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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Maßnahmen zur Verbesserung der Steuerung einer Abgasrückführungsrate.
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Stand der Technik
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Verbrennungsmotoren können in bestimmten Betriebsarten in einem Magerbetrieb betrieben werden. Im Magerbetrieb liegen in der Regel erhöhte NOx-Emissionen vor, die vermieden werden sollen. Um die NOx-Emissionen zu reduzieren, wird üblicherweise eine Abgasrückführung vorgesehen, bei der Abgas in einer einstellbaren Menge in das Saugrohr des Verbrennungsmotors geführt wird, um dem Luft-/Kraftstoffgemisch Inertgas zuzufügen. Die relative Abgasmenge, die in das Saugrohr geführt wird, wird in der Regel so gewählt, dass die NOx-Emissionen ohne Schaffung weiterer Nachteile gesenkt werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 000 329 A1 ist ein Verfahren zum Einstellen einer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Dieselmotor, bekannt. Das Verfahren umfasst das Generieren einer Stellgröße, insbesondere eines Einspritzzeitpunkts, abhängig von einem Verbrennungsmerkmal, wobei das Verbrennungsmerkmal einen Zustand im Zylinder, insbesondere einen Druckverlauf im Zylinder, repräsentiert, und das Einstellen der Verbrennung in Zylindern des Verbrennungsmotors mithilfe der Stellgröße erfolgt, wobei die Stellgröße weiterhin abhängig von einem Korrekturwert generiert wird, der abhängig von einer Verbrennungsinformation bestimmt wird, die eine Angabe über die Qualität der Verbrennung bereitstellt.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 046 701 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Abgasrückführungsrate in einem Verbrennungsmotor, wobei die Abgasrückführungsrate einen Anteil von Abgas in einer einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführten Gasmenge angibt. In dem Zylinder des Verbrennungsmotors erfolgt zyklisch während einer Verbrennungsphase eine Verbrennung. Dabei wird eine Brennverlaufsangabe über den Verlauf der Verbrennung in dem Zylinder des Verbrennungsmotors ermittelt und eine tatsächliche Abgasrückführungsrate mithilfe einer vorgegebenen Abgasrückführungsratenfunktion aus der Brennverlaufsangabe bestimmt.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 048 982 B4 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Laufruhe einer Brennkraftmaschine, welche zumindest einen Brennraum und zumindest einen steuerbaren Aktuator aufweist, dessen Stellung einen Einfluss auf die Verbrennung in dem mindestens einen Brennraum hat, wobei ein Laufunruhewert der Brennkraftmaschine bestimmt wird, der Laufunruhewert mit einem vorgegebenen ersten Laufunruhegrenzwert verglichen wird, und in dem Fall, dass der Laufunruhewert den ersten Laufunruhegrenzwert überschreitet, der Aktuator unter Fortführung der Verbrennung in allen Brennräumen der Brennkraftmaschine von einer Ausgangsstellung in eine Endstellung gebracht wird, wobei die Endstellung einer Stellung entspricht, bei der der Einfluss auf die Verbrennung minimal ist.
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Die Druckschrift
EP 0 868 660 B1 offenbart ein Verfahren zum Erkennen von zyklischen Verbrennungsschwankungen bei Brennkraftmaschinen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Einstellen einer Abgasrückführungsrate beim Betrieb eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, ein Motorsystem und ein Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgesehen, dem Frischluft über einen Luftzuführungsabschnitt zugeführt wird und von dem Verbrennungsabgas über einen Abgasabführungsabschnitt abgeführt wird, wobei eine einstellbare Menge von Verbrennungsabgas über eine Abgasrückführungsleitung in den Luftzuführungsabschnitt rückgeführt wird. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Ermitteln einer Laufunruhegröße, die ein Maß für eine Laufqualität des Verbrennungsmotors darstellt, aus einem Brennraumdrucksignal;
- – Bestimmen einer Korrekturgröße abhängig von einer Abweichung der ermittelten Laufunruhegröße von einem vorgegebenen Grenzwert der Laufunruhegröße; und
- – Beaufschlagen einer Stellgröße zum Einstellen der Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas mit der Korrekturgröße.
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Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors, in dem eine Abgasrückführung vorgesehen ist, können NOx-Rohemissionen im Magerbetrieb durch Rückführen von Verbrennungsabgas in einen Saugrohrbereich verringert werden. Allerdings treten bei Überschreitung einer bestimmten relativen Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas bezüglich der zugeführten Frischluft bei einer bestimmten Abgasrückführungsrate auch nachteilige Effekte auf. So verschlechtert sich beispielsweise auch die Laufqualität; insbesondere die Laufunruhe, der Kraftstoffverbrauch und die Kohlenwasserstoffemissionen erhöhen sich.
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Bisherige Steuerungen der Abgasrückführungsrate sehen eine physikalische Modellierung eines Gasflusses durch ein in einem Abgasrückführungszweig vorgesehenes Abgasrückführungsventil vor, mit der die rückgeführte Abgasmenge eingestellt wird. Die Modellierung berücksichtigt den Druck vor und nach dem Abgasrückführungsventil, die Stellung des Abgasrückführungsventils und die Temperatur vor dem Abgasrückführungsventil. Der Massenstrom des rückgeführten Verbrennungsabgases kann außerdem aus der Saugrohrbilanz ermittelt werden, wobei sich der Massenstrom des rückgeführten Abgases aus der Summe der im Saugrohr fließenden Masse (gemessen durch einen Luftmassenmesser oder dergleichen), der zum Verbrennungsmotor abfließenden Gasmasse (aus dem Saugrohrmodell) und der durch eine Zustandsänderung im Saugrohr bedingten Massenänderung ergibt. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Aufladeeinrichtung, wie beispielsweise einem Turbolader, sind die obigen Verfahren so toleranzbehaftet, dass eine angestrebte Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitig beherrschbaren NOx-Emissionen nicht sichergestellt werden kann.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Abgasrückführungsrate, d. h. die relative Menge des rückgeführten Verbrennungsabgases, anhand der Laufqualität zu begrenzen. Insbesondere soll die Abgasrückführungsrate so eingestellt werden, dass eine unzulässig hohe Laufunruhe des Verbrennungsmotors vermieden wird.
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Die Laufunruhe dient zur Beschreibung der Laufqualität und kann als eine quantitative Kenngröße angegeben werden. Die Laufunruhegröße σpmi ist eine in der Thermodynamik von Verbrennungsmotoren geläufige Kenngröße, bei der die Standardabweichung des mittleren indizierten spezifischen Motormoments pmi die Güte der Verbrennung beschreibt. Ermittelt wird σpmi üblicherweise durch die Erfassung der Brennraumdrücke mittels Brennraumdrucksensoren, der Berechnung der zylinderindividuellen, mittleren indizierten Momente pmi, sowie der statistischen Bewertung der zylinderindividuellen, mittleren indizierten spezifischen Motormoments pmi durch deren Standardabweichungen σpmi. Es wurde festgestellt, dass eine stark ansteigende Laufunruhegröße σpmi mit steigendem Verbrauch, erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen und zunehmenden Komforteinbußen korreliert.
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Das obige Verfahren sieht nun vor, dass eine Regelung von σpmi angewandt wird, bei der die konventionelle Steuerung für die Abgasrückführungsrate so beeinflusst wird, dass σpmi in einem betriebspunktabhängig festgelegten Sollwertbereich unterhalb der tolerierten Laufgrenze einschwingt. Gegenüber einer herkömmlichen Steuerung der Abgasrückführungsrate hat die Regelung der Laufunruhegröße σpmi den Vorteil, dass sie als absolute Referenz für die Abgasrückführungsrate dienen kann und so unmittelbar als Regelgröße nutzbar wird. Durch Annäherung an eine vorgegebene Laufgrenze können unzulässig hohe NOx-Emissionen durch zu geringe Abgasrückführungsraten vermieden werden. Da die Regelung die Abgasrückführungsrate bei Überschreitung der festgelegten Laufgrenze erkennt und reduziert, können zu hohe AGR-Raten vermieden werden, die im Falle einer herkömmlichen Steuerung der Abgasrückführungsrate zu Motoraussetzern und den damit verbundenen oben genannten Beeinträchtigungen wie Verbrauchsnachteil, Komforteinbußen und dergleichen führen würden.
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Weiterhin kann die Laufunruhegröße der Standardabweichung σpmi des indizierten Mitteldrucks pmi entsprechen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Korrekturgröße sukzessive oder schrittweise erhöht werden, wenn die ermittelte Laufunruhegröße kleiner ist als der vorgegebene Grenzwert der Laufunruhegröße, und sukzessive oder schrittweise verringert werden, wenn die ermittelte Laufunruhegröße größer ist als der vorgegebene Grenzwert der Laufunruhegröße.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Korrekturgröße durch Integration einer Abweichung zwischen der ermittelten Laufunruhegröße und dem vorgegebenen Grenzwert der Laufunruhegröße bestimmt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Integrationsfaktor von der ermittelten Laufunruhegröße abhängt.
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Weiterhin kann die Stellgröße zum Einstellen eines Abgasrückführungsventils dienen, das die Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas einstellt, wobei die Stellgröße multiplikativ oder additiv durch die Korrekturgröße beaufschlagt wird, so dass die Korrekturgröße das Einstellen des Abgasrückführungsventils beeinflusst.
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Weiterhin kann die Korrekturgröße durch einen unteren Grenzwert und/oder oberen Grenzwert eingeschränkt werden, um die Korrekturgröße auf einen plausiblen Bereich zu begrenzen. Die Korrekturgröße kann sukzessive oder schrittweise erhöht werden, wenn die ermittelte Laufunruhegröße kleiner ist als der vorgegebene untere Grenzwert der Laufunruhegröße, und sukzessive oder schrittweise verringert werden, wenn die ermittelte Laufunruhegröße größer ist als der vorgegebene obere Grenzwert der Laufunruhegröße.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgesehen, dem Frischluft über einen Luftzuführungsabschnitt zugeführt wird und von dem Verbrennungsabgas über einen Abgasabführungsabschnitt abgeführt wird, wobei eine einstellbare Menge von Verbrennungsabgas über eine Abgasrückführungsleitung in den Luftzuführungsabschnitt rückgeführt wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – eine Laufunruhegröße, die ein Maß für eine Laufqualität des Verbrennungsmotors darstellt, aus einem Brennraumdrucksignal zu ermitteln;
- – eine Korrekturgröße abhängig von einer Abweichung der ermittelten Laufunruhegröße von einem vorgegebenen Grenzwert der Laufunruhegröße zu bestimmen; und
- – eine Stellgröße zum Einstellen der Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas mit der Korrekturgröße zu beaufschlagen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend.
- – einen Verbrennungsmotor mit einem Luftzuführungsabschnitt zum Zuführen von Frischluft, mit einem Abgasabführungsabschnitt zum Abführen von Verbrennungsabgas und mit einer Abgasrückführungsleitung zum Rückführen einer über ein Äbgasrückführungsventil einstellbaren Menge von Verbrennungsabgas in den Luftzuführungsabschnitt, und
- – die obige Vorrichtung, um das Abgasrückführungsventil mit der mit der Korrekturgröße beaufschlagten Stellgröße anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor;
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2 ein Funktionsdiagramm zur Darstellung der Regelung der Abgasrückführungsrate mithilfe einer Laufunruhegröße σpmi;
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3 ein Diagramm zur Darstellung des Verlaufs der Laufunruhegröße σpmi, abhängig von einer eingestellten Abgasrückführungsrate.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, insbesondere einem Ottomotor. Dem Verbrennungsmotor 2 wird Luft über einen Luftzuführungsabschnitt 3 zugeführt und Verbrennungsabgas wird über einen Abgasabführungsabschnitt 4 abgeleitet.
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In dem Luftzuführungsabschnitt 3 befindet sich eine Drosselklappe 5, über die eine den Zylindern 6 des Verbrennungsmotors 2 zuzuführende Luftmenge eingestellt werden kann. Stromaufwärts der Drosselklappe 5 im Luftzuführungsabschnitt 3 kann eine Aufladeeinrichtung 7 vorgesehen sein, die beispielsweise mithilfe eines Abgasturboladers realisiert sein kann, um Frischluft unter einem erhöhten Druck stromaufwärts der Drosselklappe 5 bereitzustellen.
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Zwischen dem Abgasabführungsabschnitt 4 und dem Luftzuführungsabschnitt 3 ist eine Abgasrückführungsleitung 8 vorgesehen, in der ein Abgasrückführungsventil 9 vorgesehen ist. Das Abgasrückführungsventil 9 dient dazu, einen Teil des abzuführenden Abgases im Abgasabführungsabschnitt 4 in einen Saugrohrabschnitt 10 des Luftzuführungsabschnitts 3 stromabwärts der Drosselklappe 5 zu führen. Es kann weiterhin ein Abgaskühler (nicht gezeigt) in der Abgasrückführungsleitung 8 vorgesehen sein, um das rückgeführte Verbrennungsabgas vor dem Einleiten in den Saugrohrabschnitt 10 zu kühlen.
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Die Menge des in den Saugrohrabschnitt 10 rückgeführten Abgases bestimmt die Abgasrückführungsrate, die dem Verhältnis der in den Saugrohrabschnitt 10 zugeführten Abgasmasse zu der Gesamtmasse, die den Zylindern 6 des Verbrennungsmotors 2 aus dem Saugrohrabschnitt 10 für die Verbrennung zufließt, entspricht.
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Weiterhin ist ein Motorsteuergerät 12 vorgesehen, das den Betrieb des Verbrennungsmotors 2 gemäß einer Vorgabegröße V steuert. Dazu werden dem Motorsteuergerät 12 Betriebszustandsgrößen bereitgestellt, wie beispielsweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, die zugeführte Frischluftmenge (z. B. gemessen mithilfe eines Heißfilm-Luftmassensensors) und dergleichen. Durch Einstellen der Drosselklappe 5, der Verdichtungsleistung der Aufladeeinrichtung 7 sowie des Abgasrückführungsventils 9 kann der Verbrennungsmotor 2 entsprechend der Vorgabegröße V angesteuert werden.
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Die Zylinder
6 des Verbrennungsmotors
2 können beispielsweise mit Brennraumdrucksensoren
11 versehen sein, die es ermöglichen, den Verlauf des Brennraumdrucks p
Zyl zu erfassen und verbrennungsspezifische Kenngrößen wie mittlere indizierte Momente p
mi und dereren Standardabweichungen σ
pmi zu ermitteln. In besonders einfacher Weise kann eine Laufunruhegröße σ
pmi basierend auf den Brennraumdrucksensorsignalen ermittelt werden. Die Standardabweichung des mittleren indizierten Moments p
mi dient allgemein zur Quantifizierung der Laufruhe bzw. Laufunruhe. Die Berechnung von σ
pmi erfolgt allgemein nach folgendem Schema:
wobei n der Anzahl berücksichtigter Werte und
dem Mittelwert der mittleren indizierten Momente p
mi entsprechen.
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Die Laufunruhegröße σpmi wird in dem Motorsteuergerät 12 durch Auswertung der Brennraumdrucksensorsignale als Kenngröße bereitgestellt. Eine stark ansteigende Laufunruhegröße σpmi korreliert mit steigendem Verbrauch, erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen und zunehmenden Komforteinbußen.
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Mit Bezug auf 2 ist ein Funktionsdiagramm dargestellt, das die Ermittlung einer Korrekturgröße k zeigt, die in einen Stellpfad zur Ansteuerung des Abgasrückführungsventils 9 eingreift. Dazu wird die Laufunruhegröße σpmi bestimmt.
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3 zeigt den exemplarischen Verlauf der Laufunruhegrößen σpmi in Abhängigkeit der Abgasrückführungsrate. Man erkennt in dem beispielhaften Diagramm der 3, dass ab einer Abgasrückführungsrate von 15% die Laufunruhegröße σpmi stark ansteigt und bei einer Abgasrückführungsrate von ca. 18% einen vorgegebenen oberen Grenzwert der Laufunruhegröße σpmi_max von beispielsweise 0,5 bar überschreitet. Die der tolerierten Laufgrenze, d. h. dem oberen Grenzwert der Laufunruhegröße σpmi_max, zugeordnete Abgasrückführungsrate AGR ist betriebspunktabhängig appliziert und aus einem Kennfeld entnehmbar.
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Mit Bezug auf 2 wird in einem Vergleichsblock 21 die ermittelte tatsächliche Laufunruhegröße σpmi mit dem oberen und unteren Grenzwerten der Laufunruhegröße σpmi_max und σpmi_min verglichen. Ist die tatsächliche Laufunruhegröße σpmi größer als der obere Grenzwert der Laufunruhegröße σpmi_max so wird die Korrekturgröße k verringert. Ist analog die tatsächliche Laufunruhegröße σpmi kleiner als der unterere Grenzwert der Laufunruhegröße σpmi_min, so wird die Korrekturgröße k vergrößert. Dies kann beispielsweise mithilfe eines Integrators 22 durchgeführt werden, der eine Integration entsprechend der Differenz zwischen der tatsächlichen Laufunruhegröße σpmi und den Grenzwerten der Laufunruhegröße σpmi_max und σpmi_min durchführt.
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Ist in diesem Beispiel die Laufunruhegröße σpmi kleiner als der untere Grenzwert der Laufunruhegröße σpmi_min, so wird die Korrekturgröße k in dem Integrator 22 ermittelt, indem der Integrationswert sukzessive bzw. schrittweise erhöht wird, während der Integrationswert sukzessive reduziert wird, wenn die tatsächliche Laufunruhegröße σpmi kleiner als der vorgegebene obere Grenzwert σpmi_max ist. Der Integratorwert entspricht der Korrekturgröße k.
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Die Korrekturgröße k kann als Korrekturfaktor mittelbar oder unmittelbar in dem Stellpfad zur Ansteuerung des Abgasrückführungsventils 9 berücksichtigt werden, so dass der durch das Abgasrückführungsventil 9 gestellte Gasmassenstrom bei steigendem Korrekturfaktor k vergrößert und bei fallendem Korrekturfaktor k verringert wird. Somit kann die Abgasrückführungsrate AGR betriebspunktabhängig weiterhin optimiert werden, ohne dass Nachteile der Laufqualität zu befürchten sind.
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Abhängig von der tatsächlichen Laufunruhegröße σpmi kann zudem eine Integrationskonstante des Integrators vorgegeben werden, um insbesondere eine hohe Differenz zwischen der tatsächlichen Laufunruhegröße σpmi und dem relevanten Grenzwert σpmi_min oder σpmi_max durch eine entsprechende Anpassung der Abgasrückführungsrate AGR beschleunigt ausgleichen zu können.
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Beispieslweise kann bei kleinen Werten der Laufunruhegröße σpmi eine hohe Integrationskonstante vorgegeben werden, um eine schnelle Annäherung an den oberen Grenzwert der Laufunruhegröße σpmi_max zu erreichen.
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Der Integratorwert kann durch einen unteren und oberen Grenzwert MIN, MAX beschränkt werden, um die Korrekturgröße k auf plausible Werte zu begrenzen.
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Die Korrekturgröße k kann insbesondere multiplikativ auf die zur Ansteuerung des Abgasrückführungsventils 9 verwendete Stellgröße angewandt werden. Alternativ ist auch eine additive oder sonstige Beaufschlagung der Stellgröße mit der Korrekturgröße k möglich.
dem Mittelwert der mittleren indizierten Momente pmi entsprechen.