-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft allgemein Kraftfahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Steuern von Abgasrückführungen in Verbrennungsmotoren, Steuervorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren und Verbrennungsmotoren mit derartigen Steuervorrichtungen.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 10 2008 043 487 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Katalysator für ein Fahrzeug bekannt, dessen Frischluftfüllung über einen Turbolader gesteigert und dessen Katalysatorwirkung über eine Abgasrückführung verbessert werden kann.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Steuern einer Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, insbesondere eine Recheneinheit, ein Verbrennungsmotor und ein Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors, die Schritte:
- – Bestimmen einer vom Verbrennungsmotor abzugebenden Sollleistung; und
- – Begrenzen eines durch die Abgasrückführung geführten Abgasstroms basierend auf der Sollleistung.
-
Dem obigen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass in dem eingangs genannten Verbrennungsmotor der Turbolader und die Abgasrückführung ihre Betriebsenergie gleichsam aus der Enthalpie des Abgases des Verbrennungsmotors beziehen. Basierend auf dieser Grundüberlegung wird im Rahmen des Verfahrens erkannt, dass eine aktivierte Abgasrückführung dem Turbolader zu dessen Betrieb benötigte Energie entziehen könnte, so dass der Verbrennungsmotor eine suboptimale Abgabeleistung erzeugt.
-
Diesem Problem könnte durch Sollwertvorgaben für die Abgasrückführung und den Turbolader begegnet werden, die vorab stationär am Motorprüfstand unter verschiedenen Optimierungskriterien bestimmt werden. Die Wechselwirkung zwischen der Abgasrückführung und dem Turbolader würde sich dann automatisch bei der Einstellung basierend auf den Sollwertvorgaben ergeben.
-
Im Rahmen des obigen Verfahrens wird jedoch erkannt, dass die stationär am Motorprüfstand bestimmten Sollwertvorgaben bei einem dynamischen Verhalten des Verbrennungsmotors, wie es beispielsweise bei transienten Vorgängen zu finden ist, wirkungslos wären. In diesem Falle würden sich beide Steller, also der Turbolader und die Abgasrückführung, im Verbrennungsmotor gegenseitig beeinflussen und das Erreichen eines stationären Zustands mit dem Verbrennungsmotor zumindest spürbar hinauszögern.
-
Hier greift das obige Verfahren an, da das Grundproblem immer noch dasselbe ist. Die Abgasrückführung entnimmt einen Teil des Abgases, dessen Enthalpie zum Antrieb des Turboladers notwendig wäre. Wird jedoch der Abgasstrom durch die Abgasrückführung begrenzt, insbesondere bei einem dynamischen Verhalten des Verbrennungsmotors, so steht entsprechend mehr Enthalpie aus dem Abgas zum Betrieb des Turboladers zu Verfügung. Mit dem sich nun freier bewegenden Turbolader kann schneller ein stationärer Zustand mit dem Verbrennungsmotor erreicht werden, in dem sowohl die Abgasrückführung als auch der Turbolader wieder mit den oben erwähnten am Motorstand bestimmten Sollwertvorgaben betrieben werden können.
-
In einer Ausführungsform des obigen Verfahrens umfasst der Verbrennungsmotor einen Turbolader, wobei die Begrenzung des Abgasstroms durch die Abgasrückführung von einem Sollabgasstrom durch eine Turbine des Turboladers abhängig ist.
-
Der Sollabgasstrom durch die Turbine treibt diese an und erhöht über einen entsprechend durch die Turbine angetriebenen Kompressor die Frischladung in einer Brennkammer des Verbrennungsmotors. Auf diese Weise kann eine geforderte Dynamik in einem Füllungsaufbau in der Brennkammer des Verbrennungsmotors sichergestellt werden, um damit durch ein besseres Spülgefälle dann auch eine geforderte Abgasrückführrate einzustellen, so dass, wie bereits erwähnt, ein stationärer Zustand schneller erreicht wird.
-
In einer zusätzlichen Ausführungsform des obigen Verfahrens ist der Sollabgasstrom durch die Turbine des Turboladers von einer Leistung des Turboladers abhängig, die notwendig ist, um die abzugebende Sollleistung des Verbrennungsmotors zu erzeugen. Die abzugebende Sollleistung des Verbrennungsmotors kann sich aus einer Summe von Teilleistungen zusammensetzen, die von verschiedenen Stellern im Verbrennungsmotor, wie beispielsweise einer Drosselklappe, beeinflusst werden. Im Rahmen des obigen Verfahrens kann dabei nur die Teilleistung bei der Begrenzung des Abgasstroms berücksichtigt werden, die vom Turbolader zur Ausgabe der Gesamtleistung des Verbrennungsmotors beigetragen wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Abgasstrom nur dann begrenzt wird, wenn die Dynamik des Verbrennungsmotors dies erfordert. Die Begrenzung ist dabei gerade so hoch, dass sich ein geforderter Ladedruck für eine ausreichende Dynamik einstellen lässt.
-
In einer besonderen Ausführungsform umfasst das obige Verfahren den Schritt des Berechnens des Sollabgasstroms basierend auf der notwendigen Leistung des Turboladers und einer Temperatur des Abgases. Dieser Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, dass die oben genannte vom Abgasstrom abhängige Teilleistung eine thermodynamische Leistung und damit ein Enthalpiestrom ist, der mittels des Turboladers im Verbrennungsmotor vom Abgasstrom unter Berücksichtigung gewisser Verluste auf den Frischluftstrom übertragen werden soll. Dieser Enthalpiestrom ist bei einer konstanten Temperatur lediglich von der Masse des Abgases abhängig, die am Turbolader ankommt. Ausgehend davon, dass sich die Temperatur des Abgases während des dynamischen Verhaltens des Verbrennungsmotors höchstens vernachlässigbar ändert, lässt sich damit der am Turbolader benötige Abgasmassenstrom unmittelbar berechnen, wenn die zuvor genannte thermodynamische Sollleistung um die Temperatur des Abgases bereinigt wird. Wenn ferner der vom Verbrennungsmotor ausgestoßene Abgasmassenstrom bekannt ist, kann durch Bilanzierung aller Massenströme der einzustellende Abgasmassenstrom in der Abgasrückführung berechnet werden, der notwendig wäre, um den an der Turbine benötigten Abgasmassenstrom für die vom Turbolader beizutragende Teilleistung zur abzugebenden Sollleistung des Verbrennungsmotors sicherzustellen.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der Sollabgasstroms basierend auf einer oder mehreren der folgenden Größen berechnet werden: Abgastemperatur, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, und Druck des Abgases (32) nach dem Turbolader (22).
-
Die Temperatur des Abgases kann dabei in beliebiger Weise bestimmt werden, beispielsweise basierend auf einer Schätzung, einer Messung oder einem vorgegebenen Wert.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor in einer Magerbetriebsart betrieben. Dieser Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, dass die Abgasrückführung zur Verminderung von NOx-Rohemissionen eingesetzt werden könnte. Um bei Beschleunigungsvorgängen des oben genannten Kraftfahrzeugs eine vorgegebene Dynamik zu erreichen, kann es sinnvoll sein, in der Dynamik eine geforderte Abgasrückführrate kurzfristig zu verletzen, um dann möglichst schnell die geforderte Sollfüllung im Verbrennungsmotor zu erreichen, um dann die Abgasrückführrate im Zielbetriebspunkt einstellen zu können. Dadurch werden die transienten Zustände verkürzt, was sich positiv auf die Emissionen, den Kraftstoffverbrauch und die Fahrdynamik auswirkt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, wobei die Solleistung von einem Fahrerwunschmoment für das Kraftfahrzeug abhängig ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um eines der angegebenen Verfahren durchzuführen.
-
In einer Ausführungsform der obigen Steuervorrichtung weist die Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist eines der obigen Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der obigen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der obigen Vorrichtungen ausgeführt wird.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der obigen Verfahren durchführt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung und einem Turbolader eine angegebene Steuervorrichtung.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors; und
-
2 ein Diagramm, in dem ein Drehmoment über die Zeit dargestellt ist.
-
Beschreibung der Ausführungsformen
-
In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
-
Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 2 zeigt.
-
Der Verbrennungsmotor 2 kann als Ottomotor oder Dieselmotor ausgebildet sein. Der Verbrennungsmotor 2 umfasst einen oder mehrere Zylinder mit jeweils einer Brennkammer 4. In die Brennkammer 4 wird gemäß einem Viertaktbetrieb Kraftstoff eingespritzt, um ein Drehmoment 10 zum Antrieb eines Rades 6 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
-
Dazu saugt der Verbrennungsmotor 2 über einen Frischluftfilter 12 einen Frischluftstrom 14 an, der über eine Drosselklappe 16 reguliert wird. Der regulierte Frischluftstrom 18 wird über einen Kompressor 20 eines Turboladers 22 verdichtet und mit einem Abgasrückführstrom 24 aus einer Abgasrückführung 26 vermischt. Der Mischluftstrom 28 tritt in die Brennkammer 4 ein und wird in einer dem Fachmann bekannten Weise verbrannt.
-
Die verbrannte Frischluft tritt in Form eines Abgasstroms 30 aus der Brennkammer 4 aus, wobei ein Teil des Abgasstroms 30 als der oben genannte Abgasrückführstrom 24 in einer noch zu beschreibenden Weise zum verdichteten regulierten Frischluftstrom 18 geleitet wird. Der verbleibende Abgasstrom 32 wird über eine Turbine 34 des Turboladers 22 entspannt, wobei die Turbine 34 im Rahmen der Entspannung innere Energie des verbleibenden Abgasstroms 32, also Enthalpie 35, aufnimmt und damit den Kompressor 20 zum Verdichten des regulierten Frischluftstroms 18 antreibt. Der entspannte Abgasstrom 36 wird dann über eine Lambdasonde 38 und einen Katalysator 40 als Auspuffgas 42 in die Umgebung ausgestoßen.
-
Die Abgasrückführung 26 weist ein Abgasrückführventil 44 auf, über das der Abgasrückführstrom 24 reguliert werden kann. Stromabwärts in der Abgasrückführung 26 ist eine Kühlvorrichtung 46 angeordnet, mit der der Abgasrückführstrom 24 in einer dem Fachmann bekannten Weise für eine optimale Verbrennung in der Brennkammer 4 gekühlt werden kann.
-
Die Regulierung des regulierten Frischluftstromes 14 erfolgt, wie bereits erwähnt, über die Drosselklappe 16, die von einer als Recheneinheit ausgebildeten Motorsteuerung 48 über ein entsprechendes Drosselklappensignal 50 basierend auf einem Fahrerwunschmoment 52 angesteuert wird. Das Fahrerwunschmoment 52 entspricht einem Wert für das Drehmoment 10, mit dem sich das Rad 6 drehen soll.
-
Ferner wird das Abgasrückführventil 44 über ein Abgasrückführventilsignal 54 basierend auf einem Lambdasignal 56 aus der Lambdasonde 38 in einer dem Fachmann bekannten Weise angesteuert, um eine Stickoxidrate in dem entspannten Abgasstrom 36 zu minimieren.
-
Das heißt, dass der Turbolader 22 und die Abgasrückführung 26 zwei Aufgaben im Verbrennungsmotor 2 übernehmen, die unabhängig voneinander sind.
-
Dabei ist jedoch die durch den Turbolader 22 übertragene Enthalpie 35 in einer dem Fachmann bekannten Weise vom verbleibenden Abgasmassenstrom 32 abhängig. Das heißt, je höher der verbleibende Abgasmassenstrom 32 ist, desto höher ist folglich auch die Enthalpie 35. Folglich ist der verbleibende Abgasmassenstrom 32 davon abhängig, wie hoch der Abgasrückführstrom 24 ist. Damit wirken im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 die Abgasrückführeinrichtung 26 und der Turbolader 22 gegensätzlich zueinander, wodurch sie sich in ihrem Betrieb stören könnten.
-
Diesem Problem kann in einem stationären Betrieb des Verbrennungsmotors 2 grundsätzlich dadurch begegnet werden, dass in der Motorsteuerung 48 Betriebspunkte zur Erzeugung des Drosselklappensignals 50 und des Abgasrückführventilsignals 54 hinterlegt werden, im Rahmen derer der Betrieb des Turboladers 22 und der Abgasrückführung 26 aufeinander abgestimmt werden.
-
In einem dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors 2, wenn sich also das Fahrerwunschmoment 52 und damit auch der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 2 ändert, müssen sich der Turbolader 22 und die Abgasrückführung 26 erst auf einen der in der Motorsteuerung 48 hinterlegten Betriebspunkte einschwingen. Dies kann durch die beiden voneinander unabhängigen Aufgaben des Turboladers 22 und der Abgasrückführung 26 unter Umständen sehr lange dauern.
-
Um dem oben genannten Problem im Rahmen des dynamischen Betriebs des Verbrennungsmotors 2 dennoch zu begegnen, sollte sich der Verbrennungsmotor 2 möglichst schnell auf einen neuen Betriebspunkt einschwingen. Um dies zu ermöglichen schlägt die vorliegende Ausführung vor, den Verbrennungsmotor 2 kurzfristig in seinen Freiheitsgraden einzuschränken und eines der beiden Stellglieder (Turbolader 22 oder Abgasrückführung 26) in seinem Spielraum einzuschränken. Da der Turbolader 22 Einfluss auf das Einschwingen auf einen Betriebspunkt hat, die Abgasrückführung 26 jedoch nicht, sollte die Abgasrückführung 26 in ihrem Spielraum eingeschränkt werden.
-
Um diese Einschränkung des Spielraums der Abgasrückführung 26 so minimal wie möglich zu gestalten, wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung vorgeschlagen, das Abgasrückführventilsignal 54 in Abhängigkeit von der Enthalpie 35 zu beschränken, die notwendig ist, um dem Verbrennungsmotor 2 ein freies Einschwingen auf einen neuen Betriebspunkt im dynamischen Betrieb zu garantieren. Diese notwendige Enthalpie 35 kann beispielsweise über eine Bilanzierung einer Sollenthalpie für den regulierten Frischluftstrom 18 zur Umsetzung des Fahrerwunschmoments 52 und einer Istenthalpie des regulierten Frischluftstroms 18, die beispielsweise vom Drosselklappensignal 50 abhängig ist, bestimmt werden.
-
Ist die notwendige Enthalpie 35 bekannt, so kann diese basierend auf einer mit einem Temperatursensor 60 oder beliebig anderweitig erfassten Temperatur 58 des verbleibenden Abgasstroms 32 in einen benötigten Wert für den verbleibenden Abgasstrom 32 umgerechnet werden. Wird schließlich über einen Massenstromsensor 62 der verbrannte und aus der Brennkammer 4 ausgestoßene Massenstrom 64 erfasst, so kann wiederum über eine Bilanzierung dieses Massenstroms 64 mit dem benötigten Wert für den verbleibenden Abgasstrom 32 bestimmt werden, wie hoch der Abgasrückführstrom 24 maximal sein darf, damit die benötigte Enthalpie 35 auf den Kompressor 20 übertragen werden kann.
-
Die Motorsteuerung 48 kann dann entsprechend das Abgasrückführventilsignal 54 erzeugen, um mit dem Abgasrückführventil 44 den Abgasrückführstrom 24 entsprechend auf diesen Maximalwert zu beschränken.
-
Es wird auf 2 Bezug genommen, in der das Drehmoment 10 über die Zeit 66 dargestellt ist.
-
Die in 2 gezeigten Kurven stellen den Verlauf des Drehmoments 10 über die Zeit 66 nach einem Betriebspunktwechsel des Verbrennungsmotors 2, beispielsweise im Rahmen eines geänderten Fahrerwunschmoments 52, dar.
-
Dabei zeigt die Kurve 68 in der gestrichelten Linie den zeitlichen Verlauf des Drehmoments 10, wenn der Abgasrückführstrom 24 im Rahmen der Anpassung des Drehmoments 10 an das neue Fahrerwunschmoment 52 nicht begrenzt wird, während die Kurve 70 in durchgezogener Linie den zeitlichen Verlauf des Drehmoments 10 zeigt, wenn das Drehmoment 10 im Rahmen der vorliegenden Ausführung an das neue Fahrerwunschmoment 52 begrenzt wird.
-
Sobald sich das Drehmoment 10 auf dem neuen Fahrerwunschmoment 52 wieder stabilisiert hat, kann die Begrenzung des Abgasrückführstroms 24 aufgehoben werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008043487 A1 [0002]
