DE102010027976A1

DE102010027976A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Zuführstrang zur Zuführung eines Luftgemischs sowie mit einem Abgasstrang

Info

Publication number: DE102010027976A1
Application number: DE102010027976A
Authority: DE
Inventors: Stefan Motz; Thomas Bossmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-10-20
Also published as: US20110257952A1

Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), wobei die Brennkraftmaschine (10) einen Zuführstrang (14) zur Zuführung eines Luftgemischs in die Brennkraftmaschine (10) aufweist, wobei der Zuführstrang (14) in Zuführrichtung nacheinander einen ersten Abschnitt (27) mit einem vergleichsweise niedrigen Druck, einen Verdichter (22) zur Verdichtung des zugeführten Luftgemischs und einen zweiten Abschnitt (29) mit einem vergleichsweise hohen Druck aufweist, wobei die Brennkraftmaschine (10) einen Abgasstrang (12) zur Ableitung von Abgas aus der Brennkraftmaschine (10) aufweist, wobei der Abgasstrang (12) einen Abschnitt (43) mit einem vergleichsweise niedrigen Druck des Abgases aufweist, und wobei die Brennkraftmaschine (10) eine Abgasrückführung (50) aufweist, die mindestens einen Teil desjenigen Abgases in den ersten Abschnitt (27) der Luftzuführung (14) zurückführt, welches den Abschnitt (43) des Abgasstrangs (12) mit dem vergleichsweise niedrigen Druck durchströmt, wobei der rückgeführte Teil des Abgases und zugeführte Frischluft das den Zuführstrang (14) durchströmende Luftgemisch bilden. Ein Massenstrom (71) des rückgeführten Teils des Abgases wird mittels folgender Schritte ermittelt: (a) Ermittlung eines durch den Verdichter (22) strömenden Massenstroms (72); (b) Ermittlung eines Massenstroms (70) der zugeführten Frischluft; und (c) Subtraktion des im Schritt (b) ermittelten Massenstroms (70) von dem im Schritt (a) ermittelten Massenstrom (72).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und ein Steuergerät nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Vom Markt her bekannt sind Abgasrückführungen bei Brennkraftmaschinen, mittels denen ein Teil des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases in einen Einlass der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Dabei werden zwei Verfahren unterschieden: Erstens eine sogenannte Hochdruck-Abgasrückführung, welche einen Auslass der Brennkraftmaschine vergleichsweise direkt mit dem Einlass der Brennkraftmaschine verbindet. Zweitens eine Niederdruck-Abgasrückführung, welche einen Abgasstrom stromabwärts einer Abgasturbine stromaufwärts eines Verdichters in einen Zuführstrang der Brennkraftmaschine einspeist. Eine solche Niederdruck-Abgasrückführung kann geeignet sein, um auch zukünftige Abgasvorschriften zu erfüllen. Dabei kommt einer Regelung des dortigen Niederdruck-Abgasrückführungs-Massenstroms eine entsprechende Bedeutung zu.
Um eine Niederdruck-Abgasrückführungsrate zu berechnen, wird neben einem Frischluftmassenstrom auch der Niederdruck-Abgasrückführungs-Massenstrom benötigt. Der Frischluftmassenstrom wird häufig bei Kraftfahrzeugen mit einem Sensor gemessen, das heißt mit einem Luftmassenmesser. Dagegen wird der Massenstrom der Abgasrückführung nicht auf eine direkte Weise gemessen, sondern mittels verschiedener Methoden oder Modelle lediglich abgeschätzt.
Beispielsweise lässt sich der Massenstrom durch ein in der Niederdruck-Abgasrückführung angeordnetes Ventil mittels einer so genannten Drosselgleichung berechnen. Dazu ist eine Kenntnis einer Drosselfläche, einer Temperatur vor dem Ventil sowie eines Drucks vor und nach dem Ventil erforderlich. Die Drosselfläche wird häufig nicht direkt bestimmt, sondern wird beispielsweise aus einer Position einer den Ventilquerschnitt beeinflussenden Klappe ermittelt: Häufig ist jedoch die Stellung dieser Klappe nicht mit einer genügenden Genauigkeit zu erfassen, und darüber hinaus hängt der wirksame Öffnungsquerschnitt von strömungstechnischen Größen ab. Außerdem können weitere Messungenauigkeiten auftreten.
Patentveröffentlichungen aus diesem Fachgebiet sind beispielsweise die DE 101 58 250 A1 , worin ein Verfahren beschrieben wird, um einen durch einen Verdichter strömenden Massenstrom zu bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Computerprogramm und ein Steuergerät nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Massenstrom einer Niederdruck-Abgasrückführung besonders genau ermittelt werden kann. Damit wiederum kann der Betrieb der Brennkraftmaschine besonders gut eingestellt werden, beispielsweise um Abgaswerte, einen Kraftstoffverbrauch und/oder im Betrieb auftretende Geräusche zu optimieren.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, den Massenstrom einer Niederdruck-Abgasrückführung nicht direkt zu erfassen oder zu ermitteln, sondern aus anderen Größen zu berechnen. Ausgehend von einer konkreten Bauform einer Brennkraftmaschine wird also eine angesaugte Frischluft mit dem rückgeführten Abgas zusammengeführt und einem Verdichter zugeführt. Daraus folgend kann eine Gleichung zur Bestimmung des Massenstroms der Niederdruck-Abgasrückführung angegeben werden: ṁ_ND-AGR = ṁ_Verdichter – ṁ_Frischluft, wobei

ND-AGR: = Niederdruck-Abgasrückführung.

Die Formel bedeutet, dass ein durch den Verdichter strömender Massenstrom ermittelt wird, weiterhin ein Massenstrom der zugeführten Frischluft ermittelt wird, und schließlich der Massenstrom der zugeführten Frischluft von dem durch den Verdichter strömenden Massenstrom subtrahiert wird. Daraus ergibt sich eine besonders einfache und zugleich genaue Bestimmung des Massenstroms der Niederdruck-Abgasrückführung.
Vorzugsweise sieht die Erfindung vor, dass der durch den Verdichter strömende Massenstrom durch ein Modell ermittelt wird. Damit kann vorteilhaft auf verschiedene, in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine häufig bereits vorliegende Größen zurückgegriffen werden, um den Verdichtermassenstrom zu ermitteln.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Modell mindestens eine der folgenden Größen auswertet: eine Drehzahl des Verdichters, einen Druck vor dem Verdichter, einen Druck nach dem Verdichter, eine Temperatur vor dem Verdichter, eine Temperatur nach dem Verdichter. Die Bezeichnung ”vor” bedeutet dabei jeweils ”stromaufwärts” und die Bezeichnung ”nach” bedeutet jeweils ”stromabwärts”. Diese Größen sind besonders geeignet, den Verdichtermassenstrom genau zu bestimmen. Insbesondere ist die Drehzahl des Verdichters maßgebend für die Größe des Verdichtermassenstroms. Fallweise kann es dabei ausreichend sein, nur eine Teilmenge der beschriebenen Größen zur Modellierung des Verdichtermassenstroms heranzuziehen. Jedoch können auch weitere hier nicht genannte Größen, die im Betrieb einer Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen, mit benutzt werden, um den durch den Verdichter fließenden Massenstrom noch genauer zu ermitteln.
Ergänzend sieht die Erfindung vor, beziehungsweise es wird von der Erfindung berücksichtigt, dass in Strömungsrichtung vor dem Abschnitt des Abgasstrangs mit dem vergleichsweise niedrigen Druck eine Abgasturbine, ein Oxidationskatalysator und/oder ein Partikelfilter angeordnet ist. Insbesondere trennt die Abgasturbine einen Bereich des Abgases mit einem vergleichsweise hohen Druck von einem Bereich des Abgases mit einem vergleichsweise niedrigen Druck. Dadurch ist das Verfahren vorteilhaft auf eine häufige Ausführungsform eines Abgasstrangs der Brennkraftmaschine anwendbar, welche es beispielsweise bei Dieselmotoren gibt. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine bestimmte Reihenfolge der Abgasturbine, des Oxidationskatalysators und/oder des Partikelfilters in der Strömungsrichtung des Abgasstrangs unerheblich.
Besonders günstig ist es für die Anwendung des Verfahrens, wenn der Verdichter von der Abgasturbine angetrieben wird. Damit kann vorteilhaft ein Drehzahlsensor der Abgasturbine benutzt werden, um eine Drehzahl des Verdichters zu ermitteln.
Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der Massenstrom des rückgeführten Teils des Abgases steuer- und/oder regelbar ist. Mittels der Steuerung und/oder Regelung des rückgeführten Teils des Abgases kann der Betrieb der Brennkraftmaschine besonders gut eingestellt werden, beispielsweise im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch oder die Abgaswerte. Die erfindungsgemäß besonders genaue Ermittlung des Massenstroms der Niederdruck-Abgasrückführung kann also vorteilhaft angewendet werden, um den Betrieb der Brennkraftmaschine entsprechend genau einzustellen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Massenstrom der dem Zuführstrang zugeführten Frischluft mittels eines Luftmassenmessers ermittelt wird. Mit Hilfe des Heißfilmluftmassenmessers kann der Massenstrom der zugeführten Frischluft auf eine einfache und genaue Weise ermittelt werden. Damit wird zugleich der Subtrahend der oben genannten Formel bestimmt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung berücksichtigt, dass der Abgasstrang einen Abschnitt mit einem vergleichsweise hohen Druck aufweist, und dass die Brennkraftmaschine eine weitere Abgasrückführung aufweist, welche zwischen diesem Abschnitt des Abgasstrangs mit dem vergleichsweise hohen Druck und dem zweiten Abschnitt des Zuführstrangs mit dem vergleichsweise hohen Druck angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Ermittlung des Massenstroms des rückgeführten Teils des Abgases in der Niederdruck-Abgasrückführung ist daher geeignet, mit einer zusätzlich vorhandenen Abgasrückführung in einem Hochdruckzweig der Abgasanlage zusammenzuarbeiten. Die Niederdruck-Abgasrückführung bzw. die erfindungsgemäße Ermittlung des in der Niederdruck-Abgasrückführung rückgeführten Abgasmassenstroms kann also vorteilhaft mit einer Hochdruck-Abgasrückführung der Brennkraftmaschine kombiniert werden.
Ergänzend sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch dann anwendbar ist, wenn der Anteil des in der Abgasrückführung rückgeführten Abgases nicht steuer- und/oder regelbar ist, sondern alternativ der Massenstrom der zugeführten Frischluft mittels einer Frischluftdrossel gesteuert und/oder geregelt wird. Ebenso ist die Anwendung des Verfahrens bei einstufig oder zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschinen möglich, ebenso bei Ladergruppen mit Starrladern anstelle von Ladern mit variabler Turbinengeometrie, und ebenso bei im Abgasstrang oder in der Luftzuführung verbauten Bypässen. Des weiteren arbeitet die Erfindung sowohl bei Benzin- oder Dieselmotoren als auch bei Erdgasmotoren, und kann auch unabhängig vom Vorhandensein bzw. einer Ausführung der Abgasturbine, des Oxidationskatalysators und/oder des Partikelfilters eingesetzt werden.
Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Zuführstrang zur Zuführung eines Luftgemisches und einem Abgasstrang.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgasstrang 12 und einem Zuführstrang 14 zur Zuführung eines Luftgemischs in die Brennkraftmaschine 10. Der Zuführstrang 14 enthält in der Zeichnung von links nach rechts: Einen Lufteinlass 15, einen Luftfilter 16, einen Heißfilmluftmassenmesser 18, eine Verzweigung 20, ein Verdichter 22, einen Kühler 24, ein Ventil 26 und eine Verzweigung 28. Dabei bedeutet ein Luftweg vom Lufteinlass 15 bis zu dem Verdichter 22 einen ersten Abschnitt 27 mit einem vergleichsweise niedrigen Druck und ein Luftweg vom Verdichter 22 bis zu der Brennkraftmaschine 10 einen zweiten Abschnitt 29 mit einem vergleichsweise hohen Druck.
Der Abgasstrang 12 im oberen Bereich der 1 enthält in der Zeichnung von rechts nach links: Eine Verzweigung 30, eine Abgasturbine 32, einen Oxidationskatalysator 34, einen Partikelfilter 36, eine Verzweigung 38, ein Ventil 40 und einen Schalldämpfer 42. Dabei bedeutet ein Abgasweg von der Brennkraftmaschine 10 bis zu der Abgasturbine 32 einen Abschnitt 41 mit einem vergleichsweise hohen Druck und ein Abgasweg von der Abgasturbine 32 bis zu dem Schalldämpfer 42 einen Abschnitt 43 mit einem vergleichsweise niedrigen Druck. Es versteht sich, dass der Druck längs des Abschnitts 43 auch schrittweise über die Abgasturbine 32, den Oxidationskatalysator 34, und den Partikelfilter 36 abgebaut werden kann, entsprechend den in diesen Elementen auftretenden Strömungswiderständen.
Im linken Bereich der 1 befindet sich zwischen der Verzweigung 38 des Abgasstrangs 12 und der Verzweigung 20 der Luftzuführung 14 eine Niederdruck-Abgasrückführung 50. Die Niederdruck-Abgasrückführung 50 umfasst eine Einrichtung 52 sowie ein Ventil 54.
Im rechten Bereich der 1 befindet sich zwischen der Verzweigung 30 des Abgasstrangs 12 und der Verzweigung 28 der Luftzuführung 14 eine Hochdruck-Abgasrückführung 60. Die Hochdruck-Abgasrückführung 60 umfasst eine Einrichtung 62 und ein Ventil 64. Die Einrichtungen 52 bzw. 62 umfassen vorliegend je einen nicht näher erläuterten Abgasrückführungskühler mit einem Bypass und einem Ventil.
Rechts oben in der Zeichnung ist schematisch ein Steuergerät 66 zusammen mit einem darauf ablaufenden Computerprogramm 68 dargestellt. Pfeile 69 symbolisieren die elektrische Anbindung des Steuergeräts 66 an die in der 1 bezeichneten Elemente. Das Steuergerät 66 bzw. das Computerprogramm 68 enthält außerdem mindestens ein Modell zur Berechnung eines durch den Verdichter 22 fließenden Massenstroms.
Im Betrieb wird von dem Heißfilmluftmassenmesser 18 ein Massenstrom 70 einer zugeführten Frischluft ermittelt. Ein Massenstrom 71 des über die Niederdruck-Abgasrückführung 50 rückgeführten Abgases bildet zusammen mit dem Massenstrom 70 einen Massenstrom 72, der durch den Verdichter 22 geleitet wird. Vor dem Verdichter 22 wird ein Druck 74 und eine Temperatur 76 ermittelt. Hinter dem Verdichter 22 wird ein Druck 78 und eine Temperatur 80 ermittelt. Der Verdichter 22 ist starr an die Abgasturbine 32 gekoppelt und weist eine Drehzahl 82 auf.
Die unmittelbar stromaufwärts des Verdichters 22 ermittelten Werte des Drucks 74 und der Temperatur 76, die unmittelbar stromabwärts des Verdichters 22 ermittelten Werte des Drucks 78 und der Temperatur 80 sowie die Drehzahl 82 des Verdichters 22 erlauben es, mittels des in dem Steuergerät 66 vorhandenen Modells eine genaue Bestimmung des über den Verdichter 22 strömenden Massenstroms 72 durchzuführen. Es wird darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls nicht alle vorstehend genannten Größen zur Ermittlung des über den Verdichter 22 strömenden Massenstroms 72 erforderlich sind, sondern dass unter Umständen einzelne dieser Größen zusammen mit dem Modell ausreichen, um eine ausreichend genaue Bestimmung dieses Massenstroms 72 vorzunehmen.
Entsprechend dem über den Heißfilmluftmassenmesser 18 ermittelten Wert des Massenstroms 70 kann nun der Massenstrom 71 des über die Niederdruck-Abgasrückführung 50 fließenden Abgases durch eine einfache Differenzbildung bestimmt werden. Als Folge der vergleichsweise hohen Genauigkeit bei der Bestimmung der Massenströme 70 und 72 ist auch die derart erfolgte Ermittlung des Massenstroms 71 besonders genau. Damit kann das Ventil 54 und/oder das Ventil 40 optimal eingestellt beziehungsweise geregelt werden, um den Betrieb des Abgasstrangs 12, beziehungsweise der Brennkraftmaschine 10, zu optimieren.
Ergänzend ist es denkbar, den vom Heißfilmluftmassenmesser 18 ermittelten Wert des Massenstroms 70 bedarfsweise zu korrigieren, um beispielsweise Druckschwingungen im Zuführstrang 14 auszugleichen. Ferner ist aus der 1 zu entnehmen, dass die Ermittlung des Massenstroms 71 weit gehend von dem Betrieb der Hochdruck-Abgasrückführung 60 entkoppelt ist.
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 Patentliteratur

DE 10158250 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), wobei die Brennkraftmaschine (10) einen Zuführstrang (14) zur Zuführung eines Luftgemischs in die Brennkraftmaschine (10) aufweist, wobei der Zuführstrang (14) in Zuführrichtung nacheinander einen ersten Abschnitt (27) mit einem vergleichsweise niedrigen Druck, einen Verdichter (22) zur Verdichtung des zugeführten Luftgemischs und einen zweiten Abschnitt (29) mit einem vergleichsweise hohen Druck aufweist, wobei die Brennkraftmaschine (10) einen Abgasstrang (12) zur Ableitung von Abgas aus der Brennkraftmaschine (10) aufweist, wobei der Abgasstrang (12) einen Abschnitt (43) mit einem vergleichsweise niedrigen Druck des Abgases aufweist, und wobei die Brennkraftmaschine (10) eine Abgasrückführung (50) aufweist, die mindestens einen Teil desjenigen Abgases in den ersten Abschnitt (27) der Luftzuführung (14) zurückführt, welches den Abschnitt (43) des Abgasstrangs (12) mit dem vergleichsweise niedrigen Druck durchströmt, und wobei der rückgeführte Teil des Abgases und zugeführte Frischluft das den Zuführstrang (14) durchströmende Luftgemisch bilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom (71) des rückgeführten Teils des Abgases mittels folgender Schritte ermittelt wird: (a) Ermittlung eines durch den Verdichter (22) strömenden Massenstroms (72); (b) Ermittlung eines Massenstroms (70) der zugeführten Frischluft; und (c) Subtraktion des im Schritt (b) ermittelten Massenstroms (70) von dem im Schritt (a) ermittelten Massenstrom (72).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Verdichter (22) strömende Massenstrom (72) durch ein Modell ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell mindestens eine der folgenden Größen auswertet: – eine Drehzahl (82) des Verdichters (22); – einen Druck (74) vor dem Verdichter (22); – einen Druck (78) nach dem Verdichter (22); – eine Temperatur (76) vor dem Verdichter (22); – eine Temperatur (80) nach dem Verdichter (22).
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Abschnitt (43) des Abgasstrangs (12) mit dem vergleichsweise niedrigen Druck eine Abgasturbine (32), ein Oxidationskatalysator (34) und/oder ein Partikelfilter (36) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (22) von der Abgasturbine (32) angetrieben wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom (71) des rückgeführten Teils des Abgases steuer- und/oder regelbar ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom (70) der dem Zuführstrang (14) zugeführten Frischluft mittels eines Luftmassenmessers (18) ermittelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (12) einen Abschnitt (41) mit einem vergleichsweise hohen Druck aufweist, und dass die Brennkraftmaschine (10) eine weitere Abgasrückführung (60) aufweist, welche zwischen diesem Abschnitt (41) des Abgasstrangs (12) mit dem vergleichsweise hohen Druck und dem zweiten Abschnitt (29) des Zuführstrangs (14) mit dem vergleichsweise hohen Druck angeordnet ist.
Computerprogramm (68) für ein digitales Rechengerät, das dazu geeignet ist, das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
Steuergerät (66) insbesondere für ein Kraftfahrzeug, das mit einem digitalen Rechengerät versehen ist, auf dem ein Computerprogramm (68) nach dem Anspruch 9 ablauffähig ist.