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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, mit einer Luft- und Abgasanlage, die mindestens eine Drossel aufweist, mit einer Abgasrückführung, die an zwei Verbindungsstellen mit der Luft- und Abgasanlage strömungstechnisch verbunden ist, und mit einer Messvorrichtung, die dazu ausgebildet ist einen Atmosphärendruck zu erfassen, einen Gasdruck an einer Messstelle innerhalb der Luft- und Abgasanlage zu erfassen, und einen Differenzdruck in Abhängigkeit des Gasdrucks und des Atmosphärendrucks zu ermitteln, wobei die Messstelle strömungstechnisch zwischen der Drossel und der Brennkraftmaschine und in einem Bereich einer der Verbindungsstellen angeordnet ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, mit einer Luft- und Abgasanlage, die eine Drossel aufweist, mit einer Abgasrückführung, die an zwei Verbindungsstellen mit der Luft- und Abgasanlage strömungstechnisch verbunden ist, mit den Schritten:
- - Erfassen eines Atmosphärendrucks,
- - Erfassen eines Gasdrucks innerhalb der Luft- und Abgasanlage, wobei der Gasdruck strömungstechnisch zwischen der Drossel und der Brennkraftmaschine und in einem Bereich einer der Verbindungsstellen erfasst wird, und
- - Ermitteln eines Differenzdrucks in Abhängigkeit des Gasdrucks und des Atmosphärendrucks.
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Stand der Technik
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Auf dem Gebiet der Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge, die eine Brennkraftmaschine aufweisen, ist es allgemein bekannt, eine Abgasrückführung vorzusehen. Diese werden eingesetzt um Emissionen zu verringern. Eine optimale Regelung der Abgasrückführung ist wesentlich zur Erreichung von gesetzlich vorgeschriebenen Emissionswerten.
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Die Abgasrückführung entnimmt Abgas an einer Verbindungsstelle aus einer Luft- und Abgasanlage des Antriebssystems. Diese Verbindungsstelle ist somit als Entnahmestelle ausgebildet und befindet sich strömungstechnisch nach der Brennkraftmaschine. Das Abgas wird durch einen Kühler in der Abgasrückführung geführt und dort abgekühlt. Weiter weist die Abgasrückführung eine Rückführdrossel auf, die einen Massenstrom an Abgas in der Abgasrückführung steuern kann. Zur Regelung des Massenstroms wird ein Differenzdruck ermittelt, der durch die Drossel erzeugt wird. Anhand des Differenzdrucks kann der Massenstrom bestimmt und durch stellen der Drossel angepasst werden.
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Es sind zwei Arten von Abgasrückführungen bekannt, eine Abgasrückführung in einem Niederdruckbereich und eine Abgasrückführung in einem Hochdruckbereich der Luft- und Abgasanlage.
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Weist das Antriebssystem keinen Turbolader auf, dann ist die gesamte Luft- und Abgasanlage typischerweise als Niederdruckbereich ausgebildet. Weist das Antriebssystem einen Turbolader auf, dann definiert dieser den Hochdruckbereich und den Niederdruckbereich. Der Hochdruckbereich ist der Bereich der Luft- und Abgasanlage, in dem Luft oder Abgas durch Einwirkung des Turboladers komprimiert wird. Der Niederdruckbereich liegt dann in dem Teil der Luft- und Abgasanlage vor, der außerhalb des Turboladers liegt.
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Bei Antriebssystemen mit einem Turbolader werden heute auch beide Arten von Abgasrückführungen parallel eingesetzt.
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Bei einer Abgasrückführung im Hochdruckbereich kann der Differenzdruck sehr einfach und genau ermittelt werden, da große Druckdifferenzen auftreten, welche sich einfach sensorisch erfassen lassen.
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Bei einer Abgasrückführung im Niederdruckbereich sind die Druckdifferenzen gering, sodass eine Erfassung der Druckdifferenz erschwert wird. Dabei ist eine genaue Erfassung der Druckdifferenz notwendig, da der Massenstrom in dieser Abgasrückführung sehr sensitiv auf Änderungen der Druckdifferenz reagiert.
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Es ist daher bekannt, diese Druckdifferenz mit einem geeigneten Differenzdrucksensor zu messen. Hierzu wird ein Abgasdruck an einer ersten Messstelle im Bereich der Entnahmestelle vor der Rückführdrossel erfasst. Zudem wird ein weiterer Abgasdruck an einer zweiten Messstelle in einem Bereich innerhalb der Abgasrückführung nach der Rückführdrossel erfasst. Der Differenzdrucksensor ermittelt automatisch die Druckdifferenz, indem die beiden Drücke relativ zueinander gemessen werden. Der Differenzdrucksensor weist hierzu eine geeignete Sensorik auf. Diese hat aufgrund der relativen Erfassung die Möglichkeit, ihren Messbereich gut auszunutzen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass bei einem Massenstrom von Null eine Offsetadaption durchgeführt werden kann.
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Nachteilig ist jedoch, dass an den Messstellen sehr hohe Temperaturen aufgrund des heißen Abgases herrschen können, was zu einer Beschädigung der Sensorik führen kann. Daher wird zum Schutz des Differenzdrucksensors eine aufwändige Verrohrung im Bereich der Entnahmestelle benötigt, die die Sensorik vor einer Beschädigung durch Hitzeeinwirkung schützen soll.
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Die
DE 10 2010 026 869 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zum Steuern eines AGR-Ventil aufweisenden Verbrennungsmotors um eine Ventilgrundstellung zu ermitteln.
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Die
EP 2 128 407 A1 offenbart eine AGR-Steuerung für einen Verbrennungsmotor.
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Die
EP 1 944 497 A2 offenbart einen Motor mit AGR-System.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Lösung für eine Erfassung der Druckdifferenz in der Abgasrückführung bereitzustellen, welche eine wirtschaftliche Erfassung der Druckdifferenz ermöglicht und gleichzeitig die Messgüte beibehält.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch ein Antriebssystem und ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Druckdifferenz in der Abgasrückführung in einem Niederdruckbereich im Wesentlichen von dem Atmosphärendruck und dem Gasdruck zwischen der Drossel und der Brennkraftmaschine abhängt. Es kann somit ein Relativdruck zwischen diesen beiden Drücken gemessen werden, wodurch in vorteilhafterweise ein Messbereich der Messvorrichtung optimal ausgenutzt wird. Die Messung von Absolutdrücken ist nicht notwendig. Somit wird eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet.
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Der Atmosphärendruck kann direkt in einem Motorraum erfasst werden. Beispielsweise durch einen „offenen“ Anschluss der Messvorrichtung. Vorteilhaft hierbei ist, dass für den Atmosphärendruck keine Messstelle innerhalb der Luft- und Abgasanlage benötigt wird und damit die entsprechende Messstelle mit der Verrohrung aus dem Stand der Technik eingespart werden kann. Dies führt zu einer wirtschaftlichen Erfassung des Differenzdrucks.
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Der Gasdruck wird zudem an einer Messtelle gemessen, die thermisch unkritisch ist, da sie nur ein relativ kühles Gas führt. In anderen Worten, an den Messstellen herrscht eine relativ geringe Temperatur, so dass Beschädigungen durch Hitzeeinwirkung an der Messvorrichtung vermieden werden. Dies führt wiederum dazu, dass die aufwändige Verrohrung eingespart werden kann, wodurch sich der konstruktive Aufwand weiter verringert. Somit ergibt sich eine noch wirtschaftlichere Erfassung des Differenzdrucks.
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Als Brennkraftmaschine sind sowohl Dieselmotoren als auch Ottomotoren denkbar.
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Die Luft- und Abgasanlage weist zwei Teile auf, eine Luftzuführung und eine Abgasabführung. Die Luftzuführung leitet Frischluft aus der Umwelt zu der Brennkraftmaschine. Eine der Verbindungsstellen der Abgasrückführung ist als Zuführstelle ausgebildet, die in der Luftzuführung angeordnet ist. An der Zuführstelle wird rückgeführtes Abgas mit Frischluft vermischt. Anschließend wird dieses Gemisch an die Brennkraftmaschine weitergeführt.
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Die Abgasabführung leitet Abgas von der Brennkraftmaschine an die Umwelt ab und weist hierbei typischerweise Reinigungselemente wie einen Partikelfilter und/oder Katalysator sowie einen Schalldämpfer auf. Eine der Verbindungsstellen der Abgasrückführung ist als Entnahmestelle ausgebildet, die in der Abgasabführung angeordnet ist. An der Entnahmestelle wird Abgas entnommen und durch die Abgasrückführung zu der Zuführstelle geleitet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Drossel eine Frischluftdrossel und eine der Verbindungsstellen ist als Zuführstelle ausgebildet, die zwischen der Frischluftdrossel und der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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In dieser Ausführungsform sind die Messstelle und die Drossel strömungstechnisch vor der Brennkraftmaschine in der Luftzuführung angeordnet. Dabei ergibt sich ein Druckgleichgewicht im Bereich der Messstelle, der von einer Stellung der Drossel und durch einen Druck aus der Abgasrückführung resultiert.
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Zudem kann in der Luftzuführung ein Luftfilter eingesetzt werden. Dann wird der Druck in der Luftzuführung auch durch den unbekannten Zustand des Luftfilters (wie beispielsweise bei Schneebewurf) beeinflusst.
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Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Messstelle in einem kühlen Bereich angeordnet ist, der durch die Frischluft stetig gekühlt wird. Die Wärme des zugeführten Abgases wird dadurch vermindert, sodass die Messvorrichtung besonders gut vor der Hitzeeinwirkung geschützt ist.
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Gleichzeitig wird der Gasdruck in der Abgasrückführung (nach einer Rückführdrossel) aufgrund des Gleichgewichts erfasst. Der Druck an der Entnahmestelle entspricht im Wesentlichen dem Atmosphärendruck, sodass hier der Differenzdruck ein Maß für die Druckdifferenz in der Abgasrückführung ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Messstelle zwischen der Frischluftdrossel und der Zuführstelle angeordnet.
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In dieser Ausführungsform ist die Messstelle strömungstechnisch vor der Zuführstelle angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Messstelle in einem besonders kühlen Bereich angeordnet ist, durch den hauptsächlich Frischluft strömt. Es wird dadurch verhindert, dass eine Erwärmung der Frischluft durch das Abgas aus der Zuführstelle auf die Messeinrichtung wirken kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist Drossel eine Abgasdrossel und eine der Verbindungsstellen ist als Entnahmestelle ausgebildet, die zwischen der Abgasdrossel und der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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In dieser Ausführungsform sind die Messstelle und die Drossel strömungstechnisch nach der Brennkraftmaschine in der Abgasabführung angeordnet. Dabei ergibt sich ein Druckgleichgewicht im Bereich der Messstelle, der von einer Stellung der Drossel und durch einen Druck aus der Brennkraftmaschine resultiert.
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Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Messstelle in einem kühleren Bereich angeordnet ist, als im Stand der Technik.
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Gleichzeitig wird der Gasdruck in der Abgasrückführung (vor einer Rückführdrossel) aufgrund des Gleichgewichts erfasst. Der Druck an der Zuführstelle entspricht hier im Wesentlichen dem Atmosphärendruck, sodass auch hier der Differenzdruck ein Maß für die Druckdifferenz in der Abgasrückführung ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messstelle zwischen der Abgasdrossel und der Entnahmestelle angeordnet.
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In dieser Ausführungsform ist die Messstelle strömungstechnisch nach der Entnahmestelle angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass sich das Abgas bis zur Messstelle weiter abkühlen kann, wodurch die Hitzeeinwirkung auf die Messeinrichtung weiter verringert wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Luft- und Abgasanlage einen Turbolader auf, wobei die Verbindungsstellen in einem Niederdruckbereich angeordnet sind.
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In dieser Ausführungsform weist das Antriebssystem einen Turbolader mit einer Turbine und einem Verdichter auf. Wie eingangs erwähnt, definiert der Turbolader einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich in der Luft- und Abgasanlage. Der Hochdruckbereich ist in Strömungsrichtung zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet. Der Niederdruckbereich ist in Strömungsrichtung vor dem Verdichter und nach der Turbine angeordnet.
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Die Abgasrückführung führt somit um den Turbolader herum, da die Verbindungsstellen im Niederdruckbereich angeordnet sind. Der Einsatz des Turboladers führt dazu, dass das Abgas aus der Turbine besonders heiß und gleichzeitig die Druckdifferenz in der Abgasrückführung besonders niedrig ist. Die vorgesehene Anordnung der Messstelle führt hier zu einem besonders großen Schutz der Messeinrichtung vor Hitze, wobei gleichzeitig besonders aufwändige Verrohrungen vermieden werden. Hieraus ergibt sich eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit durch die Erfindung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Antriebssystem eine Steuer- und Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist einen Massenstrom von Abgas in der Abgasrückführung in Abhängigkeit des Differenzdrucks zu regeln.
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In dieser Ausführungsform wird der Massenstrom in der Abgasrückführung in Abhängigkeit des Differenzdrucks geregelt. Hierzu wird der Differenzdruck in der Messeinrichtung ermittelt. Die Messeinrichtung kann hierbei den Differenzdruck direkt ermitteln und an die Steuer- und Auswerteeinheit übermitteln. In weiteren Ausführungsformen kann die Steuer- und Auswerteeinheit ein Teil der Messeinrichtung sein. Dabei können einzelne Absolutdrücke für den Gasdruck und den Atmosphärendruck durch geeignete Sensoren ermittelt und an die Steuer- und Auswerteeinheit übermittelt werden. Diese bestimmt anhand der Absolutdrücke den Differenzdruck durch Subtraktion.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit wirkt zudem mit einer Rückführdrossel zusammen. Die Rückführdrossel ist in der Abgasrückführung angeordnet und dient somit als Stellglied.
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Vorteilhaft hierbei ist es, dass die Steuer- und Auswerteeinheit, die Rückführdrossel und die Messeinrichtung einen Massestromregler für das rückgeführte Abgas bilden, der sehr wirtschaftlich einsetzbar ist und eine sehr hohe Regelgüte ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung ein Differenzdrucksensor.
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In dieser Ausführungsform wird als Messvorrichtung ein Differenzdrucksensor eingesetzt. Der Differenzdrucksensor ermittelt direkt den Differenzdruck, sodass ein Messbereich des Differenzdrucksensors optimal ausgenutzt wird. Die Messung von Absolutdrücken wird somit vermieden.
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Vorteilhaft hierbei ist es, dass die Messgenauigkeit durch das Ausnutzen des Messbereichs gegenüber einer Messung von Absolutdrücken erhöht wird.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Form ein erfindungsgemäßes Antriebssystem mit Brennkraftmaschine.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Antriebssystem 10 weist eine Brennkraftmaschine 12, eine Luft- und Abgasanlage 14 sowie eine Hochdruckabgasrückführung 16 und eine Abgasrückführung 18 in einem Niederdruckbereich auf. Zudem weist das Antriebssystem 10 einen Differenzdrucksensor 20 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 22 auf.
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Die Luft- und Abgasanlage 14 besitzt eine Luftzuführung 24, über die die Frischluft 26 ansaugt wird. Die Frischluft 26 wird über ein Ansaugrohr 28 zu einem Luftfilter 30 geleitet. Die Frischluft 26 strömt von dem Luftfilter 30 durch eine Leitung 32 zu einer Frischluftdrossel 34. Ausgehend von der Frischluftdrossel 34 strömt die Frischluft 26 in eine weitere Leitung 36, die eine Zuführstelle 38 aufweist. Die Zuführstelle 38 ist eine Mündung der Abgasrückführung 18 in die Luftzuführung 24. Aus der Zuführstelle 38 strömt Abgas in die die Leitung 36.
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Über die Leitung 36 ist die Luftzuführung 24 mit einem Turbolader 40 strömungstechnisch verbunden. Der Turbolader 40 weist einen Verdichter 42 und eine Turbine 44 auf. Der Verdichter 42 und die Turbine 44 sind über eine hier nicht dargestellte Welle miteinander für eine Drehmomentübertragung gekoppelt. Der Verdichter 40 entnimmt ein Frischluft-/Abgasgemisch aus der Leitung 36 und verdichtet dieses. Das verdichtete Frischluft-/Abgasgemisch wird über eine Leitung 46 an die Brennkraftmaschine 12 geleitet.
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Innerhalb der Leitung 46 ist eine Hochdruckzuführstelle 48 angeordnet. Die Hochdruckzuführstelle 48 ist eine Mündung der Hochdruckabgasrückführung 16 in die Leitung 46. Aus der Hochdruckzuführstelle 48 strömt weiteres Abgas in die die Leitung 46.
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Die Brennkraftmaschine 12 führt nach einer Zündung Abgas über eine Leitung 50 zu der Turbine 44 ab. Diese weist eine Hochdruckentnahmestelle 52 auf. Von der Hochdruckentnahmestelle 52 zu der Hochdruckzuführstelle 48 verläuft die Hochdruckabgasrückführung 16. Diese entnimmt über eine Leitung 56 Abgas aus der Hochdruckentnahmestelle 52. Die Leitung 56 mündet in einem Kühler 58, der das Abgas abkühlt. Ausgehend vom Kühler 58 strömt das Abgas über eine Leitung 60 durch eine Hochdruckrückführdrossel 62. In der Hochdruckrückführdrossel 62 wird ein Massenstrom des Abgases beschränkt und über die Leitung 64 an die Hochdruckzuführstelle 48 weitergeleitet.
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Ausgehend von der Hochdruckentnahmestelle 52 wird das Abgas über die Leitung 50 weiter zu der Turbine 44 geführt. Die Turbine 44 verringert den Druck des Abgases und treibt damit den Verdichter 32 an. Ausgehend von der Turbine 44 wird das entspannte Abgas über eine Leitung 68 an einen Partikelfilter 70 weitergeleitet. Der Partikelfilter 70 reinigt das Abgas. Das so gereinigte Abgas strömt über eine weitere Leitung 72 zu einer Entnahmestelle 74. Von der Entnahmestelle 74 zu der Zuführstelle 38 verläuft die Abgasrückführung 18. Diese entnimmt über eine Leitung 78 Abgas aus der Entnahmestelle 74. Die Leitung 78 mündet in einem Kühler 80 der das Abgas abkühlt. Ausgehend vom Kühler 80 strömt das Abgas über eine Leitung 82 durch eine Rückführdrossel 84. In der Rückführdrossel 84 wird ein Massenstrom des Abgases beschränkt und über die Leitung 86 an die Zuführstelle 38 weitergeleitet.
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Ausgehend von der Entnahmestelle 74 verläuft die Leitung 72 weiter zu einem Schalldämpfer 90. Ausgehend von dem Schalldämpfer 90 wird das Abgas über einen Abgasauslass 92 abgegeben, was hier in Form eines Blockpfeils 94 dargestellt ist.
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Der Differenzdrucksensor 20 ist über eine Messleitung 96 an einer Messstelle 98 mit der Luftzuführung 24 verbunden, um einen Gasdruck in der Leitung 36 zu erfassen. Die Messtelle 98 ist dabei strömungstechnisch vor der Zuführstelle 38 angeordnet. Zudem weist der Differenzdrucksensor 20 eine zweite Messleitung 100 auf, die zum Atmosphärendruck hin geöffnet ist.
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Die Messung des Drucks erfolgt mittels entsprechender Sensoren innerhalb des Differenzdrucksensors 20, wobei diese einen relativen Druck, also einen Differenzdruck direkt erfassen. Der Differenzdruck ergibt sich somit direkt aus dem Gasdruck an der Messstelle 98 und dem Atmosphärendruck.
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Der Differenzdrucksensor 20 ist über eine Signalleitung 102 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 22 signaltechnisch verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 22 erhält so einen Wert des Differenzdrucks. Sie regelt anhand dieses Wertes eine Stellung der Rückführdrossel 84, sodass sich ein Massenstromregler ergibt. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrückführung 18 geregelt wird.
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In 1 ist eine weitere Ausführungsform in gestrichelter Form dargestellt. Die gestrichelt dargestellten Elemente ersetzen die entsprechenden durchgehend dargestellten Elemente.
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In dieser Ausführungsform ist eine Abgasdrossel 34' in der Leitung 72 vorgesehen. Zur Bestimmung des Differenzdrucks wird der Gasdruck in der Leitung 72 an einer Messstelle 98' von einem Differenzdrucksensor 20' über eine Messleitung 96' erfasst, die zwischen der Entnahmestelle 74 und der Abgasdrossel 34' angeordnet ist. Der Differenzdrucksensor 20' weist zudem eine weitere Messleitung 100' auf, die gegenüber dem Atmosphärendruck geöffnet ist.
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Der Differenzdrucksensor 20' ist über eine Signalleitung 102' mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 22' signaltechnisch verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 22' erhält so einen Wert des Differenzdrucks. Sie regelt anhand dieses Wertes eine Stellung der Rückführdrossel 84, sodass sich ein alternativer Massenstromregler ergibt. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrückführung 18 geregelt wird.
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Die Anordnung der Messstellen 98 und 98' ermöglicht es, dass die Gesamtkonstruktion des Antriebssystems 10 und insbesondere der Luft- und Abgasanlage 14 vereinfacht ist, insbesondere, dass auf aufwändige Verrohrungen verzichtet werden kann. Gleichzeitig wird die Messgenauigkeit beibehalten. Dies führt wiederum zu einer wirtschaftlichen und hochgenauen Regelung des Massenstroms bei konstruktiven Vorteilen.
