DE102010037650B4 - O2 control system for an internal combustion engine and method for controlling the O2 concentration - Google Patents
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Abstract
O2 Regelungssystem für einen Verbrennungsmotor (2), wobei der Verbrennungsmotor (2) eine Ansaugpassage (3) und eine Abgaspassage (4) aufweist und wobei der Verbrennungsmotor (2) eine Rückführungsvorrichtung für gefiltertes Abgas (5) zum Rückführen von gefiltertem Abgas (6) aus der Abgaspassage (4) zur Ansaugpassage (3) hat und wobei die Ansaugpassage (3) zumindest ein erstes Segment (3_1) stromaufwärts zu einem Zufluss von gefiltertem Abgas (7) zur Ansaugpassage (3) und ein zweites Segment (3_2) stromabwärts zu einem Zufluss von gefiltertem Abgas (7) zur Ansaugpassage (3) und stromaufwärts zu einem Motoreinlass (9) aufweist, wobei in dem zweiten Segment (3_2) ein Gemisch von Frischluft (8) und rückgeführtem gefiltertem Abgas (23) fließt, und wobei die Abgaspassage (4) zumindest ein erstes Segment (4_1) stromaufwärts zu einem Partikelfilter (11), in dem nur ungefiltertes Abgas (12) fließt, und ein zweites Segment (4_2) stromabwärts zu einem Partikelfilter (11) aufweist, in dem gefiltertes Abgas fließt, wobei das O2 Regelungssystem (1) die O2 Konzentration in dem Gemisch von Frischluft (8) und rückgeführtem, gefiltertem Abgas (23) in dem zweiten Segment (3_2) der Ansaugpassage (3) durch Regulieren einer Durchflussrate von rückgeführtem gefiltertem Abgas (23) aus der Rückführvorrichtung für gefiltertes Abgas (5) regelt, basierend auf einem Sauerstoffsensor (13), der in dem zweiten Segment (3_2) der Ansaugpassage (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem dazu ausgebildet ist, den vom Sauerstoffsensor erfassten Wert der O2-Konzentration in dem Gemisch von Frischluft und rückgeführtem gefiltertem Abgas mit einem Sollwert zu vergleichen.O2 control system for an internal combustion engine (2), said internal combustion engine (2) having a suction passage (3) and an exhaust passage (4), said internal combustion engine (2) having a filtered exhaust gas recirculation device (5) for recycling filtered exhaust gas (6) from the exhaust passage (4) to the intake passage (3), and wherein the intake passage (3) has at least a first segment (3_1) upstream of an inflow of filtered exhaust gas (7) to the intake passage (3) and a second segment (3_2) downstream an inflow of filtered exhaust gas (7) to the intake passage (3) and upstream to an engine intake (9), wherein in the second segment (3_2) a mixture of fresh air (8) and recycled filtered exhaust gas (23) flows, and wherein the Exhaust gas passage (4) has at least a first segment (4_1) upstream of a particulate filter (11) in which only unfiltered exhaust gas (12) flows, and a second segment (4_2) downstream of a particulate filter (11), i n flows the filtered exhaust gas, wherein the O2 control system (1) the O2 concentration in the mixture of fresh air (8) and recycled, filtered exhaust gas (23) in the second segment (3_2) of the intake passage (3) by regulating a flow rate of recirculated filtered exhaust gas (23) from the filtered exhaust gas recirculation device (5), based on an oxygen sensor (13) disposed in the second segment (3_2) of the intake passage (3), characterized in that the control system is adapted to to compare the value of the O2 concentration in the mixture of fresh air and recirculated filtered exhaust gas detected by the oxygen sensor with a desired value.
Description
Die Erfindung betrifft ein O2-Regelungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Regelung der O2-Konzentration in einer Ansaugpassage sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to an O2 control system for an internal combustion engine for controlling the O2 concentration in a suction passage and a corresponding method.
Es ist bekannt, dass das Betriebsverhalten und die Emissionserzeugung bei Verbrennungsmotoren von der O2-Konzentration in der Ansaugluft abhängen können. Aus diesem Grund werden Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführungen ausgestattet, um durch Zugabe von rückgeführtem Abgas in die Ansaugluft die Sauerstoffkonzentration zu reduzieren. Bisher bekannte Systeme basierten dabei auf einer indirekten Steuerung des Sauerstoffgehalts durch Einstellung des Öffnungsgrads einer Abgasrückführung und somit Beeinflussung der Durchflussrate von rückgeführtem Abgas. Eine solche Steuerung der O2-Konzentration weist eine ungenügende Genauigkeit auf.It is known that the performance and emission levels of internal combustion engines may depend on the concentration of O2 in the intake air. For this reason, internal combustion engines are equipped with exhaust gas recirculations to reduce the oxygen concentration by adding recirculated exhaust gas into the intake air. Previously known systems were based on an indirect control of the oxygen content by adjusting the degree of opening of an exhaust gas recirculation and thus influencing the flow rate of recirculated exhaust gas. Such control of the O2 concentration has insufficient accuracy.
Aus der
Aus der
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein O2-Regelungssystem für einen Verbrennungsmotor aufzuzeigen, mit dem eine verbesserte und genauere Steuerung der O2-Konzentration in der Ansaugpassage des Verbrennungsmotors möglich ist. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung der O2-Konzentration in der Ansaugpassage eines Verbrennungsmotors aufzuzeigen.It is an object of the present invention to provide an O2 control system for an internal combustion engine, with which an improved and more accurate control of the O2 concentration in the intake passage of the internal combustion engine is possible. It is a further object of the present invention to provide a method for controlling the
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen in den eigenständigen Ansprüchen.The invention solves this problem with the features in the independent claims.
Ein Verbrennungsmotor weist eine Ansaugpassage und eine Abgaspassage auf. Über die Ansaugpassage werden Frischluft von einem Frischlufteinlass und ggf. zurückgeführtes Abgas aus einer Abgasrückführung dem Motoreinlass des Verbrennungsmotors zugeführt. Über die Abgaspassage wird ein aus dem Motorauslass ausgespeistes Abgas zu einem Auspuff oder Abgasauslass hin weggeführt.An internal combustion engine has an intake passage and an exhaust passage. Fresh air from a fresh air inlet and possibly recirculated exhaust gas from an exhaust gas recirculation system are supplied to the engine intake of the internal combustion engine via the intake passage. Via the exhaust gas passage, an exhaust gas fed out of the engine outlet is led away to an exhaust or exhaust gas outlet.
Im Folgenden werden Begriffe wie „stromaufwärts”, „stromabwärts”, „in Flussrichtung vor” und „in Flussrichtung hinter” jeweils auf eine Hauptflussrichtung in der Ansaugpassage und in der Abgaspassage bezogen. Die Hauptflussrichtung in der Ansaugpassage ist von einem Frischlufteinlass zu einem Motoreinlass gerichtet. Die Hauptflussrichtung in der Abgaspassage ist von einem Motorauslass zu einem Abgasauslass gerichtet.Hereinafter, terms such as "upstream", "downstream", "upstream" and "downstream" are respectively referred to a main flow direction in the intake passage and the exhaust passage. The main flow direction in the intake passage is directed from a fresh air inlet to an engine intake. The main flow direction in the exhaust passage is directed from an engine exhaust to an exhaust outlet.
Der Verbrennungsmotor weist eine Rückführungsvorrichtung für gefiltertes Abgas auf. Eine solche Vorrichtung ist dazu ausgebildet, gefiltertes Abgas aus der Abgaspassage zur Ansaugpassage zurückzuführen, wobei die Rückführungsvorrichtung mit der Abgaspassage in einem Bereich in Flussrichtung hinter einem Partikelfilter verbunden ist.The internal combustion engine has a filtered exhaust gas recirculation device. Such an apparatus is configured to recirculate filtered exhaust gas from the exhaust passage to the intake passage, the recirculation apparatus being connected to the exhaust passage in a downstream portion behind a particulate filter.
Die Abgaspassage weist mindestens zwei Segmente auf, wobei in einem ersten Segment, das sich in Flussrichtung vor einem Partikelfilter befindet, ungefiltertes Abgas fließt und in einem zweiten Segment, das in Flussrichtung hinter dem Partikelfilter angeordnet ist, gefiltertes Abgas fließt. Das rückgeführte Abgas wird über die Rückführungsvorrichtung zur Ansaugpassage geführt.The exhaust passage has at least two segments, with unfiltered exhaust flowing in a first segment upstream of a particulate filter and filtered exhaust flowing in a second segment downstream of the particulate filter. The recirculated exhaust gas is guided via the recirculation device to the intake passage.
Die Ansaugpassage weist mindestens ein erstes Segment und ein zweites Segment auf. Das erste Segment ist stromaufwärts zu dem Zufluss von rückgeführtem gefiltertem Abgas zur Ansaugpassage angeordnet. In dem ersten Segment fließt bevorzugt nur Frischluft. Das zweite Segment der Ansaugpassage ist stromabwärts zu dem Zufluss von rückgeführtem gefiltertem Abgas und stromaufwärts zum Motoreinlass angeordnet. In diesem zweiten Segment kann ein Gemisch von Frischluft und gefiltertem Abgas fließen.The intake passage has at least a first segment and a second segment. The first segment is located upstream of the return of filtered exhaust filtered to the intake passage. In the first segment, preferably only fresh air flows. The second segment of the intake passage is located downstream of the inflow of recirculated filtered exhaust gas and upstream of the engine intake. In this second segment, a mixture of fresh air and filtered exhaust gas can flow.
In dem zweiten Segment der Ansaugpassage ist ein Sauerstoffsensor angeordnet, mit dem die O2-Konzentration (= Sauerstoff-Konzentration) im Gemisch von Frischluft und rückgeführtem gefiltertem Abgas im zweiten Segment der Ansaugpassage erfassbar ist. Das O2-Regelungssystem gemäß der Erfindung kann die O2-Konzentration in dem Gemisch in dem zweiten Segment der Ansaugpassage durch Regulieren einer Durchflussrate von gefiltertem Abgas aus der Rückführvorrichtung für gefiltertes Abgas regeln, wobei die Regelung auf einem in dem zweiten Segment der Ansaugpassage erfassten Wert der O2-Konzentration basiert. Die Regelung der O2-Konzentration wird in einem geschlossenen Regelkreis ausgeführt. Auf diese Weise kann eine besonders genaue Regelung der O2-Konzentration in der Ansaugpassage erfolgen.In the second segment of the intake passage, an oxygen sensor is arranged, with which the
Eine Regelung der O2-Konzentration kann bevorzugt derart erfolgen, dass der von dem Sauerstoffsensor erfasste Wert der O2-Konzentration in dem Gemisch von Frischluft und rückgeführtem gefiltertem Abgas im zweiten Segment der Ansaugpassage mit einem Soll-Wert verglichen wird. Ist der erfasste Wert der O2-Konzentration zu hoch, kann die Durchflussrate von rückgeführtem gefiltertem Abgas aus der Abgasrückführungsvorrichtung erhöht werden. Ist die erfasste O2-Konzentration zu niedrig, kann die Durchflussrate von rückgeführtem gefiltertem Abgas vermindert werden. A regulation of the
Je nach Ausführung des Sauerstoffsensors kann der Fall eintreten, dass dieser eine Verzögerungszeit für die Erfassung einer O2-Konzentration aufweist. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das O2-Regelungssystem einen modellbasierten Regler zur Berechnung eines prädiktiven O2-Konzentrationswerts aufweist. Das Modell des Reglers ist bevorzugt dazu angepasst, die Verzögerungszeit der O2-Konzentrationserfassung zu antizipieren. Ein solcher modellbasierter Regler kann einen prädiktiven O2-Konzentrationswert für das Gemisch von Frischluft und rückgeführtem gefiltertem Abgas im zweiten Segment der Ansaugpassage berechnen. Eine Regelung der O2-Konzentration in der Ansaugpassage kann bevorzugt derart erfolgen, dass der prädiktive O2-Konzentrationswert durch den modellbasierten Regler mit einem Soll-Wert verglichen wird. Ist der prädiktive O2-Konzentrationswert zu gering, kann ein Massenstrom von rückgeführtem gefiltertem Abgas erhöht werden und umgekehrt. Auf diese Weise kann eine noch schnellere Regelung der O2-Konzentration in der Ansaugpassage ausgeführt werden.Depending on the design of the oxygen sensor, it may be the case that it has a delay time for detecting an
Das Modell eines modellbasierten Reglers kann auch dazu angepasst sein, die Verzögerungszeit einer O2-Konzentrationseinstellung zu antizipieren. Eine Verzögerungszeit bei der O2-Konzentrationseinstellung kann beispielsweise in der Zeit bestehen, welche der Mischungsprozess von den Massenströmen von Frischluft und rückgeführtem gefiltertem Abgas sowie der Zeit für den Massentransport vom Zufluss von rückgeführtem Abgas bis zum Sauerstoffsensor erfordern. Durch die Antizipation der Verzögerungszeit einer O2-Konzentrationseinstellung durch einen modellbasierten Regler kann eine besonders zielgenaue und schnelle Einstellung der gewünschten O2-Konzentration erfolgen. Ein verzögerungszeitbedingtes Überschwingen der Regelgröße kann vorteilhafter Weise vermieden wird.The model of a model-based controller may also be adapted to anticipate the delay time of an O2 concentration adjustment. For example, a delay time in the O2 concentration adjustment may exist in the time required for the mixing process of the mass flows of fresh air and recycled filtered exhaust gas and the time for the mass transport from the recirculated exhaust gas inflow to the oxygen sensor. By anticipating the delay time of an O2 concentration setting by a model-based controller, a particularly accurate and rapid adjustment of the desired O2 concentration can be made. A delay time-related overshoot of the controlled variable can advantageously be avoided.
In dem ersten Segment der Ansaugpassage kann bevorzugt ein Massenstromsensor zur Bestimmung eines Massenstroms von Frischluft angeordnet sein. Eine messtechnische Erfassung des Massenstroms von Frischluft bietet den Vorteil, dass für eine Regelung der O2-Konzentration ein besonders genauer und aktueller Eingangswert genutzt werden kann. Ein messtechnisch erfasster Wert des Massenstroms an Frischluft kann insbesondere erheblich genauer sein als ein auf Grund eines Differenzdrucks zwischen dem Außendruck und einem Ansaugdruck rechnerisch ermittelter Wert eines Massenstroms.In the first segment of the intake passage, a mass flow sensor for determining a mass flow of fresh air may preferably be arranged. A metrological detection of the mass flow of fresh air offers the advantage that a particularly accurate and up-to-date input value can be used to control the O2 concentration. A metrologically detected value of the mass flow of fresh air can in particular be considerably more accurate than a value of a mass flow calculated on the basis of a differential pressure between the external pressure and a suction pressure.
Das O2-Regelungssystem kann bevorzugt einen Regler aufweisen, der dazu angepasst ist, die Berechnung eines prädiktiven O2-Konzentrationswerts in dem zweiten Segment der Ansaugpassage basierend auf einem physikalischen Modell für den Mischungsprozess des Massenstroms an Frischluft und des Massenstroms an rückgeführtem gefiltertem Abgas auszuführen. Ein solches physikalisches Modell kann dazu geeignet sein, besonders genaue prädiktive O2-Konzentrationswerte für das Gemisch von Frischluft und rückgeführtem gefiltertem Abgas in dem zweiten Segment der Ansaugpassage zu berechnen. Es kann hierbei insbesondere ein momentan erfasster O2-Konzentrationswert in dem zweiten Segment der Ansaugpassage zur Korrektur des Modells verwendet werden, um die Prädiktionsgenauigkeit für zukünftige Berechnungsschritte zu verbessern.The O2 control system may preferably include a controller adapted to perform the calculation of a predictive O2 concentration value in the second segment of the intake passage based on a physical model for the mixing process of the mass flow of fresh air and the mass flow of recirculated filtered exhaust gas. Such a physical model may be capable of calculating very accurate
Ein momentan erfasster O2-Konzentrationswert kann beispielsweise derart berücksichtigt werden, dass dieser unter Einbeziehung der Verzögerungszeit einer O2-Konzentrationserfassung und/oder unter Einbeziehung der Verzögerungszeit einer O2-Konzentrationseinstellung mit einem in einem früheren Zeitintervall berechneten prädiktiven O2-Konzentrationswert verglichen wird, der auf den Zeitpunkt der momentanen O2-Konzentrationserfassung bezogen ist. Es kann also ein prädiktiver O2-Konzentrationswert im Nachhinein mit einem tatsächlich gemessenen O2-Konzentrationswert verglichen werden, wobei eine festgestellte Abweichung zur Adaption des physikalischen Modells verwendet wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein linearer Korrekturfaktor für die Einstellung des Massenstroms von rückgeführtem gefiltertem Abgas in Richtung einer Verbesserung der Regelungsgenauigkeit angepasst werden. Es können auch andere bekannte Verfahren zur Adaption eines Regelungsmodells verwendet werden. Durch die Adaption kann die Regelgüte des O2-Regelungssystems über mehrere Berechnungszyklen hinweg optimiert werden.For example, a currently detected O2 concentration value may be considered to be compared to a predictive O2 concentration value computed at an earlier time interval including the delay time of O2 concentration detection and / or including the delay time of an O2 concentration adjustment Time of the current O2 concentration detection is related. Thus, a
Das O2-Regelungssystem kann bevorzugt Mittel zur Kalibrierung der O2-Erfassung aufweisen. Hierdurch kann es vorteilhafter Weise möglich sein, beispielsweise druckabhängige Abweichungen eines O2-Konzentrationsmesswerts des Sauerstoffsensors zu korrigieren, wodurch das O2-Regelungssystem besonders robust gegen Störeinflüsse sein kann.The O2 control system may preferably have means for calibrating the O2 detection. As a result, it can be advantageously possible to correct, for example, pressure-dependent deviations of an
Eine Kalibrierung der O2-Erfassung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein bei einem bekannten Druck im Bereich des Sauerstoffsensors ermittelter Messwert für die O2-Konzentration mit einem druckabhängig aus einem Kennfeld oder einer Funktion abgeleiteten Korrekturfaktor multipliziert wird. Alternativ kann eine Ersetzung des bei einem bekannten Druck erfassten Messwerts der O2-Konzentration durch einen korrigierten O2-Konzentrationswert erfolgen, der aus einer Zuordnungstabelle entnommen wird.A calibration of the O2 detection can be done, for example, that one at a known pressure in the range of the oxygen sensor measured value for the O2 concentration is multiplied by a pressure-dependent derived from a map or a function correction factor. Alternatively, a replacement of the measured value of the
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung aufgezeigt.In the dependent claims further advantageous embodiments of the invention are shown.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielshaft und schematisch dargestellt. Es zeigt:The invention is shown by way of example and schematically in the drawing. It shows:
Die Erfindung betrifft ein O2-Regelungssystem (
Der Verbrennungsmotor (
Der Verbrennungsmotor (
Im Weiteren wird unter dem Begriff „Abgas” ein aus einer Brennkammer des Verbrennungsmotors (
Der in
Die Ansaugpassage (
In dem zweiten Segment (
In dem in
Die Abgaspassage (
Das O2-Regelungssystem (
In dem zweiten Segment (
Eine Anordnung des Sauerstoffsensors (
Eine Regelung der O2-Konzentration im zweiten Segment (
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Regler (
Im ersten Segment (
Im zweiten Segment (
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das O2-Regelungssystem (
Das O2-Regelungssystem kann bevorzugt Mittel zur Kalibrierung der Verzögerungszeit aufweisen, die dazu angepasst sind, die Verzögerungszeit einer O2-Konzentrationserfassung durch den Sauerstoffsensor (
Alternativ oder zusätzlich kann das O2-Regelungssystem (
Alternativ oder zusätzlich kann das O2-Regelungssytem (
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Verbrennungsmotor (
Im Bereich einer Ansaugpassage (
Bei einem Verbrennungsmotor (
Um einen Homogenitätsgrad des Gasgemisches von Frischluft (
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die dargestellten Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert, untereinander vertauscht oder weggelassen werden. Ein Verbrennungsmotor (
Ein Kompressor (
Eine Regelung der O2 Konzentration in dem zweiten Segment (
Ein Drucksensor (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- O2 RegelungssystemO2 control system
- 22
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 33
- Ansaugpassageintake passage
- 3_13_1
- Erstes Segment der AnsaugpassageFirst segment of intake passage
- 3_23_2
- Zweites Segment der AnsaugpassageSecond segment of the intake passage
- 3_33_3
- Drittes Segment der AnsaugpassageThird segment of intake passage
- 44
- Abgaspassageexhaust passage
- 4_14_1
- Erstes Segment der AbgaspassageFirst segment of the exhaust passage
- 4_24_2
- Zweites Segment der AbgaspassageSecond segment of the exhaust gas passage
- 55
- Rückführungsvorrichtung für gefiltertes AbgasReturn device for filtered exhaust gas
- 66
- Gefiltertes AbgasFiltered exhaust
- 77
- Zufluss von gefiltertem AbgasInflow of filtered exhaust gas
- 88th
- Frischluftfresh air
- 99
- Motoreinlassengine intake
- 1010
- MotorauslassEngine exhaust
- 1111
- Partikelfilterparticulate Filter
- 1212
- Ungefiltertes AbgasUnfiltered exhaust
- 1313
- Sauerstoffsensoroxygen sensor
- 1414
- Reglerregulator
- 1515
- MassenflusssensorMass flow sensor
- 1616
- Zweiter SauerstoffsensorSecond oxygen sensor
- 1717
- Kompressorcompressor
- 1818
- LadeluftkühlerIntercooler
- 1919
- Turbineturbine
- 2020
- Rückführungsvorrichtung für ungefiltertes AbgasReturn device for unfiltered exhaust gas
- 2121
- Drucksensorpressure sensor
- 2222
- Steuerventilcontrol valve
- 2323
- Rückgeführtes gefiltertes AbgasReturned filtered exhaust
- 2424
- FrischlufteinlassFresh air inlet
- 2525
- Abgasauslassexhaust outlet
- 2626
- Zufluss von ungefiltertem AbgasInflow of unfiltered exhaust gas
- 2727
- Rückgeführtes ungefiltertes AbgasReturned unfiltered exhaust
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-
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