-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
-
Zur Senkung der Stickoxidemissionen einer Verbrennungskraftmaschine ist es bekannt, eine Rückführung von Abgas aus der Abgas- in die Ansaugleitung vorzunehmen. Derartige Verfahren sind auch als externe Abgasrückführung bekannt. Weiterhin sind Verfahren zur internen Abgasrückführung bekannt, wobei über eine bestimmte Einstellung der Steuerzeiten und/oder des Hubes der Gaswechselventile der Verbrennungskraftmaschine Abgas in dem Brennraum zurückgehalten oder aus der Abgas- und/oder Ansaugleitung wieder in den Brennraum zurückgeführt wird. Zur Einstellung einer bestimmten Abgasrückführrate ist es beispielsweise aus der
EP 1 429 007 B1 vorbekannt, stufenweise mit einer externen und einer internen Abgasrückführung zu arbeiten. Insbesondere wird über eine externe Abgasrückführung mittels eines Abgasrückführventils in eine ersten Stufe grob ein Sollwert für die Abgasrückführrate eingestellt. In einer weiteren Stufe wird für den Fall, dass der Sollwert für die Abgasrückführrate nicht eine bestimmte Genauigkeit aufweist, eine Feineinstellung der Abgasrückführrate über eine interne Abgasrückführung, insbesondere durch ein Einwirken auf die Ein- und/oder Auslassventilbetätigung, vorgenommen. Zur Sicherstellung hoher Abgasrückführraten ist es weiterhin vorbekannt, als weiteres Stellelement die Leitschaufeln der Turbine eines Abgasturboladers zu nutzen. Ferner ist es zum gleichen Zweck vorbekannt, eine Drosselung in der Ansauganlage der Verbrennungskraftmaschine stromaufwärts der Einleitung von dem rückzuführenden Abgas vorzunehmen. Außerdem ist es vorbekannt, eine so genannte Niederdruckabgasrückführung vorzusehen, wobei Abgas stromabwärts der Turbine eines Abgasturboladers der Abgasanlage entnommen und stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers der Ansauganlage über eine Verbindungsleitung zugeführt wird, wobei weiterhin zur Beeinflussung des Anteils an rückzuführendem Abgas stromabwärts dieser Verbindungsleitung eine Drosselklappe in der Abgasleitung vorgesehen ist. Alle genannten Mittel zur Beeinflussung der rückzuführenden Abgasmenge beeinflussen sich in ihren Wirkungen gegenseitig, wobei, insbesondere durch die vielen möglichen Schaltstellungen der Mittel zueinander, es nicht ausgeschlossen ist, dass die Verbrennungskraftmaschine zumindest zeitweise nicht mit optimalen Betriebsparametern betrieben wird. Insbesondere ist es möglich, dass eine sprunghafte Änderung der Vorgabe für eine rückzuführende Abgasmasse erfolgt, wobei zunächst ein vollständiges Öffnen des Abgasrückführventils erfolgt und im weiteren Verlauf zur Schaffung eines hohen Druckgefälles die Leitschaufeln der Turbine des Abgasturboladers geschlossen werden sowie eine Drosselung in der Ansauganlage erfolgt, wobei zumindest kurzzeitig sowohl Ansaug- als auch Ausschiebeverluste vorliegen, welche die Wirtschaftlichkeit der Verbrennungskraftmaschine nachteilig beeinflussen. Insbesondere würde hier ein stufenweises Vorgehen zur Grob- und Feineinstellung gemäß dem Stand der Technik nachteilig wirken, da nach dem zeitbehafteten Einstellen der Stellgrößen zur Grobeinstellung der erforderlichen Abgasrückführrate noch eine weitere zeitbehaftete Feineinstellung erfolgen muss. Anders gesagt ist es gemäß dem Stand der Technik und insbesondere bei derart komplexen Systemen schwierig, genau und rasch eine Einstellung einer bestimmten Abgasrückführrate durchzuführen.
-
Gemäß der
DE 43 22 319 C2 wird das Problem behandelt, dass sich bei der Einstellung einer Abgasrückführungrate in Abhängigkeit eines vorgegebenen Kraftstoffmengensignals, aufgrund von mechanischen Toleranzen und Drifterscheinungen im Laufe des Betriebes einer Verbrennungskraftmaschine, eine falsch eingestellte Abgasrückführrate ergeben kann. Um dieses Problem zu lösen wird vorgeschlagen, mittels eines Luftmassenmessers, die von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luftmasse zu bestimmen sowie mittels eines Lambdasensors die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu bestimmen und in Abhängigkeit des vorgegebenen Kraftstoffmengensignals und der mittels des Lambdasensors gemessenen Sauerstoffkonzentration im Abgas ein berechnetes Luftmengensignal zu bilden, das eine Information über die Abweichung einer erwarteten und einer tatsächlichen Sauerstoffkonzentration im Abgas, also nach der Verbrennung, enthält bzw. das darauf hinweist, in welchem Maße das gewünschte Kraftstoffmengensignal auch zu einer gewünschten Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine geführt hat bzw. ob die Abgassrückführrate richtig eingestellt wurde oder nicht. Der Lambdasensor ist in der Abgasanlage angeordnet und dessen Signal weist daher eine erhebliche Totzeit auf. Zudem wird das Signal des Lambdasensors in einem relativ langsamen überlagerten Regelkreis und nicht in einem schnellen unterlagerten Regelkreis einer Kaskadenregelung verarbeitet, so dass eine rasche und genaue Einstellung einer bestimmten Abgasrückführrate nicht sicher ist.
-
Aus der
DE 10 2008 018 193 B3 ist ein Verfahren zur Luftmassenstromregelung bei einer Verbrennungskraftmaschine vorbekannt. Hierbei wird eine Kaskadenregelung mit einer äußeren Regelschleife zur Regelung des Luftmassenstroms und mit einer inneren Regelschleife zur Regelung des Abgasgegendruckes verwendet. Die Berücksichtigung einer Information über die Sauerstoffkonzentration in dem rückgeführten Abgas wird hier nicht vorgenommen.
-
Schließlich ist aus der
DE 10 2009 016 509 A1 ein System zur Regelung einer Abgasrückführrate bei einer Verbrennungskraftmaschine vorbekannt. Hieraus ist es vorbekannt, über die Einstellung eines Abgasrückführmassenstroms, in der Ansauganlage der Verbrennungskraftmaschine einen Sauerstoffgehalt zu ermitteln. Weiterhin ist es hieraus vorbekannt, eine Kaskadenregelung zu verwenden, wobei die äußere Regelschleife auf einen realen NOx-Sensor und die innere Regelschleife auf eine Lambdasonde zurückgreift. Ausserdem ist es daraus vorbekannt eine Kaskadenregelung zu verwenden, wobei in die äußere Regelschleife virtuelle Sauerstoffwerte eingehen und die innere Regelschleife auf einen realen NOx-Sensor zurückgreift. Ferner wird hier offenbart, dass unter Nutzung des Sauerstoffgehaltes des zurückgeführten Abgases eine Berechnung der Sauerstoffkonzentration des der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Gases möglich ist. Darüber hinaus ist es hieraus vorbekannt, über eine Sauerstoffkonzentration am Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine über Korrelationen eine Stickoxidkonzentration im Abgas zu berechnen. Ausserdem ist es hieraus vorbekannt, einen Abgasrückführmassenstrom über eine Lambdasonde zu adaptieren. Zusammengefasst wird hier ein Verfahren zum Einstellen eines Abgasrückführmassenstroms unter Berücksichtigung des NOx-Verhaltens über eine Kopplung einer virtuellen NOx-Bestimmung und einer NOx-Regelung beschrieben, wobei ein modellgestützter prädiktiver Regler zum Einstellen des virtuell bestimmten NOx-Wertes verwendet wird. Das gesamte Verfahren geht von einer Reihe von Modellen und Annahmen aus, welche u. a. mittels eines Lambdasensors oder eines NOx-Sensors adaptiert werden, so dass ein sehr komplexes Gesamtsystem entsteht, welches die Ressourcen eines zur Steuerung und Regelung einer Verbrennungskraftmaschine verwendeten Mikrocomputers erheblich belastet.
-
Aufgabe ist, diesem Missstand entgegenzuwirken. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird erfindungsgemäß eine Kaskadenregelung mit einer inneren und einer äußeren Regelschleife vorgeschlagen, wobei die äußere Schleife die Sauerstoffkonzentration in der Ansauganlage und die innere Schleife die Abgasrückführrate regelt. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird auf diese Weise die vergleichsweise schnell einstellbare Abgasrückführrate als Hilfsregelgröße herangezogen, die ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in der Ansauganlage ist, wobei die Sauerstoffkonzentration in der Ansauganlage nur mit einer vergleichsweise großen Zeitverzögerung einen neuen Vorgabewert erreicht. Insbesondere wird erfindungsgemäß zunächst ein Sollwert für eine Konzentration an Sauerstoff in der Ansauganlage vorgegeben und dieser wird mit einem Istwert für eine Konzentration an Sauerstoff in der Ansauganlage verglichen sowie ein Differenzwert zwischen Soll- und Istwert gebildet, wobei dieser Differenzwert einem ersten Regler zugeführt wird, wobei mittels des ersten Reglers ein erster Sollwert für einen gesamten rückzuführenden Anteil an Abgas gebildet wird, wobei dieser Sollwert mit einem Istwert des gesamten rückzuführenden Anteils an Abgas verglichen und ein Differenzwert zwischen Soll- und Istwert des gesamten rückzuführenden Anteils an Abgas gebildet wird, wobei dieser Differenzwert einem zweiten Regler zugeführt wird, wobei mittels des zweiten Reglers Stellgrößen für die entsprechenden Stellmittel gebildet werden. In einer Ausführung wird mittels des zweiten Reglers eine zentrale Stellgröße gebildet, die dann auf die entsprechenden Stellmittel aufgeteilt wird. In einer Ausführung erfolgt diese Aufteilung durch eine Gewichtung des Anteils des einzelnen Stellmittels an der Einstellung der zentralen Stellgröße. Durch die Gewichtung des Einflusses der einzelnen Stellmittel können gezielt die Eigenschaften des jeweiligen Stellmittels auf die Eigenschaften der Bereitstellung des rückzuführenden Abgases berücksichtigt werden. Die zentrale Stellgröße kann beispielsweise eine Gesamtmasse an rückzuführendem Abgas sein. Einzelne Stellgrößen sind insbesondere die Steuerzeiten der Gaswechselventile der Verbrennungskraftmaschine und/oder deren Hub. Stellgrößen sind weiterhin Ventile in den Abgasrückführleitungen einer Hoch- und Niederdruckabgasrückführung, die Leitschaufeln der Turbine eines Abgasturboladers sowie Drosselklappen in der Ansaug- und Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine.
-
Beispielsweise kann die Gewichtung so erfolgen, dass besonders heißes, aber schnell rückführbares Abgas mittels einer Beeinflussung der Steuerzeiten der Gaswechselventile der Verbrennungskraftmaschine und/oder deren Hub während des Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine höher gewichtet wird, als wenn die Verbrennungskraftmaschine Betriebstemperatur hat, d. h. die Gewichtung kann in Abhängigkeit von Parametern der Verbrennungskraftmaschine erfolgen, wie der Temperatur oder anderen. Der Istwert für eine Konzentration an Sauerstoff in der Ansauganlage kann gemessen werden, beispielsweise mit einer Lambdasonde oder aber der Istwert wird mittels am es virtuellen Sauerstoffsensors/Beobachters bestimmt. Der Istwert des gesamten rückzuführenden Anteils an Abgas wird erfindungsgemäß mittels eines Beobachters modelliert. Sowohl der erste, als auch der zweite Regler kann individuell ein- und ausgeschaltet werden, so dass verschiedene Varianten der Einstellung der Konzentration an Sauerstoff in der Ansauganlage möglich sind.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
-
Hierbei zeigen:
-
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der vorlegenden Erfindung,
-
2: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung der vorlegenden Erfindung.
-
Gemäß 1 ist eine erfindungsgemäße Kaskadenregelung mit einer inneren Regelschleife IR und einer äußeren Regelschleife ÄR zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung dargestellt. Mittels der inneren Regelschleife IR erfolgt ein Vergleich eines Sollwertes AGR_Gesamt_Soll mit einem Istwert AGR_Gesamt_Ist, wobei der Differenzwert Delta_AGR_Gesamt einem Regler PID_1 zugeführt wird, wobei eine Stellgröße dm_AGR_Gesamt_Soll gebildet wird. Die Stellgröße dm_AGR_Gesamt_Soll, die bevorzugt einen gesamten einzustellenden Abgasmassenstrom darstellt, wird im weiteren Verlauf einem Block S zugeführt, wobei in Block S eine Aufteilung der Stellgröße dm_AGR_Gesamt_Soll auf die einzelnen Stelleinrichtungen beziehungsweise zugeordneten Vorsteuerungen in den Blöcken U, U' und U'' erfolgt, wobei insbesondere eine Aufteilung in Form einer Gewichtung der Stellgröße dm_AGR_Gesamt_Soll erfolgt, wobei beispielsweise ein bestimmter Anteil dm_HDAGR_Soll der Stellgröße dm_AGR_Gesamt_Soll auf die so genannte Hochdruck-Abgasrückführung und ein bestimmter Anteil dm_NDAGR_Soll der Stellgröße dm_AGR_Gesamt_Soll auf die so genannte Niederdruck-Abgasrückführung aufgeteilt wird, wobei eine Stellgröße der Hochdruck-Abgasrückführung das Abgasrückführventil in der Hochdruckabgasrückführleitung ist, die zwischen Abgas- und Ansaugleitung stromaufwärts der Turbine und stromabwärts des Verdichters eines Abgasturboladers angeordnet ist. Eine Stellgröße der Niederdruck-Abgasrückführung ist insbesondere das Abgasrückführventil in der Niederdruckabgasrückführleitung, die zwischen Abgas- und Ansaugleitung stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Verdichters eines Abgasturboladers angeordnet ist. Verfügt die Verbrennungskraftmaschine über einen variablen Ventiltrieb, kann auch die Stellgröße dm_iAGR_Soll berücksichtigt werden. Mittels der äußeren Regelschleife ÄR erfolgt ein Vergleich eines Sollwertes O2_Soll für die Sauerstoffkonzentration in der Ansauganlage mit einem Istwert O2_Ist, wobei der Differenzwert Delta_O2 einem weiteren Regler PID_2 zugeführt wird, wobei als Stellgröße der Sollwert AGR_Gesamt_Soll gebildet wird, so dass die innere Regelschleife IR und die äußere Regelschleife ÄR miteinander verbunden sind. Der Istwert O2_Ist kann mittels eines Sauerstoffkonzentrationssensors oder mittels eines Modells/Beobachters bestimmt werden. Der Istwert AGR_Gesamt_Ist wird bevorzugt mittels eines Modells/Beobachters bestimmt. Parallel zu den beiden Reglern PID_1 und PID_2 können in einer Ausführung zur Verbesserung des Führungsverhaltens Vorsteuerungen A und A' vorgesehen sein. Die jeweilige Vorsteuerung kann in Abhängigkeit von Betriebsparametern BP der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Die beiden Regler PID_1 und PID_2 sowie die Vorsteuerungen A und A' können individuell ein- und ausgeschaltet werden. Alle Stelleinrichtungen/Aktuatoren sind im geschlossenen Regelkreis. Ungenauigkeiten bei der Aufteilung S oder bei der Umsetzung in ein Ansteuersignal in U, U' oder U'' werden von den Reglern PID_1 beziehungsweise PID_2 kompensiert.
-
In einer weiteren Ausführung gemäß 2 ist es vorgesehen, den mittels des weiteren Reglers PID_2 gebildeten Sollwert AGR_Gesamt_Soll einem Block S zuzuführen, wobei in Block S eine Aufteilung der Stellgröße AGR_Gesamt_Soll erfolgt und die einzelnen Anteile der Stellgröße AGR_Gesamt_Soll auf die zur Einstellung des gesamten einzustellenden Abgasmassenstroms zur Verfügung stehenden Stellmittel aufgeteilt werden. Insbesondere erfolgt eine Aufteilung in Form einer Gewichtung der Stellgröße AGR_Gesamt_Soll, wobei die einzelnen Anteile der Stellgröße AGR_Gesamt_Soll, beispielsweise in Farm von Massenstromanteilen, jeweils einer Vorsteuerung FF, FF' und FF'' zugeführt werden, so dass insbesondere ein bestimmtes Ansteuersignal AS_HDAGR_VS auf die so genannte Hochdruck-Abgasrückführung und ein bestimmtes Ansteuersignal AS_NDAGR_VS auf die so genannte Niederdruck-Abgasrückführung und gegebenenfalls auf den variablen Ventiltrieb AS_iAGR_VS aufgeteilt wird. Die Vorsteuerung FF, FF' und FF'' kann beispielsweise kennfeld- oder modellbasiert erfolgen. Der mittels des weiteren Reglers PID_2 gebildete Sollwert AGR_Gesamt_Soll wird mit einem Istwert AGR_Gesamt_Ist verglichen, wobei der Differenzwert Delta_AGR_Gesamt einem Auswahlblock X zugeführt wird, der jeweils einen der nachfolgenden Regler PID_1, PID_1' oder PID_1'' aktiviert. Insbesondere ist stets nur einer der Regler PID_1, PID_1' oder PID_1'' zur gleichen Zeit aktiv. Der Auswahlblock X übernimmt des Ein- und Ausschalten des jeweiligen Reglers PID_1, PID_1' oder PID_1'' sowie die dazu notwendige zeitliche Koordination. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird durch die Verwendung jeweils eines Reglers PID_1, PID_1' oder PID_1'' für jeden Pfad zur Abgasrückführung die unterschiedliche Dynamik der einzelnen Pfade durch eine gezielte individuelle Abstimmung der Regler PID_1, PID_1' oder PID_1'' berücksichtigt, Das mittels PID_1, PID_1' oder PID_1'' gebildete bestimmte Ansteuersignal AS_HDAGR_R, AS_NDAGR_R beziehungsweise AS_iAGR_R wird im weiteren Verlauf jeweils mit dem entsprechenden Ansteuersignal aus der Vorsteuerung FF, FF' oder FF'' AS_HDAGR_VS, AS_NDAGR_VS beziehungsweise AS_iAGR_VS zusammengeführt und im noch weiteren Verlauf erfolgt eine Ansteuerung der jeweiligen Stellmittel, wie Abgasrückführventilen, seitens der Hoch- oder Niederdruckabgasrückführung oder dem variablen Ventiltrieb. Befindet sich das zusammengeführte Ansteuersignal, d. h. die Summe des Ansteuersignals des aktiven Reglers PID_1, PID_1' oder PID_1'' und dem Ansteuersignal der dazugehörigen Vorsteuerung, in einer minimalen oder maximalen Begrenzung und der Sollwert AGR_Gesamt_soll ist noch nicht erreicht, erfolgt vom Auswahlblock X die Aktivierung eines weiteren Reglers aus PID_1, PID_1' oder PID_1'', um den Sollwert AGR_Gesamt_soll einzuregeln. Ist dann auch des zusammengeführte Ansteuersignal des zweiten Reglers und der dazugehörigen Vorsteuerung in einer minimalen oder maximalen Begrenzung und der Sollwert AGR_Gesamt_soll ist immer noch nicht erreicht, wird vom Auswahlblock X der dritte Regler aktiviert.
