DE102011052437B4 - Abgas-Steuerverfahren eines Motors - Google Patents

Abgas-Steuerverfahren eines Motors Download PDF

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Abstract

EGR-System-Steuerverfahren von einem Motor, wobei das Verfahren aufweist:Berechnen eines Zielmassenstromsvon EGR-Gas, welches durch eine EGR-Leitung (140) strömt,Berechnen einer Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) von einem EGR-Ventil (130), welches in der EGR-Leitung (140) angeordnet ist,Berechnen einer EGR-Strömungssensitivität durch Dividieren des EGR-Zielmassenstromsdurch die effektive EGR-Strömungsfläche (EFA), undSteuern einer tatsächlichen Öffnungsrate des EGR-Ventils (130) durch Anwenden der EGR-Strömungssensitivität auf eine Zielöffnungsrate des EGR-Ventils (130),wobei die Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) berechnet wird anhand von:wobei Reine Gaskonstante von Abgas ist, Teine Abgas-Temperatur ist, PR ein vorne/hinten-Druckverhältnis des EGR-Ventils ist, k ein spezifisches Wärmeverhältnis ist, und Pein kritisches Druckverhältnis ist, undwobei die EGR-Strömungssensitivität berechnet wird anhand von:

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgas-Steuerverfahren eines Motors (Verbrennungsmotor), welches Abgas von einer Abgasleitung zu einer Einlass- bzw. Ansaugleitung rückführt und einen Fluss bzw. einen Strom des rückgeführten Abgases genau steuert.
  • Üblicherweise ist in den meisten Fahrzeugen, welche mit einem Dieselmotor ausgestattet sind, ein Abgas-Rückführungssystem bereitgestellt, um Maßnahmen bezüglich der Abgasregulierungen zu ergreifen.
  • Das Abgas-Rückführungssystem führt einen Teil des Abgases, welches von einem Motor entweicht bzw. abgegeben wird, zu einer Einlassvorrichtung von einem Zylinder, um die Verbrennungstemperatur des Motors herabzusetzen und NOx davon zu reduzieren.
  • Ein EGR-Ventil (EGR = Abgasrückführung) und ein EGR-Kühler sind derart angeordnet, dass das EGR-Gas auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt wird und dem Einlasskrümmer zugeführt wird.
  • Die Drehzahl des Motors sowie die Kraftstoffeinspritzmenge werden angewandt, und das EGR-Ventil wird mittels eines Vorwärtssteuerungsverfahrens gesteuert, um den Strom des EGR-Gases zu steuern, und ein MAF (MAF = Luftmassenmesser) detektiert den Strom des EGR-Gases.
  • Der Strom des EGR-Gases, welcher bestimmt wird durch die Drehzahl und die Kraftstoffeinspritzmenge des Motors, kann aufgrund verschiedener Faktoren variieren, so dass eine tatsächliche Strömung des EGR-Gases nicht wiedergegeben werden kann, und eine Regelung kann in einem bestimmten Zustand gestört sein.
  • Die US 6 019 094 A und US 5 724 950 A offenbaren jeweils ein EGR-System-Steuerverfahren, bei dem ein Zielmassenstrom von EGR-Gas, eine Ziel-effektive-Strömungsfläche von einem EGR-Ventil und ein EGR-Verhältniswert zwischen dem Zielmassenstrom und der effektiven Strömungsfläche berechnet werden und eine tatsächliche Öffnungsrate des EGR-Ventils gesteuert wird.
  • Die DE 10 2009 003 018 A1 offenbart ein EGR-System-Steuerverfahren, bei dem ein Zielmassenstrom, eine Sauerstoff- oder Kohlendioxidkonzentration im Abgas und ein Übertragungswert zwischen dem Zielmassenstrom und der Gaskonzentration berechnet werden und eine tatsächliche Öffnungsrate eines EGR-Ventils gesteuert wird.
  • Die US 2003/0 029 233 A1 beschreibt ein EGR-System-Steuerverfahren zur Diagnose einer Gasströmungsbeschränkung in einem EGR-System.
  • Die in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient lediglich dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sollte nicht verstanden werden als eine Würdigung oder irgendeine Form von Vorschlag, dass diese Information den Stand der Technik bildet, der Fachleuten bereits bekannt ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abgas-Steuerverfahren eines Motors bereitzustellen, welches Vorteile hat hinsichtlich einer genauen Steuerung des Abgasstroms, welcher von einer Abgasleitung zu einer Einlassleitung rückgeführt wird, einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und einer Verbesserung der Abgasqualität.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein EGR-System-Steuerverfahren und ein EGR-System-Steuersystem nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 bzw. 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Ein EGR-System-Steuerverfahren eines Motors gemäß der Erfindung weist auf: Berechnen eines Zielmassenstroms ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0005
    von EGR-Gas, welches eine EGR-Leitung durchströmt, Berechnen einer Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) eines EGR-Ventils, welches an der EGR-Leitung angeordnet ist, Berechnen einer EGR-Strömungssensitivität durch Dividieren des EGR-Massenstroms mit der effektiven EGR-Strömungsfläche, und Steuern einer tatsächlichen Öffnungsrate (bzw. Öffnungsgrad) des EGR-Ventils durch Anwenden der EGR-Strömungssensitivität auf eine Zielöffnungsrate des EGR-Ventils.
  • Der Zielmassenstrom des EGR-Gases kann anhand der folgenden Formel berechnet werden: m ˙ e g r d = m ˙ a M A F d
    Figure DE102011052437B4_0006
  • Wobei m ˙ e g r d
    Figure DE102011052437B4_0007
    ein Zielmassenstrom des EGR-Gases ist, MAFd ein Zielmassenstrom der Einlassluft bzw. Ansaugluft ist und ṁa ein Massenstrom von Luft ist, welche in einen Zylinder strömt.
  • Die Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) wird anhand der folgenden Formel berechnet: E F A d = m ˙ e g r d R e x h T e x h P e x h 1 P R 1 k { 2 k k 1 ( 1 P R k 1 k ) } , ( i f   P R > P C R )
    Figure DE102011052437B4_0008
  • Wobei Rexh eine Gaskonstante von Abgas ist, Texh eine Abgas-Temperatur ist, PR ein vorne/hinten- oder Vorderseite/Hinterseite-Druckverhältnis des EGR-Ventils ist, k ein spezifisches Wärmeverhältnis ist und PCR ein kritisches Druckverhältnis ist (z.B. ein kritisches Druckverhältnis der Öffnungsströmung) .
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berechnet ein Abgas-Steuerverfahren eines Motors einen Zielmassenstrom von EGR-Gas, welches eine EGR-Leitung durchströmt, und wendet eine Öffnungsrate des EGR-Ventils an, um hierdurch einen Strom des EGR-Gases genau und schnell zu steuern. Das heißt, ein Verstärkungswert wird gemäß einer effektiven Strömungsfläche des EGR-Ventils und einem Zielmassenstrom des EGR-Gases in Echtzeit variiert, so dass die tatsächliche Öffnungsrate eines EGR-Ventils genau und schnell gesteuert wird.
  • Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung haben andere Merkmale und Vorteile, welche ersichtlich sind aus oder im Detail dargelegt sind in der angehängten Zeichnung, welche hierin mit aufgenommen ist, sowie der folgenden detaillierten Beschreibung, welche zusammen dazu dienen, bestimmte Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
    • 1 ist eine schematische Ansicht eines EGR-Systems eines Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist ein Flussdiagramm, welches ein EGR-System-Steuerverfahren von einem Motor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 3 zeigt Steuerfaktoren in einem EGR-System-Steuerverfahren eines Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist ein Graph, der einen Effekt des EGR-System-Steuerverfahrens eines Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines EGR-Systems von einem Motor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Mit Bezug auf 1 weist ein EGR-System von einem Motor einen Motor 100, eine Abgasleitung 120, einen Katalysator 110, eine Einlassleitung bzw. Ansaugleitung 160, eine EGR-Leitung 140, ein EGR-Ventil 130, einen EGR-Kühler 150 sowie einen Steuerabschnitt 170 auf.
  • Ferner weist das EGR-System einen Druckdifferenzsensor auf, welcher eine Druckdifferenz zwischen einer Vorderseite und einer Hinterseite von dem EGR-Ventil 130 detektiert, sowie einen EGR-Fluss/Strom-Detektionsabschnitt, welcher einen Fluss/Strom von EGR-Gas detektiert, welches die EGR-Leitung 140 durchströmt, und einen Einlassluft-Fluss/Strom-Detektionsabschnitt, welcher einen Fluss/Strom von Einlassluft detektiert, welche die Einlassleitung 160 durchströmt.
  • Das Abgas, welches von dem Motor 100 erzeugt wird, wird an die Umgebung abgegeben, Schadstoffe davon werden durch den Katalysator 110 reduziert, und ein Teil des Abgases wird zu der Einlassleitung 160 rückgeführt.
  • Der Steuerabschnitt 170 steuert die Öffnungsrate (bzw. den Öffnungsgrad) des EGR-Ventils 130, um das EGR-Gas, welches die EGR-Leitung 140 durchströmt, genau zu steuern.
  • Mit Bezug auf 2 und 3 wird im Folgenden ein Verfahren zum Steuern einer Öffnungsrate eines EGR-Ventils beschrieben.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, welches ein EGR-System-Steuerverfahren eines Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt, und 3 zeigt Steuerfaktoren in einem EGR-System-Steuerverfahren eines Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Mit Bezug auf 2 detektiert der Steuerabschnitt 170 einen Einlassdruck bzw. Ansaugdruck (Pint), eine Einlasslufttemperatur bzw. Ansauglufttemperatur (Tint ), eine Drehzahl (RPM), einen Abgasdruck (Pexh ) sowie eine Abgastemperatur (Texh ), und führt das GD-Modell durch. Hierbei bezeichnet Ziel-MAF einen Ziel-Einlassluftstrom.
  • Mit Bezug auf 3 bezeichnet der Ziel-EGR-Massenstrom einen Zielmassenstrom des EGR-Abgases, welches die EGR-Leitung 140 durchströmt, und m ˙ e g r d
    Figure DE102011052437B4_0009
    wird berechnet anhand eines Einlassluft-Massenstroms (MAFd ) sowie eines Luftmassenstroms, welcher in einen Zylinder einströmt (ṁa).
  • Insbesondere wird ein Ziel-EGR-Massenstrom des EGR-Gases anhand der folgenden Formel berechnet: m ˙ e g r d = m ˙ a M A F d
    Figure DE102011052437B4_0010
    a ist hierbei η V ρ i n t V d N 120 ,
    Figure DE102011052437B4_0011
    wobei ηV eine volumetrische Effektivität (bzw. ein volumetrischer Wirkungsgrad oder Füllungsgrad) eines Zylinders ist, ρint eine Dichte der Ansaugluft/Einlassluft ist, Vd ein Hubvolumen eines Zylinders ist, N eine Motordrehzahl ist, ρint ist P i n t R T i n t ,
    Figure DE102011052437B4_0012
    R ist eine Gaskonstante und Tint ist eine Temperatur der Ansaugluft.
  • Mit Bezug auf 2 detektiert der Steuerabschnitt 170 einen Einlassdruck (Pint ), eine Einlassluft-Temperatur (Tint ) und eine Motordrehzahl (RPM) als einen Fahrzustand, und führt das ①-Modell durch.
  • Mit Bezug auf 3 wird die Ziel-EFA (EFAd) anhand eines Ziel-EGR-Massenstroms m ˙ e g r d
    Figure DE102011052437B4_0013
    berechnet.
  • Insbesondere wird das EGR-Fluss/Strom-Modell verwendet, um eine Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) des EGR-Ventils 130 anhand der folgenden Formel zu berechnen: E F A d = m ˙ e g r d R e x h T e x h P e x h 1 P R 1 k { 2 k k 1 ( 1 P R k 1 1 ) } , ( i f   P R > P C R )
    Figure DE102011052437B4_0014
  • Hierbei ist Rexh eine Gaskonstante von Abgas, Texh eine Temperatur von Abgas, PR ein Vorderseite/Hinterseite-Druckverhältnis des EGR-Ventils 130, k ein spezifisches Wärmeverhältnis, PCR ein kritisches Druckverhältnis (z.B. der Öffnungsströmung), und die Abgastemperatur und der Vorderseite/Hinterseite-Druck des EGR-Ventils 130 werden mittels eines Druckdifferenzsensors und eines Temperatursensors detektiert.
  • Mit Bezug auf 2 wird eine Zielöffnungsrate (FF Ventilhub) bzw. ein Zielöffnungsgrad des EGR-Ventils 130 anhand der folgenden Formel berechnet: EGR Ventilhub = P 1 + P 2 EFA d + P 3 ( EFA d ) 2 + P 4 ( EFA d ) 3
    Figure DE102011052437B4_0015
  • Hier ist die Formel 3 eine Kurvenanpassungs- bzw. Kurvenannäherungs-Formel, welche erzeugt wird mit einem Graphen, der anhand von experimentellen Daten gezeichnet wird, der EGR-Ventilhub bezeichnet eine Ziel-Ventilöffnungsrate des EGR-Ventils 130, P1 , P2 , P3 und P4 sind Konstanten, und EFAd bezeichnet eine Ziel-effektive-Strömungsfläche. Ferner kann die Kurvenannäherungs-Formel gemäß einer Designspezifikation des Ventils variiert werden.
  • Eine Ziel-Ventilöffnungsrate des EGR-Ventils 130, welche anhand der Formel 3 berechnet wird, wird als ein Zielwert einer Vorwärtssteuerung (Feed forward control = Vorwärtssteuerung) gesetzt, um eine Öffnung des EGR-Ventils 130 in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu steuern.
  • In der 2 zeigt der FF Ventilhub an, dass eine Ventilöffnung (Ventilhub) anhand eines Vorwärtssteuerungsverfahrens variiert wird.
  • In der 2 führt der Steuerabschnitt ein Modell (2) (EGR-Strömungssensitivität-Modell) durch, um für die Steuerung eine Steuerverstärkung zu berechnen, verwendet einen linearen Regler bzw. eine lineare Steuerung, um eine Ventilöffnung (EGR-Ventilhub) zu kompensieren, und gibt ein Öffnungssignal (tatsächliche EGR-Ventil-Öffnungssignal-Ausgabe) zum Öffnen des EGR-Ventils 130 in dem Modell (5) gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus.
  • Folglich wird in dem Modell ② ein Verfahren zum Berechnen einer EGR-Gas-Strömungssensitivität beschrieben.
  • Mit Bezug auf 3 wird die EGR-Gas-Strömungssensitivität berechnet durch Dividieren eines Zielmassenstroms ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0016
    des EGR-Gases mit einer bzw. durch eine effektive Strömungsfläche (EFA) des EGR-Ventils 130.
  • Die EGR-Gas-Strömungssensitivität wird anhand der folgenden Formel berechnet: Sensitivität = m ˙ e g r E F A = P e x h R e x h T e x h P R 1 κ × { 2 κ κ 1 ( 1 P R ( κ 1 ) / κ ) } 1 / 2 wobei ,   P R = P i n t P e x h
    Figure DE102011052437B4_0017
  • Üblicherweise, wenn eine Steuerverstärkung größer ist, kann ein tatsächlicher Steuerfaktor (eine Öffnungsrate des EGR-Ventils in verschiedenen Ausführungsformen) erhöht werden oder entlang einer vorbestimmten Frequenz variiert werden, und wenn eine Steuerverstärkung klein ist, gibt es ein Problem, dass die Reaktionsgeschwindigkeit einer Steuerung/Regelung langsam wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine Sensitivität (Verstärkungswert) in Echtzeit gemäß einem Massenstrom des EGR-Gases und einer Ziel-effektive-Strömungsfläche des EGR-Ventils variiert, so dass eine tatsächliche Öffnungsrate (bzw. Öffnungsgrad) des EGR-Ventils 130 genau und schnell gesteuert wird.
  • Folglich, in einem Fall, in dem eine Sensitivität für einen Massenstrom des EGR-Gases hoch ist, wird ein Verstärkungswert kleiner, und in einem Fall, in dem eine Sensitivität in einem niedrigen Lastzustand oder einer niedrigen RPM niedrig ist, wird ein Verstärkungswert größer, so dass die Öffnungsrate des EGR-Ventils 130 nicht übermäßig größer ist oder eine Reaktionsgeschwindigkeit in Echtzeit nicht verschlechtert ist.
  • 4 ist ein Graph, welcher einen Effekt des EGR-System-Steuerverfahrens eines Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Mit Bezug auf 4 bezeichnet die horizontale Achse die Zeit, und die vertikale Achse bezeichnet eine Fehlerrate und einen Massenstrom (MAF: Massen-Luft-Strom) der Einlassleitung 160.
  • Ref bezeichnet einen Referenzwert des Einlass-Massenstroms, Meas. bezeichnet einen gemessenen Massenstrom des Einlassstroms, wobei der gemessene Wert dem Bezugswert gut folgt. Ferner ist gezeigt, dass die Fehlerrate in fast allen Flächen in dem Bereich von 10 bis 20% ist.
  • Zur leichteren Beschreibung und genauen Definition in den angehängten Ansprüchen werden die Ausdrücke vorne oder hinten etc. verwendet, um Merkmale der als Beispiel dienenden Ausführungsformen mit Bezug auf deren Position in den Figuren zu beschreiben.

Claims (5)

  1. EGR-System-Steuerverfahren von einem Motor, wobei das Verfahren aufweist: Berechnen eines Zielmassenstroms ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0018
    von EGR-Gas, welches durch eine EGR-Leitung (140) strömt, Berechnen einer Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) von einem EGR-Ventil (130), welches in der EGR-Leitung (140) angeordnet ist, Berechnen einer EGR-Strömungssensitivität durch Dividieren des EGR-Zielmassenstroms ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0019
    durch die effektive EGR-Strömungsfläche (EFA), und Steuern einer tatsächlichen Öffnungsrate des EGR-Ventils (130) durch Anwenden der EGR-Strömungssensitivität auf eine Zielöffnungsrate des EGR-Ventils (130), wobei die Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) berechnet wird anhand von: E F A d = m ˙ e g r d R e x h T e x h P e x h 1 P R 1 k { 2 k k 1 ( 1 P R k 1 1 ) } , ( i f   P R > P C R )
    Figure DE102011052437B4_0020
    wobei Rexh eine Gaskonstante von Abgas ist, Texh eine Abgas-Temperatur ist, PR ein vorne/hinten-Druckverhältnis des EGR-Ventils ist, k ein spezifisches Wärmeverhältnis ist, und PCR ein kritisches Druckverhältnis ist, und wobei die EGR-Strömungssensitivität berechnet wird anhand von: Sensitivität = m ˙ e g r E F A
    Figure DE102011052437B4_0021
  2. EGR-System-Steuerverfahren nach Anspruch 1, wobei der Zielmassenstrom ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0022
    des EGR-Gases berechnet wird anhand von: m ˙ e g r d = m ˙ a M A F d
    Figure DE102011052437B4_0023
    wobei m ˙ e g r d
    Figure DE102011052437B4_0024
    der Zielmassenstrom des EGR-Gases ist, MAFd ein gemessener Massenstrom von Ansaugluft ist und ṁa ein Massenstrom von Luft ist, welche in einen Zylinder einströmt.
  3. EGR-System-Steuerverfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Festsetzen einer Steuerverstärkung unter Verwendung der EGR-Strömungssensitivität.
  4. EGR-System-Steuersystem eines Motors, aufweisend: eine EGR-Leitung (140), welche Abgas von einer Abgasleitung (120) zu einer Einlassleitung (160) leitet, ein EGR-Ventil (130), welches an der EGR-Leitung (140) angeordnet ist, um das EGR-Gas zu steuern, und eine ECU (170), welche das EGR-Ventil (130) steuert, wobei die ECU (170) durchführt: Berechnen eines Zielmassenstroms ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0025
    von EGR-Gas, welches die EGR-Leitung (140) durchströmt, Berechnen einer Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) des EGR-Ventils (130), welches an der EGR-Leitung (140) angeordnet ist, Berechnen einer EGR-Strömungssensitivität durch Dividieren des Zielmassenstroms ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0026
    von EGR-Gas mit der effektiven EGR-Strömungsfläche (EFA), und Steuern einer tatsächlichen Öffnungsrate des EGR-Ventils (130) durch Anwenden der EGR-Strömungssensitivität auf eine Zielöffnungsrate des EGR-Ventils (130), wobei die Ziel-effektive-Strömungsfläche (EFA) berechnet wird anhand von: E F A d = m ˙ e g r d R e x h T e x h P e x h 1 P R 1 k { 2 k k 1 ( 1 P R k 1 1 ) } , ( i f   P R > P C R )
    Figure DE102011052437B4_0027
    wobei Rexh eine Gaskonstante von Abgas ist, Texh eine Abgas-Temperatur ist, PR ein vorne/hinten-Druckverhältnis des EGR-Ventils ist, k ein spezifisches Wärmeverhältnis ist, und PCR ein kritisches Druckverhältnis ist, und wobei die EGR-Strömungssensitivität berechnet wird anhand von: Sensitivität = m ˙ e g r E F A
    Figure DE102011052437B4_0028
  5. EGR-System-Steuersystem nach Anspruch 4, wobei der Zielmassenstrom ( m ˙ e g r d )
    Figure DE102011052437B4_0029
    von EGR-Gas berechnet wird anhand von m ˙ e g r d = m ˙ a M A F d
    Figure DE102011052437B4_0030
    wobei m ˙ e g r d
    Figure DE102011052437B4_0031
    derZielmassenstrom des EGR-Gases ist, MAFd ein gemessener Massenstrom von Einlassluft ist und ṁa ein Massenstrom von Luft ist, welche in einen Zylinder strömt.
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