ist maßgebend für die Reduzierung des Schadstoffausstoßes und die Erhöhung des Fahrkomforts. Moderne Otto-Motoren erfassen den angesaugten Luftmassenstrom mit Hilfe von Luftmassensensoren, insbesondere um auf Grundlage des ausgegebenen Signals die einzuspritzende Kraftstoffmenge und die Abgasrückführrate zu ermitteln. Ein ansaugseitiger Luftmassenstromsensor ist also bei Otto-Motoren zumeist ohnehin schon vorhanden. Bei modernen Dieselmotoren wird ein Luftmassensensor standardmäßig eingesetzt, wobei das Signal als Regelgröße für die Abgasrückführung und als Steuergröße für eine Kennfeld-abhängige Dieseleinspritzpumpe dienen kann. Somit ist beim modernen Dieselmotor ein Luftmassensensor zur Erfassung des Frischluftmassenstroms vor einem Kompressor ohnehin stets vorhanden, wodurch eine zusätzliche Kosten verursachende Verwendung eines zusätzlichen Sensors entfällt.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Ermittlung des Abgasmassenstroms der Wirkungsgrad η_Turb der Turbine gemäß nachfolgender Formel ermittelt wird: $${\eta }_{Turb}={\eta }_{Turb,Max}\cdot \left[\frac{2\cdot r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}-{\left(\frac{r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}\right)}^2\right]$$

  

  wobei T₃ die vor der Turbine gemessene Abgastemperatur, p₃ der vor der Turbine gemessene Gasdruck, p₄ der nach der Turbine gemessene Gasdruck, n_Turb die gemessene Drehzahl des Turboladers, η_Turb,Max der maximale Wirkungsgrad des Turboladers, r_Turb der Außenradius einer Turbinenschaufel des Turboladers, c̃ _us,opt das optimale Verhältnis aus Umfangsgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel des Turboladers und einer theoretisch möglichen Gasgeschwindigkeit aufgrund einer isentropen Expansion und K der Adiabatenexponent ist. Der ermittelte Wert des Wirkungsgrads der Turbine kann als Steuergröße auch noch zu anderen Zwecken als zur Bestimmung des Abgasmassenstroms genutzt werden, bspw. für einen optimalen Betrieb eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Abgasmassenstrom nach folgender Formel ermittelt wird: $$I_{m,Turb}=\frac{I_{m,Kom}\cdot c_{p,Kom}\cdot \left(T_2-T_1\right)}{{\eta }_{Turb,Max}\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]\cdot H}$$

  

  mit $$H=\left[\frac{2\cdot r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}-{\left(\frac{r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}\right)}^2\right]$$

  

  wobei I_m,Kom der vor einem Kompressor gemessene Frischluftmassenstrom, c_p,Kom die spezifische Wärmekapazität der den Kompressor durchströmenden Frischluft, T₂ die nach dem Kompressor gemessene Frischlufttemperatur, T₁ die vor dem Kompressor gemessene Frischlufttemperatur, c_p,Turb die spezifische Wärmekapazität des die Turbine durchströmenden Abgases, T₃ die vor der Turbine gemessene Abgastemperatur, p₃ der vor der Turbine gemessene Gasdruck, p₄ der nach der Turbine gemessene Gasdruck, n die gemessene Drehzahl des Turboladers, η_Turb,Max der maximale Wirkungsgrad der Turbine des Turboladers, r_Turb der Außenradius der Turbinenschaufel, c̃ _us,opt das optimale Verhältnis aus Umfangsgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel des Turboladers und einer theoretisch möglichen Gasgeschwindigkeit aufgrund einer isentropen Expansion und K der Adiabatenexponent ist.
• Vorteilhafterweise wird die spezifische Wärmekapazität c_p,Kom der den Kompressor durchströmenden Frischluft und/oder des die Turbine durchströmenden Abgases c_p,Turb in Abhängigkeit von Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors in einem Steuergerät berechnet. Die Berechnung einer spezifischen Wärmekapazität als Mischgröße auf Basis einer Kennlinie, die sich mit der Gaszusammensetzung ändert, führt zu genaueren Daten für die nachfolgende Berechnung des Abgasmassenstroms als eine vorgegebene Konstante.
• Offenbarung der Erfindung
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Übersicht über einen Verbrennungsmotor mit zwei Zylinderbänken, mehreren den Zylinderbänken jeweils zugeordneten Turboladern sowie mehreren zugehörigen Luft- und Abgasleitungen; und
• 2 eine schematische Darstellung des einzelnen Turboladers mit Kompressor und Turbine sowie mehreren dazugehörigen Sensoren.
• Bei einem Großteil der heute eingesetzten Verbrennungsmotoren ergibt sich in Bezug auf die Abgasanlage die Forderung, aus Gründen eines geringeren Abgasgegendrucks für jede Zylinderbank eine eigene Strömungsführung vorzusehen. Auch das Luftsystem, welches die Frischluft für den Motor bereitstellt, weist zumindest abschnittsweise zumeist zwei Strömungsführungen auf. Ein Motor mit einer solchen Strömungsführung ist mit seinen wesentlichen Komponenten einschließlich einem Motorsteuergerät und mehreren Sensoren in 1 dargestellt.
• 1 zeigt einen Dieselmotor 1 mit sechs Zylindern 3, die V-förmig in zwei Zylinderbänken 5a und 5b mit jeweils drei Zylindern 3 angeordnet sind. Jeder der Zylinderbänke 5a, 5b ist ein Turbolader 7a bzw. 7b zugeordnet, der einen Kompressor 9a bzw. 9b und eine Turbine 11a bzw. 11b umfasst. Über zwei Luftleitungen 13a und 13b saugen die Kompressoren 9a bzw. 9b Frischluft an, um diese auf einen gewünschten Ladedruck zu verdichten. Die von den Kompressoren 9a, 9b komprimierte Luft gelangt über je eine weitere Luftleitung 20a, 20b in einen gemeinsamen Abschnitt 22, in dem die beiden Luftströme der Luftleitungen 20a, 20b gemischt werden. In dem gemeinsamen Abschnitt 22 befindet sich ein Ladeluftkühler 24, der die verdichtete Luft für die Füllung des Motors rückkühlt. Die Zusammenführung der beiden Luftströme erfolgt z. B. mit dem Ziel, einen gemeinsamen Ladeluftkühler 24 für beide Zylinderbänke 5a, 5b verwenden zu können. Die gekühlte Luft wird anschließend den Zylindern 3 zugeleitet und gelangt über ein Einlassventil in deren jeweiligen Brennraum. Nach jedem Verbrennungsvorgang gelangen die Abgase über ein Auslassventil grundsätzlich von dem jeweiligen Zylinder 3 über eine von zwei bankspezifischen Abgasleitungen 26a und 26b zu den Turbinen 11a und 11b der Turbolader 9a bzw. 9b. Im Teillastbetrieb des Motors 1 wird jedoch ein Teil des Abgases über eine Abgasrückführung 28a, 28b der angesaugten Frischluft beigemischt, wobei der Anteil des Abgases mit Hilfe zweier Abgasrückführungsventile 30a, 30b geregelt bzw. gesteuert wird. Die Turbinen 11a, 11b nutzen die Abgasenergie, um die Kompressoren 9a bzw. 9b anzutreiben. Von den Turbinen 11a, 11b strömt das Abgas in mehrere zugeordnete Abgasleitungen 26a, 26b, wo die Schadstoffe der Abgase durch zwei Abgasnachbehandlungssysteme 29a, 29b erheblich reduziert werden.
• Zur Einhaltung gesetzlicher Abgasvorschriften müssen innermotorische Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung durch Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung ergänzt werden. Im Rahmen der Abgasnachbehandlung des Dieselmotors 1 müssen besonders Stickoxide und Ruß reduziert werden. Jedes der beiden bankspezifischen Abgasnachbehandlungssysteme 29a, 29b des vorliegend beschriebenen Dieselmotors 1 umfasst daher neben einem Oxidationskatalysator, der zur Oxidation des im Abgas befindlichen Kohlenmonoxides (CO) und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) dient, einen Partikelfilter zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas befindlichen Rußpartikel sowie eine Vorrichtung zur Reduktion der Stickoxidemissionen. Ein Beispiel eines Abgasreinigungsverfahrens mit Reduktionsmittel ist die Selektive Katalytische Reduktion (SCR) der NO_x. Hierbei erfolgt eine Reduzierung des Stickoxidanteils mit Hilfe eines speziellen Reduktionsmittels, das zwischen den Motor 1 und einen nachgeschalteten Katalysator ins Abgas gesprüht wird. Dieser Einsprühvorgang wird von einer Motorsteuerung 17 geregelt. Ein alternatives Abgasreinigungsverfahren nutzt einen NO_x-Speicherkatalysator. Dessen Funktionsprinzip besteht darin, dass während der „mageren“ Phasen, bei denen der Motor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 läuft, die produzierten Stickoxide zwischengespeichert werden, und diese in Phasen mit λ < 1 zu N₂ umgewandelt werden.
• Damit die Schadstoffe durch das Abgasnachbehandlungssystem 29a bzw. 29b in der jeweiligen Fahrsituation optimal reduziert werden, wird es von dem Motorsteuergerät 17 überwacht und gesteuert. Hierbei muss das Steuergerät 17 neben intensiven Zustandsgrößen wie Druck oder Temperatur auch den Frischluft- beziehungsweise den Abgasmassenstrom als extensive Zustandsgröße erfassen bzw. ermitteln können. Für den optimalen Betrieb des Systems 29a, 29b, insbesondere in Hinblick auf gesetzliche Vorgaben, aber auch mit Blick auf die Lebensdauer der verwendeten Katalysatoren, und für die Diagnose im Fehlerfall, ist die genaue Ermittlung des Abgasmassenstroms besonders wichtig.
• Bei vollständig zweiflutig ausgeführten Luft- und Abgassystemen ohne gemeinsamen Abschnitt 22 lässt sich der Abgasmassenstrom grundsätzlich mit Hilfe eines (ohnehin) vor dem Kompressor 9a, 9b vorhandenen Luftmassensensors 15a bzw. 15b bestimmen. Derartige getrennte Strömungsführungen haben jedoch den Nachteil, dass sie auch mehrere Wärmetauscher 24 zur Ladeluftkühlung erfordern. Demgegenüber verfügt der vorliegende Dieselmotor 1 über den gemeinsamen Ladeluftkühler 24 in einer abschnittsweise vor den Zylinderbänken 5a, 5b einflutig ausgeführten Strömungsführung, wobei durch den Einsatz des einzigen Ladeluftkühlers 24 Kosten und Bauraum gespart werden. Durch die Vermischung der beiden Luftströme aus den Luftleitungen 20a, 20b im gemeinsamen Ladeluftkühler 24 entspricht ein bankspezifischer Abgasmassenstrom nicht notwendigerweise mehr dem jeweils angesaugten Luftmassenstrom. Dies führt zu dem Problem, dass der Abgasmassenstrom je Abgasleitung 26a, 26b nicht mehr allein aus dem Wert des bankspezifischen Luftmassensensors 15a bzw. 15b und der insgesamt eingespritzten Kraftstoffmenge bestimmt werden kann. Dieses Problem wird noch verstärkt durch die bankselektive oder gemeinsame Abgasrückführung 28a, 28b. Deshalb müssen für die Ermittlung des bankspezifischen Abgasmassenstroms zusätzliche Sensordaten verwendet werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach vor, dass das Motorsteuergerät 17 den bankspezifischen Abgasmassenstrom in Abhängigkeit von dem bankspezifischen Luftmassenstrom und, anstelle von der eingespritzten Kraftstoffmenge, in Abhängigkeit von anderen Parametern ermittelt. Selbstverständlich wird hierbei vorzugsweise auf ohnehin standardmäßig im Motorbereich integrierte Sensoren zurückgegriffen, so dass der Einbau und Betrieb zusätzlicher Sensoren entfällt bzw. die Anzahl der zusätzlich erforderlichen Sensoren minimiert wird.
• Das Motorsteuergerät 17 ist dazu eingerichtet, insbesondere programmiert, den bankspezifischen Abgasmassenstrom in Abhängigkeit von einem bankspezifischen Luftmassenstrom sowie von drei Temperaturwerten, zwei Gasdruckwerten und der Drehzahl des Turboladers 7a zu ermitteln. 1 und insbesondere 2 zeigen exemplarisch eine bankspezifische Anordnung mehrerer Sensoren 15a, 35, 37, 39, 40, 41 und 42, deren Signale für die Ermittlung des Abgasmassenstroms verarbeitet werden.
• Standardmäßig werden beim Betrieb des Dieselmotors 1 die Massenströme mehrerer von den Kompressoren 9a, 9b angesaugter Frischluftströme 31a, 31b durch die Luftmassensensoren 15a bzw. 15b, die ohnehin in die Luftleitungen 13a bzw. 13b eingebaut sind, gemessen und als Luftmassenstromwerte I_{M,Kom_a} bzw. I_{M,Kom_b} an das Motorsteuergerät 17 übertragen. Einer der beiden bankspezifischen Luftmassenstromwerte, vorliegend der Wert I_{M,Kom_a}, wird für die nachfolgende Berechnung des Abgasmassenstroms genutzt. In dem gleichen, zu der Zylinderbank 5a gehörenden Luftsystem bzw. dem entsprechenden Abgassystem werden auch mehrere Temperaturwerte T₁ bis T₃ gemessen. Der Frischlufttemperaturwert T₁ wird vor dem Kompressor 9a in der Luftleitung 13a und die Frischlufttemperatur T₂ nach dem Kompressor 9a in der Luftleitung 20a gemessen. Als Abgastemperaturwert T₃ wird die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung 26a vor der Turbine 11a ermittelt. Die Drehzahl n der Welle des Turboladers 7a wird mit einem Drehzahlsensor 40 gemessen. Des weiteren werden der Gasdruck p₃ des Abgasstroms 33a vor der Turbine 11a und der Gasdruck p₄ des Abgasstroms 33a nach der Turbine 11a ermittelt. Alle erfassten Werte werden an das Steuergerät 17 übertragen.
• Die Berechnung der Abgasmassenströme im Steuergerät 17 erfolgt auf der Basis der folgenden Formeln. $${\mathrm{\Pi }}_{Turb}:=\frac{p_3}{p_4}$$

  

  $$c_{us}:=\sqrt{2c_{p,Turb}{T}_3\left[1-{\left({\mathrm{\Pi }}_{Turb}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}$$

  

  $${\tilde{c}}_{us}:=\frac{r_{Turb}{\omega }_{Turb}}{c_{us}}=\frac{r_{Turb}\cdot 2\pi n_{Turb}}{c_{us}}$$

  

  $${\eta }_{Turb}={\eta }_{Turb,Max}\left[\frac{2{\tilde{c}}_{us}}{{\tilde{c}}_{us,opt}}-{\left(\frac{{\tilde{c}}_{us}}{{\tilde{c}}_{us,opt}}\right)}^2\right]$$

  

  $$P_{Turb}=P_{Kom}=I_{m,Kom}{c}_{p,Kom}\left(T_2-T_1\right)$$

  

  $$P_{Turb}={\eta }_{Turb}{I}_{m,Turb}\frac{c_{us}^2}{2}$$

  

  $$\Rightarrow I_{m,Turb}=\frac{2I_{,Kom}{c}_{p,Kom}\left(T_2-T_1\right)}{{\eta }_{Turb}{c}_{us}^2}$$

  
• Dabei ist T₃ die vor der Turbine gemessene Abgastemperatur, p₃ der vor der Turbine gemessene Gasdruck, p₄ der nach der Turbine gemessene Gasdruck, nTurb die gemessene Drehzahl des Turboladers, η_Turb,Max der maximale Wirkungsgrad des Turboladers, r_Turb der Außenradius einer Turbinenschaufel des Turboladers, c̃ _us,opt das optimale Verhältnis aus Umfangsgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel des Turboladers und einer theoretisch möglichen Gasgeschwindigkeit aufgrund einer isentropen Expansion und K der Adiabatenexponent ist. Der ermittelte Wert des Wirkungsgrads der Turbine kann als Steuergröße auch noch zu anderen Zwecken als zur Bestimmung des Abgasmassenstroms genutzt werden, bspw. für einen optimalen Betrieb eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie.
• Mittels der Gleichung (4) ist die Bestimmung des Wirkungsgrads der Turbine möglich. In der Gleichung (4) treten zwei Parameter auf, die durch Messungen einmalig bestimmt werden müssen. In der Gleichung (5) wird die Leistung der Turbine mit der Kompressorleistung in Bezug gesetzt. In der Gleichung (6) wird schließlich der Zusammenhang der Turbinenleistung mit dem Gasmassenstrom durch die Turbine angegeben. Die Gleichung (7) ergibt sich aus den Gleichungen (4) bis (6) und stellt die Auswertegleichung zur Bestimmung des gesuchten Abgasmassenstroms durch die Turbine dar. Eingangsgrößen der Berechnung sind demnach die Turboladerdrehzahl sowie . der Gasdruck vor und nach der Turbine auf der Abgassseite des Turboladers und auf der Frischluftseite die Gastemperatur vor und nach dem Kompressor und der Gasmassenstrom durch den Kompressor, der vor dem gemeinsamen Luftleitungsabschnitt erfasst wird, sowie die Abgastemperatur vor der Turbine.
• In einer Ausgestaltung berechnet das Steuergerät 17 den bankspezifischen Abgasmassenstrom I_{m,Turb_a} gemäß der Formel $$I_{m,Kom}=\frac{I_{m,Kom}\cdot c_{p,Kom}\cdot \left(T_2-T_1\right)}{{\eta }_{Turb,Max}\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]\cdot H}$$

  

  mit $$H=\left[\frac{2\cdot r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}-{\left(\frac{r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}\right)}^2\right]$$

  
• Der maximale Turbinenwirkungsgrad η_Turb,Max und das Verhältnis c_us,opt, welches aus der Geschwindigkeit der Turbinenschaufeln am Rand der Turbine und der Gasgeschwindigkeit aus der isentropen Expansion gebildet wird, werden einmalig durch Messung erfasst und als Werte im Steuergerät 17 abgelegt. Auch der Außenradius r_Turb einer Turbinenschaufel und der Adiabatenexponent K sind im Steuergerät 17 gespeichert.
• Das Steuergerät 17 bestimmt die spezifischen Wärmekapazitäten c_p,Turb und c_p,Kom vorteilhafterweise mit Hilfe von Kennfeldern und/oder in Abhängigkeit von Motorbetriebsgrößen wie der Einspritzmenge, der Motordrehzahl, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ etc. Die entsprechenden Kennfelder beziehungsweise Funktionen sind also bereits im Steuergerät 17 abgelegt.
• Die bis hier beschriebene Berechnung des Abgasmassenstroms bezog sich auf eine Zylinderbank. In der bis hier erläuterten Ausgestaltung ist dies die Zylinderbank 5a.
• Die Berechnung des Abgasmassenstroms der anderen Zylinderbank erfolgt in einer ersten Alternative dadurch, dass der gesamte Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors ermittelt wird und dass der für eine Zylinderbank berechnete Abgasmassenstrom davon subtrahiert wird. Der gesamte Abgasmassenstrom ergibt sich dabei als Summe aller Stoffströme zum Verbrennungsmotor, also als Summe aller Luftströme und Kraftstoffströme. Die Luftströme ergeben sich dabei aus den Signalen der beiden Luftmassenmesser 15a, 15b. Die Kraftstoffmassenströme sind im Steuergerät 17 bekannt, da das Steuergerät 17 die Dosierung steuert. Der Vorteil dieser Alternative liegt darin, dass nur eine der beiden Zylinderbänke die Gesamtheit der in der 2 dargestellten Sensoren aufweisen muss.
• In einer zweiten Alternative erfolgt die Berechnung des Abgasmassenstroms einer zweiten Zylinderbank genauso wie bei der ersten Zylinderbank. Diese Alternative erfordert, dass beide Zylinderbänke jeweils einzeln die in der 2 dargestellten Sensoren aufweisen. Der Vorteil dieser Alternative liegt darin, dass die für eine Bank erfolgende Berechnung jeweils durch die für die andere Bank erfolgende Berechnung und eine Gesamtbilanz der Stoffströme überprüfbar ist.
• Als Steuergerät 17 wird vorzugsweise die Electronic Diesel Control (EDC) der Firma Bosch eingesetzt. Diese elektronische Dieselsteuerung sendet entsprechende Steuersignale 43, 45, 47 zum Motor 1, zu den Abgasnachbehandlungssystemen 29a und 29b bzw. zu den Abgasrückführungsventilen 30a und 30b. Sie ermöglicht eine sehr exakte Steuerung des zeitlichen Einspritzverhaltens sowie eine sehr genaue Kraftstoffmengenzuteilung. Die elektronische Steuerung der Einspritzanlage ermöglicht insbesondere die Einhaltung verschärfter Abgasgrenzwerte. Das EDC erhält bislang insbesondere Sensordaten über die Ansauglufttemperatur sowie über den angesaugten Luftmassenstrom. Diesbezüglich kann daher auf den Einsatz zusätzlicher Sensoren verzichtet werden.
• Als Luftmassensensor 15a, 15b kommt vorzugsweise ein Heißfilm-Anemometer (HFM) zum Einsatz.
• Die Erfindung ermöglicht es somit, unter Rückgriff auf zumindest teilweise ohnehin vorhandene Sensorikdaten auf einfache und kostengünstige Weise den Abgasmassenstrom je Abgasleitung 26a, 26b zu bestimmen.
• Die Erfindung wurde am Beispiel eines Dieselmotors erläutert. Es versteht sich aber, dass sie nicht auf die Verwendung bei einem bestimmten Brennverfahren beschränkt ist, sondern z. B. auch bei Otto-Motoren oder Mischformen verwendet werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung des Abgasmassenstroms in einer Abgasleitung (26a, 26b) eines zwei Gruppen von Zylindern (3) aufweisenden Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs, mit jeweils einem Turbolader (7a, 7b) für jede Gruppe, wobei jeder Turbolader (7a, 7b) frischluftseitig einen Kompressor (9a, 9b) und abgasseitig eine Turbine (11a, 11b) aufweist und die die Frischluft führenden Luftleitungen (13a, 13b, 20a, 20b) von den Kompressoren (9a, 9b) zu den zugehörigen Einlassventilen der Zylinder (3) einen gemeinsamen Abschnitt (22) aufweisen, wohingegen die die Abgase führenden Abgasleitungen (26a, 26b) der zwei Gruppen keinen gemeinsamen Abschnitt (22) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom in der zu einem der Turbolader zugehörigen Abgasleitung in Abhängigkeit von einem vor dem Kompressor (9a, 9b) dieses Turboladers mittels eines Sensors (15a, 15b) gemessenen Frischluftmassenstrom I_m,Kom, der vor diesem Kompressor (9a, 9b) mittels eines Sensors (35) gemessenen Frischlufttemperatur T₁, der nach diesem Kompressor mittels eines Sensors (37) gemessenen Frischlufttemperatur T₂, der vor der Turbine (11a, 11b) dieses Turboladers mittels eines Sensors (39) gemessenen Abgastemperatur T₃, der spezifischen Wärmekapazität c_p,Kom der diesen Kompressor (9a, 9b) durchströmenden Frischluft, der spezifischen Wärmekapazität c_p,Turb des diese Turbine (11a, 11b) durchströmenden Abgases, der mittels eines Sensors (40) gemessenen Drehzahl n dieses Turboladers (11a, 11b), des vor dieser Turbine (11a, 11b) mittels eines Sensors (41) gemessenen Gasdrucks p₃ und des nach dieser Turbine (11a, 11b) mittels eines Sensors (42) gemessenen Gasdrucks p₄, des maximalen Wirkungsgrads η_Turb,Max der Turbine dieses Turboladers (7a, 7b), des Außenradius r_Turb einer Turbinenschaufel dieses Turboladers (7a, 7b), des optimalen Verhältnisses c̃ _us,opt aus der Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufel dieses Turboladers (7a, 7b) und einer bei einer isentropen Expansion auftretenden Gasgeschwindigkeit sowie des Adiabatenexponenten K ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vor dem Kompressor (9a, 9b) gemessene Frischluftmassenstrom I_m,Kom mittels eines Luftmassensensors (15a, 15b) ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Abgasmassenstroms der Wirkungsgrad η_Turb der Turbine (11a, 11b) gemäß nachfolgender Formel ermittelt wird: $${\eta }_{Turb}={\eta }_{Turb,Max}\cdot \left[\frac{2\cdot r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}-{\left(\frac{r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}\right)}^2\right]$$

   

   wobei T₃ die vor der Turbine (11a, 11b) gemessene Abgastemperatur, p₃ der vor der Turbine (11a, 11b) gemessene Gasdruck, p₄ der nach der Turbine (11a, 11b) gemessene Gasdruck, n die gemessene Drehzahl des Turboladers (7a, 7b), η_Turb,Max der maximale Wirkungsgrad des Turboladers (7a, 7b), r_Turb der Außenradius der Turbinenschaufel des Turboladers (7a, 7b), c̃ _us,opt das optimale Verhältnis aus Umfangsgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel des Turboladers (7a, 7b) und einer bei einer isentropen Expansion auftretenden Gasgeschwindigkeit und K der Adiabatenexponent ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom gemäß nachfolgender Formel ermittelt wird: $$I_{m,Turb}=\frac{I_{m,Kom}\cdot c_{p,Kom}\cdot \left(T_2-T_1\right)}{{\eta }_{Turb,Max}\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]\cdot H}$$

   

   $$mitH=\left[\frac{2\cdot r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}-{\left(\frac{r_{Turb}\cdot 2\cdot \pi \cdot n_{Turb}}{{\tilde{c}}_{us,opt}\cdot \sqrt{2\cdot c_{p,Turb}\cdot T_3\cdot \left[1-{\left(\frac{p_3}{p_4}\right)}^{\frac{1-\kappa }{\kappa }}\right]}}\right)}^2\right]$$

   

   wobei I_m,Kom der vor einem Kompressor (9a, 9b) gemessene Frischluftmassenstrom, c_p,Kom die spezifische Wärmekapazität der den Kompressor (9a, 9b) durchströmenden Frischluft, T₁ die vor dem Kompressor (9a, 9b) gemessene Frischlufttemperatur, T₂ die nach dem Kompressor (9a, 9b) gemessene Frischlufttemperatur, c_p,Turb die spezifische Wärmekapazität des die Turbine (11a, 11b) durchströmenden Abgases, T₃ die vor der Turbine (11a, 11b) gemessene Abgastemperatur, p₃ der vor der Turbine (11a, 11b) gemessene Gasdruck, p₄ der nach der Turbine (11a, 11b) gemessene Gasdruck, n die gemessene Drehzahl des Turboladers (7a, 7b), η_Turb,Max der maximale Wirkungsgrad des Turboladers (7a, 7b), r_Turb der Außenradius der Turbinenschaufel, c̃ _us,opt das optimale Verhältnis aus Umfangsgeschwindigkeit einer Turbinenschaufel des Turboladers (7a, 7b) und einer bei einer isentropen Expansion auftretenden Gasgeschwindigkeit und K der Adiabatenexponent ist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Wärmekapazität der den Kompressor (9a, 9b) durchströmenden Frischluft und/oder des die Turbine (11a, 11b) durchströmenden Abgases in Abhängigkeit von Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors (1) in einem Steuergerät (17) berechnet wird.
6. Steuergerät (17) zur Bestimmung des Abgasmassenstroms in einer Abgasleitung eines zwei Gruppen von Zylindern (3) aufweisenden Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs, mit jeweils einem Turbolader (7a, 7b) für jede Gruppe, wobei jeder Turbolader (7a, 7b) frischluftseitig einen Kompressor (9a, 9b) und abgasseitig eine Turbine (11a, 11b) aufweist und die die Frischluft führenden Luftleitungen (13a, 13b, 20a, 20b) von den Kompressoren (9a, 9b) zu den zugehörigen Einlassventilen der Zylinder (3) einen gemeinsamen Abschnitt (22) aufweisen, wohingegen die die Abgase führenden Abgasleitungen (26a, 26b) der zwei Gruppen keine gemeinsamen Abschnitte (22) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (17) dazu eingerichtet ist, den Abgasmassenstrom in der zu einem der Turbolader zugehörigen Abgasleitung in Abhängigkeit von einem vor dem Kompressor (9a, 9b) dieses Turboladers mittels eines Sensors (15a, 15b) gemessenen Frischluftmassenstrom I_m,Kom, der vor diesem Kompressor (9a, 9b) mittels eines Sensors (35) gemessenen Frischlufttemperatur T₁, der nach diesem Kompressor mittels eines Sensors (37) gemessenen Frischlufttemperatur T₂, der vor der Turbine (11a, 11b) dieses Turboladers mittels eines Sensors (39) gemessenen Abgastemperatur T₃, der spezifischen Wärmekapazität c_p,Kom der diesen Kompressor (9a, 9b) durchströmenden Frischluft, der spezifischen Wärmekapazität c_p,Turb des diese Turbine (9a, 9b) durchströmenden Abgases, der mittels eines Sensors (40) gemessenen Drehzahl n dieses Turboladers (11a, 11b), des vor dieser Turbine (11a, 11b) mittels eines Sensors (41) gemessenen Gasdrucks p₃ und des nach dieser Turbine (11a, 11b) mittels eines Sensors (42) gemessenen Gasdrucks p₄, des maximalen Wirkungsgrads η_Turb,Max dieses Turboladers (7a, 7b), des Außenradius r_Turb einer Turbinenschaufel dieses Turboladers (7a, 7b) und des optimalen Verhältnisses c̃ _us,opt aus der Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufel dieses Turboladers (7a, 7b), bei einer isentropen Expansion auftretenden Gasgeschwindigkeit sowie des Adiabatenexponenten K zu ermitteln.
7. Steuergerät (17) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (17) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5 durchzuführen

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