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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Abgasrückführgröße einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, sowie ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9.
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Eine Abgasrückführung wird bei Brennkraftmaschinen typischerweise eingesetzt, um Stickoxidemissionen zu verringern. Dabei wird Abgas der Brennkraftmaschine in eine Brennkammer zurückgeführt, insbesondere um einen in Inertgasanteil in der Brennkammer zu erhöhen und die Verbrennungstemperatur zu beeinflussen. Eine schnelle und präzise Regelung der Abgasrückführung, insbesondere abhängig von einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine, ist wünschenswert, weil einerseits kein Potential zur Stickoxidreduktion verschenkt werden soll, und weil andererseits Zündaussetzer durch eine Überdosierung des rückgeführten, inerten Abgases in der Brennkammer vermieden werden sollen. Es hat sich aber gezeigt, dass bekannte Ansätze zur Regelung einer Abgasrückführgröße, wobei hierunter insbesondere eine rückgeführte Abgasmasse oder eine Abgasrückführrate, mithin ein Verhältnis der rückgeführten Abgasmasse zu einer Schluckmasse der Brennkraftmaschine, sehr träge sind. Dies liegt zum einen daran, dass eine präzise Vorsteuerung fehlt, zum anderen daran, dass langsame Regelgrößen, wie beispielsweise ein Messwert einer Lambdasonde, verwendet werden. Um rasch und flexibel insbesondere auf Lastsprünge der Brennkraftmaschine reagieren zu können, ist es jedoch wünschenswert, die Abgasrückführgröße innerhalb einer Stellgeschwindigkeit einer Abgasrückführklappe einstellen zu können. Hierdurch können die Emissionen und die Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine deutlich verbessert werden. Dies ist insbesondere wünschenswert für sensible und schwer zu beherrschende Brennverfahren, wie beispielsweise das in einer HCCI-Brennkraftmaschine eingesetzte Brennverfahren (homogeneous charge compression ignition). Es ist grundsätzlich möglich, die Abgasrückführgröße insbesondere modellbasiert zu steuern. Dies ermöglicht eine Einstellung der Abgasrückführgröße innerhalb der Stellgeschwindigkeit der Abgasrückführklappe. Druckverluste in einer Abgasrückführ-Strecke der Brennkraftmaschine erhöhen sich allerdings mit deren Lebenszeit, beispielsweise weil die Abgasrückführ-Strecke durch Verschmutzungen zunehmend zugesetzt wird und somit ihr Strömungswiderstand steigt. Solche langfristigen Effekte sind durch eine reine Steuerung nicht erfassbar.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2007 007 945 A1 geht ein Verfahren zum Einstellen einer Abgasrückführrate einer Brennkraftmaschine hervor, wobei die Einstellung mittels einer Steuerung mit überlagertem Regelkreis beziehungsweise einer Regelung mit Vorsteuerung erfolgt. Ein Vorsteuerungssignal wird dabei auf Basis von in Kennlinien oder Kennfeldern enthaltenen Daten erzeugt, die auf Gesetzen der Strömungsphysik beruhen und insbesondere ein der Abgasrückführung zugrunde liegendes, treibendes Druckgefälle berücksichtigen. Insoweit erfolgt die Steuerung der Abgasrückführrate entlang der Abgasrückführ-Strecke auf der Grundlage eines funktionalen Zusammenhangs zwischen dem rückgeführten Abgas und an der Brennkraftmaschine gemessenen Größen. Die Vorsteuerung ist schnell. Ihre Präzision wird dadurch erhöht, dass eine Lernfunktion vorgesehen ist, bei welcher das reine Vorsteuersignal mit dem Gesamtansteuersignal, also dem mit einem Reglersignal überlagerten Vorsteuersignal, verglichen wird. Das Ergebnis der Regelung, welche der Vorsteuerung überlagert wird, wird in ein Lernkennfeld zurückgeführt. Mithilfe der Lernfunktion können auch langfristige Drifts beispielsweise durch Verschmutzung der Abgasrückführ-Strecke berücksichtigt werden. Diese Lösung ist allerdings vergleichsweise aufwendig und kompliziert, insbesondere weil sie eine Vorsteuerung, eine überlagerte Regelung und eine zusätzliche Lernfunktion umfasst, die auf einem Vergleich des aus Vorsteuersignal und Reglersignal zusammengesetzten Gesamtansteuersignals mit dem Vorsteuersignal beruht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll es mithilfe des Verfahrens möglich sein, eine Abgasrückführgröße einer Brennkraftmaschine schnell und präzise einzustellen, wobei zugleich eine Kompensation von Langzeitdrifts möglich sein soll. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welchem das Verfahren durchführbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei wird eine in einer Abgasrückführ-Strecke gegebene Abgasrückführgröße, vorzugsweise eine Abgasrückführmasse oder eine Abgasrückführrate, auf der Grundlage eines ersten funktionalen Zusammenhangs zwischen einer rückgeführten Abgasmasse und einer ersten Auswahl von an der Brennkraftmaschine gemessenen Größe gesteuert. Die rückgeführte Abgasmasse wird geregelt, indem eine auf der Grundlage des ersten funktionalen Zusammenhangs berechnete, erste Abgasmasse mit einer auf der Grundlage eines zweiten funktionalen Zusammenhangs zwischen der rückgeführten Abgasmasse und einer zweiten Auswahl von an der Brennkraftmaschine gemessenen Größen berechneten, zweiten Abgasmasse verglichen wird. Dabei wird der erste funktionale Zusammenhang auf der Grundlage des Vergleichs der ersten Abgasmasse mit der zweiten Abgasmasse angepasst. Dadurch, dass die Abgasrückführgröße auf der Grundlage des ersten funktionalen Zusammenhangs gesteuert wird, ist eine sehr schnelle Einstellung auf der Zeitskala der Stellgeschwindigkeit einer Abgasrückführklappe möglich. Die Steuerung erfolgt dabei modellbasiert, wobei der erste funktionale Zusammenhang ein Modell der rückgeführten Abgasmasse insbesondere in Abhängigkeit der Abgasrückführ-Klappenstellung darstellt. Zugleich ist die Steuerung präzise und in Hinblick auf Langzeitdrifts stabil, weil sie durch die Regelung der rückgeführten Abgasmasse korrigiert wird, indem der erste funktionale Zusammenhang fortwährend angepasst wird. Es kann so über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine rasch und präzise eine Abgasrückführrate oder Abgasrückführmasse innerhalb geeigneter Grenzen eingestellt werden. Dabei wird eine zu geringe Abgasrückführrate vermieden, die sonst zu hohen Brenngeschwindigkeiten, einer frühen Verbrennungslage und damit zu lauter und bauteilschädigender Verbrennung bei zugleich erhöhter Stickoxidemission führt. Ebenso wird eine zu geringe Abgasrückführrate vermieden, welche die Verbrennung erlöschen lässt oder eine erhöhte Rußemission und erhöhte Abgastemperaturen zur Folge hat. Mithilfe des Verfahrens ist es stets möglich, die Abgasrückführgröße innerhalb der physikalischen Stellzeiten in einem genau richtigen Verhältnis einzustellen. Die Regelung der rückgeführten Abgasmasse verwirklicht dabei eine Lernfunktion, mithilfe derer insbesondere Langzeitdrifts in der Abgasrückführ-Strecke, beispielsweise durch Verschmutzung, ausgeglichen werden können. Das Verfahren ist zugleich einfach und genau, weil im Rahmen der Regelung im Wesentlichen die nach dem ersten funktionalen Zusammenhang berechnete Abgasmasse mit der nach dem zweiten funktionalen Zusammenhang berechneten Abgasmasse verglichen wird. Dabei bedarf es insbesondere keiner komplexen Kombination aus Vorsteuerstruktur, überlagertem Regelkreis und zusätzlicher Lernfunktion.
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Unter einer Abgasrückführgröße wird hier generell eine Abgasrückführmasse oder eine Abgasrückführrate verstanden. Beide Größen sind letztlich ohne Weiteres ineinander umrechenbar. Dabei ist die Abgasrückführrate der Quotient der Abgasrückführmasse, dividiert durch die Schluckmasse der Brennkraftmaschine.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der erste und der zweite funktionale Zusammenhang so gewählt werden, dass der erste funktionale Zusammenhang schneller als der zweite funktionale Zusammenhang berechenbar und in einem gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine definiert ist. Dabei ist er allerdings ungenauer als der zweite funktionale Zusammenhang. Dieser ist träger, also weniger schnell berechenbar. Vorzugsweise wird der zweite funktionale Zusammenhang derart gewählt, dass er nur in stationären Lastpunkten der Brennkraftmaschine gültig ist. Hierdurch kann ein sehr genauer funktionaler Zusammenhang als zweiter funktionaler Zusammenhang ausgewählt werden, sodass der erste funktionale Zusammenhang stets auf der Grundlage einer sehr genauen, unabhängigen Berechnung der rückgeführten Abgasmasse angepasst wird. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens. Der erste funktionale Zusammenhang ist dagegen auch bei Lastsprüngen der Brennkraftmaschine schnell berechenbar, sodass stets eine rasche Steuerung innerhalb der physikalischen Stellzeiten möglich ist. Dabei ist er in dem gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine definiert, sodass er unabhängig von einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine berechenbar und die Steuerung somit zu allen Zeiten und in allen Lastpunkten möglich ist. In Lastpunkten oder Kennfeldbereichen, in denen der zweite funktionale Zusammenhang nicht definiert ist, erfolgt vorzugsweise keine Anpassung oder Korrektur des ersten funktionalen Zusammenhangs, sondern dieser wird unverändert zur Steuerung verwendet, bis die Brennkraftmaschine wieder in einem stationären Lastpunkt arbeitet, sodass dann der zweite funktionale Zusammenhang wiederum zur Anpassung des ersten funktionalen Zusammenhangs herangezogen werden kann. Da der zweite funktionale Zusammenhang im Rahmen der Regelung insbesondere der Kompensation von Langzeitdrifts dient, wird die Präzision und Genauigkeit der Einstellung der Abgasrückführgröße hierdurch nicht wesentlich beeinträchtigt. Insbesondere sind keine sprunghaften Veränderungen im Sinne einer Alterung oder Verschmutzung der Abgasrückführ-Strecke zu erwarten, sodass der erste funktionale Zusammenhang zwischen zwei stationären Lastpunkten der Brennkraftmaschine stets eine ausreichende Genauigkeit zur Steuerung der Abgasrückführgröße aufweist.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der erste funktionale Zusammenhang auf einem der Abgasrückführung zugrunde liegenden, diese treibenden Druckgefälle basiert. Der erste funktionale Zusammenhang beruht somit auf Gesetzen der Strömungsphysik, insbesondere darauf, dass das rückgeführte Abgas durch ein Druckgefälle aus einem Abgasbereich stromabwärts der Brennkammer in einen Ladeluftbereich stromaufwärts der Brennkammer zurückgeführt wird. Das Verfahren ist dabei besonders geeignet durchführbar für eine Brennkraftmaschine mit Hochdruck-Abgasrückführung, bei welcher unter Druck stehendes Abgas stromaufwärts einer Abgasturboladerturbine entnommen und in eine unter Druck stehende Ladeluftleitung stromabwärts eines Ladeluftverdichters zurückgeführt wird. Dabei besteht ein Druckgefälle zwischen dem Abgasdruck stromaufwärts der Abgasturboladerturbine und der Ladeluft stromabwärts des Ladeluftverdichters, welcher von der Abgasturboladerturbine angetrieben wird, wobei der Druck stromaufwärts der Turbine höher ist als der Druck stromabwärts des Verdichters, sodass das Abgas entlang des Druckgefälles von dem Abgasbereich in den Ladeluftbereich strömt. Der erste funktionale Zusammenhang umfasst einen Druckverlustkoeffizient, der im Wesentlichen einen Strömungswiderstand der Abgasrückführ-Strecke beschreibt. Im Rahmen der Steuerung wird eine Abgasrückführ-Klappenstellung auf der Grundlage des Druckverlustkoeffizienten und auf der Grundlage einer Sollvorgabe für die Abgasrückführ-Strecke nach dem ersten funktionalen Zusammenhang berechnet. Dabei umfasst die Sollvorgabe einen Sollwert der Abgasrückführgröße, also einer Abgasrückführmasse oder einer Abgasrückführrate. Im Rahmen der Regelung wird der Druckverlustkoeffizient korrigiert. Dabei ist der zweite funktionale Zusammenhang bevorzugt unabhängig von dem Druckverlustkoeffizient. Während demnach die erste Abgasmasse auf der Grundlage des ersten funktionalen Zusammenhangs in Abhängigkeit des Druckverlustkoeffizienten berechnet wird, wird die zweite Abgasmasse auf der Grundlage des zweiten funktionalen Zusammenhangs unabhängig von dem Druckverlustkoeffizienten berechnet. Es ist dann möglich, auf der Grundlage des Vergleichs der ersten Abgasmasse mit der zweiten Abgasmasse den Druckverlustkoeffizient derart zu korrigieren, dass die weniger genau berechnete, erste Abgasmasse der mit höherer Genauigkeit berechneten zweiten Abgasmasse angeglichen wird. Auf diese Weise wird im Rahmen der Regelung der Druckverlustkoeffizient als Element des ersten funktionalen Zusammenhangs fortwährend angepasst, wodurch eine hinreichende Genauigkeit und Präzision des ersten funktionalen Zusammenhangs zur Steuerung der Abgasrückführgröße gewährleistet wird.
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In diesem Zusammenhang wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass im Rahmen der Steuerung eine erste Funktion des Druckverlustkoeffizienten auf der Grundlage des ersten funktionalen Zusammenhangs berechnet wird. Zugleich wird eine vorherbestimmte Anzahl zweiter Funktionen des Druckverlustkoeffizienten abhängig von einer vorherbestimmten Anzahl von Abgasrückführ-Klappenstellungen und dem aus einem Kennfeld ausgelesenen Druckverlustkoeffizient berechnet. Bevorzugt wird die erste Funktion des Druckverlustkoeffizienten auf der Grundlage einer Sollvorgabe für die rückgeführte Abgasmasse und weiter auf der Grundlage an der Brennkraftmaschine gemessener Größen berechnet. Die zweiten Funktionen werden dagegen berechnet, indem der Druckverlustkoeffizient aus einem Kennfeld ausgelesen wird, und indem eine erste Abgasrückführ-Klappenstellung angenommen, insbesondere geraten oder aus einer vorhergehenden Berechnung übernommen wird. Ausgehend von der ersten Abgasrückführ-Klappenstellung werden in einem vorherbestimmten Intervall, beispielsweise von mindestens 0,9 multipliziert mit der ersten Abgasrückführ-Klappenstellung bis höchstens 1,1 multipliziert mit der ersten Abgasrückführ-Klappenstellung, in einem vorherbestimmten Schrittabstand Werte für die vorherbestimmte Anzahl von Abgasrückführ-Klappenstellungen festgelegt, wobei hieraus zusammen mit dem aus dem Kennfeld ausgelesenen Druckverlustkoeffizient die vorherbestimmte Anzahl zweiter Funktionen resultiert, die funktional von dem Druckverlustkoeffizienten und parametrisch von den verschiedenen Abgasrückführ-Klappenstellungen abhängt. Es wird nun eine Abweichung zwischen der ersten Funktion und den zweiten Funktionen minimiert, derart, dass aus den zweiten Funktionen diejenige zweite Funktion ermittelt wird, welche die geringste Abweichung zu der ersten Funktion aufweist. Diesem Minimum ist eine Abgasrückführ-Klappenstellung zugeordnet, die entsprechend bestimmt wird. Die so ermittelte Abgasrückführ-Klappenstellung wird an die Abgasrückführklappe angelegt, beziehungsweise die Abgasrückführklappe wird in der ermittelten Stellung angeordnet.
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Eine Abgasrückführ-Klappenstellung spricht bevorzugt einen Winkel der Abgasrückführklappe an, welcher deren Verschwenkung zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung beschreibt.
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Die in der beschriebenen Weise ermittelte Abgasrückführ-Klappenstellung geht in eine erneute Berechnung der vorherbestimmten Anzahl zweiter Funktionen ein, wird also als Ausgangspunkt für die erneute Bestimmung des Intervalls möglicher Abgasrückführ-Klappenstellungen herangezogen. Auf diese Weise wird die tatsächliche Abgasrückführ-Klappenstellung schrittweise einem Wert angenähert, bei welchem der Druckverlustkoeffizient der Abgasrückführ-Strecke dem gemäß dem ersten funktionalen Zusammenhang angenommenen Druckverlustkoeffizienten entspricht. Insgesamt wird so eine Steuerung der Abgasrückführ-Klappenstellung und somit letztlich auch der Abgasrückführgröße verwirklicht.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, bei welchem die in dem Kennfeld hinterlegten Werte des Druckverlustkoeffizienten fortwährend durch die Regelung korrigiert werden. Auf diese Weise wird der erste funktionale Zusammenhang stets angepasst, wodurch insbesondere langfristige Tendenzen oder Drifts der Abgasrückführ-Strecke korrigierbar oder ausgleichbar sind.
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Der Druckverlustkoeffizient ist in dem Kennfeld vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Ladeluftdruck, einem Abgasdruck oder einer Funktion dieser Werte, sowie in Abhängigkeit von der Abgasrückführ-Klappenstellung hinterlegt.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, bei welchem ein Basiskennfeld vorgesehen ist, welches Basiswerte des Druckverlustkoeffizienten in Abhängigkeit von dem Ladeluftdruck, dem Abgasdruck oder einer Funktion dieser Werte, sowie in Abhängigkeit von der Abgasrückführ-Klappenstellung umfasst. Dieses Basiskennfeld bleibt bevorzugt über die Lebenszeit der Brennkraftmaschine unverändert. Die Korrektur des Druckverlustkoeffizienten wird bewirkt, indem Korrekturwerte für denselben in einem Korrekturkennfeld hinterlegt werden. Dabei wird das Korrektur-Kennfeld durch die Regelung fortwährend neu bedatet. Die Korrekturwerte sind in dem Korrekturkennfeld vorzugsweise ebenfalls in Abhängigkeit von dem Ladeluftdruck, dem Abgasdruck oder einer Funktion dieser Werte, sowie in Abhängigkeit von der Abgasrückführ-Klappenstellung hinterlegt. Bei den Korrekturwerten kann es sich um Summanden oder Faktoren handeln, die zu dem aus dem Basiskennfeld ausgelesenen Basiswert des Druckverlustkoeffizienten addiert oder mit diesem multipliziert werden, um den letztlich im Rahmen des ersten funktionalen Zusammenhangs verwendeten, korrigierten Druckverlustkoeffizienten anzupassen. Der korrigierte Druckverlustkoeffizient ist also vorzugsweise gegeben durch die Summe oder das Produkt des aus dem Basiskennfeld entnommenen Basiswerts mit dem Korrekturwert.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der erste funktionale Zusammenhang gegeben ist durch die Gleichung:
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Dabei ist A eine unveränderliche, fest vorgegebene Querschnittsfläche der Abgasrückführ-Strecke, welche die Abgasrückführung limitiert. Der Strömungswiderstand der Abgasrückführ-Strecke wird beschrieben durch die Querschnittsfläche A und den Druckverlustkoeffizienten ξ, der sich vorzugsweise gemäß der folgenden Gleichung (2) aus einem Basiswert ξ0 und einem Korrekturwert ξKorr ergibt: ξ = ξ0ξKorr. (2)
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Vorzugsweise weist der Druckverlustkoeffizient ξ einen Wertebereich von mindestens 0 bis höchstens 1 auf, wobei er insbesondere eine Querschnittsverengung der Abgasrückführ-Strecke, beispielsweise durch Verschmutzung, beschreibt. Der Basiswert ξ0 wird vorzugsweise einem invarianten Kennfeld entnommen, in welchem er in Abhängigkeit von dem Ladeluftdruck pA, dem Abgasdruck pL oder einer Funktion dieser Werte, insbesondere der absoluten Differenz |pA – pL|, der momentanen Abgasrückführ-Klappenstellung, insbesondere einem Winkel der Abgasrückführklappe, hinterlegt ist. Der Korrekturwert ξKorr ist vorzugsweise abhängig von denselben Parametern in einem Korrekturkennfeld hinterlegt, wobei das Korrekturkennfeld auf Grundlage der hier beschriebenen Regelung fortwährend neu bedatet wird. Die Korrektur des ersten funktionalen Zusammenhangs gemäß Gleichung (1) wird also durch Anpassung der Korrekturwerte ξKorr vorgenommen.
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Zur Berechnung der rückgeführten Abgasmasse mAGR wird auf der Grundlage eines strömungsphysikalischen Modells weiterhin der Abgasdruck – vorzugsweise vor Turbine – pA, sowie die Druckdifferenz desselben zu dem Ladeluftdruck – vorzugsweise hinter einem Verdichter – pL herangezogen. Weiter geht in die Berechnung die Temperatur des Abgases – vorzugsweise vor Turbine – TA ein. RL ist die Gaskonstante im Bereich der Ladeluft.
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Entsprechend umfass die erste Auswahl von an der Brennkraftmaschine gemessenen Größen den Abgasdruck pA, den Ladeluftdruck pL, und die Abgastemperatur TA. Es bedarf also zur Ermittlung dieser Größen eines ersten Drucksensors in dem Ladeluftbereich, eines zweiten Drucksensors in dem Abgasbereich – vorzugsweise stromaufwärts der Abgasturboladerturbine – und eines Temperatursensors in dem Abgasbereich.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, bei welchem der zweite funktionale Zusammenhang gegeben ist durch folgende Gleichung: mAGR = mS – λLStmB. (3)
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Dabei ist m
S die Schluckmasse der Brennkraftmaschine, mithin die der Brennkraftmaschine insgesamt zugeführte Gemischmasse, welche sich zusammensetzt aus der rückgeführten Abgasmasse und der Ladeluftmasse. Die Schluckmasse lässt sich dabei berechnen nach folgender Gleichung:
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Dabei ist pL wiederum der Druck in dem Ladeluftbereich, VH ist das Hubvolumen der Brennkraftmaschine, λa ist der Luftaufwand der Brennkraftmaschine, mithin das Verhältnis der Schluckmasse zu einer der Brennkraftmaschine theoretisch zuführbaren Gemischmasse, RL ist wiederum die Gaskonstante im Bereich der Ladeluft, und TL ist die in dem Ladeluftbereich gemessene Temperatur – vorzugsweise stromabwärts des Verdichters. Bei dem Faktor, mit dem gemäß Gleichung (4) der Luftaufwand λa multipliziert wird, handelt es sich demnach um die der Brennkraftmaschine theoretisch zuführbare Gemischmasse. Zur Berechnung der Schluckmasse mS bedarf es somit noch eines Drucksensors in dem Ladeluftbereich – vorzugsweise stromabwärts des Verdichters.
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In Gleichung (3) ist λ ein von einer Lambdasonde im Abgasstrang bestimmtes Verhältnis zwischen einer Frischluftmasse und einer Brennstoffmasse mB bezogen auf ein stöchiometrisches Verhältnis dieser Massen, welches in Gleichung (3) mit LSt angegeben ist. Aus dem Produkt aus dem stöchiometrischen Verhältnis LSt und der Brennstoffmasse mB ergibt sich somit die stöchiometrische Frischluftmasse, wobei die tatsächlich der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluftmasse durch Multiplikation mit dem durch die Lambdasonde gemessenen Verhältnis λ, insgesamt also als Produkt λLStmB gewonnen wird. Folgerichtig ergibt sich die rückgeführte Abgasmasse mAGR als Differenz der Schluckmasse mS und der tatsächlich zugeführten Frischluftmasse. Die zugeführte Brennstoffmasse mB ist dabei typischerweise aus einem Steuergerät der Brennkraftmaschine bekannt, weil sie zur Lastregelung derselben, insbesondere zur Ansteuerung von Injektoren verwendet wird.
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Die rückgeführte Abgasmasse mAGR ist gemäß Gleichung (3) sehr genau bestimmbar. Allerdings variiert der Messwert λ der Lambdasonde nur sehr langsam mit sich ändernden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, sodass Gleichung (3) nur in stationären Lastpunkten und darüber hinaus auch nicht im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine anwendbar beziehungsweise gültig ist. Der durch Gleichung (1) angegebene, strömungsphysikalische Zusammenhang zwischen der rückgeführten Abgasmasse mAGR und den dort aufgeführten Größen ist dagegen im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine gültig, wobei die von Gleichung (1) umfassten Größen auch ohne Weiteres rasch, präzise und insbesondere auch bei Lastsprüngen mit hinreichender Genauigkeit messbar sind. Allerdings ist die so gewonnene rückgeführte Abgasmasse mAGR gemäß Gleichung (1) weniger genau als die gemäß Gleichung (3) berechnete. Daher wird vorzugsweise Gleichung (1) zur Steuerung herangezogen, während Gleichung (3) in Zusammenhang mit der Regelung und der Korrektur des Druckverlustkoeffizienten ξ verwendet wird.
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Insgesamt umfasst eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens folgende Vorgehensweise:
Die Steuerung der Abgasrückführgröße durch Einstellung einer Abgasrückführ-Klappenstellung wird folgendermaßen durchgeführt: Der funktionale Zusammenhang gemäß Gleichung (1) wird aufgelöst nach (Aξ)2, wobei diese Funktion von ξ aus den von Gleichung (1) umfassten Messgrößen sowie einer Sollvorgabe für die rückgeführte Abgasmasse mAGR berechnet wird. Die Sollvorgabe wird dabei vorzugsweise von einem Steuergerät insbesondere abhängig von einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine ermittelt. Zugleich wird eine entsprechende, zweite Funktion des Druckverlustkoeffizienten ξ berechnet, indem eine erste Abgasrückführ-Klappenstellung, insbesondere ein Abgasrückführ-Klappenwinkel, angenommen oder aus einer vorherigen Berechnung als Ergebnis übernommen wird. Ausgehend von diesem ersten Wert wird eine Anzahl weiterer Werte, vorzugsweise von zwanzig Werten, zwischen mindestens 0,9 mal dem ersten Wert und höchstens 1,1 mal dem ersten Wert berechnet. Für jede dieser Mehrzahl von Abgasrückführ-Klappenstellungen sowie die Messwerte für den Abgasdruck und den Ladeluftdruck oder die daraus berechnete Funktion wird aus dem entsprechenden Kennfeld ein Wert für den Druckverlustfaktor ausgelesen, und die entsprechende zweite Funktion wird aus dem fest hinterlegten Querschnitt A sowie dem aus dem Kennfeld ausgelesenen und vorzugsweise mit dem Korrekturwert korrigierten Druckverlustkoeffizienten ξ berechnet.
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Die auf der Grundlage von Gleichung (1) berechnete, erste Funktion wird nun schrittweise mit den zweiten Funktionen verglichen, wobei ein Minimum in Form der zweiten Funktion aufgesucht wird, die am wenigsten von der ersten Funktion abweicht. Anschließend wird die Abgasrückführ-Klappenstellung ermittelt, welche dieser zweiten Funktion entspricht. Die Abgasrückführklappe wird mit der Abgasrückführ-Klappenstellung, die dieser Funktion zugeordnet ist, angesteuert. Diese Abgasrückführ-Klappenstellung wird außerdem dem Verfahren wieder zugeführt und dient als Startwert für eine erneute Berechnung der Abgasrückführ-Klappenstellung gemäß der beschriebenen Vorgehensweise. Auf diese Weise wird die Abgasrückführ-Klappenstellung schrittweise angepasst, bis der aus dem Kennfeld insbesondere in Abhängigkeit der Abgasrückführ-Klappenstellung ausgelesene Wert des Druckverlustkoeffizienten schließlich möglichst genau dem Wert entspricht, der sich gemäß dem funktionalen Zusammenhang nach Gleichung (1) auf der Grundlage der Sollvorgabe für die rückgeführte Abgasmasse mAGR ergibt.
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Diese Steuerung kann sehr schnell erfolgen. Es ist aber offensichtlich, dass sie wesentlich auf den Werten beruht, die für den Druckverlustkoeffizient ξ beziehungsweise für den Korrekturwert ξKorr in den entsprechenden Kennfeldern hinterlegt sind.
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Daher wird im Rahmen der Regelung ein Lernalgorithmus auf diese Größen angewendet, der seine Informationen unabhängig von dem Druckverlustkoeffizient ξ bezieht, nämlich aus einer Berechnung der rückgeführten Abgasmasse mAGR gemäß Gleichung (3).
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Dabei wird im Rahmen der Regelung folgendermaßen vorgegangen: Zunächst wird gemäß Gleichung (1) ausgehend von den gemessenen Werten und dem aus dem zugeordneten Kennfeld oder den zugeordneten Kennfeldern ausgelesenen Druckverlustkoeffizienten ξ eine erste Abgasmasse berechnet. Zugleich wird gemäß Gleichung (3) eine zweite Abgasmasse auf der Grundlage der dort eingehenden Messwerte, insbesondere der Schluckmasse mS und dem durch die Lambdasonde ermittelten Verhältnis λ, berechnet. Die erste Abgasmasse und die zweite Abgasmasse werden einem Regler zugeführt, der den Druckverlustkoeffizient ξ beziehungsweise vorzugsweise den Korrekturwert ξKorr derart anpasst, dass sich die erste Abgasmasse und die zweite Abgasmasse angleichen. Dabei wird insbesondere die erste Abgasmasse quasi als Istwert auf die zweite Abgasmasse als Sollwert geregelt, indem der Druckverlustkoeffizient ξ beziehungsweise der Korrekturwert ξKorr entsprechend angepasst wird.
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Der Regler ist vorzugsweise als Integralregler, als Proportional/Integral (PI)-Regler oder als Proportional-Integral-Differential (PID)-Regler ausgebildet.
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Auf diese Weise wird der erste funktionale Zusammenhang fortwährend – jedenfalls in stationären Lastpunkten der Brennkraftmaschine – mithilfe der sehr genauen Berechnung der rückgeführten Abgasmasse gemäß Gleichung (3) angepasst, wodurch insbesondere Langzeitdrifts der Abgasrückführ-Strecke einschließlich eines Abgasrückführkühlers erfassbar sind. Dabei wird entweder das Kennfeld für den Druckverlustkoeffizienten ξ oder bevorzug das Kennfeld für die Korrekturwerte ξKorr in stationären Lastpunkten der Brennkraftmaschine fortwährend neu bedatet. Liegt kein stationärer Lastpunkt der Brennkraftmaschine vor, wird die Korrektur beziehungsweise Regelung vorzugsweise ausgesetzt, wobei die in dem entsprechenden Kennfeld hinterlegten Werte des Druckverlustkoeffizienten ξ oder des Korrekturfaktors ξKorr konstant gehalten werden, bis wiederum ein stationärer Lastpunkt vorliegt und eine sinnvolle Korrektur beziehungsweise Regelung möglich ist.
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Die Steuerung erfolgt auf die zuvor beschriebene Weise dabei stets auf der Grundlage der aktuellen Werte für den Druckverlustkoeffizient ξ.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Einstellung einer Abgasrückführung in einer Brennkraftmaschine, in welcher ein empfindliches Brennverfahren, beispielsweise ein HCCI-Brennverfahren oder ein PCCI-Brennverfahren (premixed charge compression ignition) verwirklicht wird. Gerade hierbei ist nämlich aufgrund der sehr komplizierten Steuerung der Verbrennung eine sowohl schnelle als auch präzise Regelung der Abgasrückführung nötig. Besonders eignet sich das Verfahren auch für eine Brennkraftmaschine, die mit verschiedenen Brennstoffen, beispielsweise Benzin und Diesel, insbesondere in einem sogenannten Dual-Fuel-Betrieb betreibbar ist.
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Dabei ist es möglich, dass das Verfahren in einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird, die dem Antrieb eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs dient, wobei insbesondere schwere Landmaschinen, Fahrzeuge im Tagebau, zur Verteidigung dienende Fahrzeuge wie beispielsweise Panzer, oder Züge infrage kommen. So kann die Brennkraftmaschine beispielsweise in einem Triebwagen oder einer Lokomotive eingesetzt werden. Auch ein Einsatz in einem Flugzeug oder Schiff ist möglich. Weiterhin ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine für stationäre Anwendungen, beispielsweise zum Antreiben eines Generators für einen Notstrombetrieb, einen Dauerlastbetrieb oder einen Spitzenlastbetrieb vorgesehen ist. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine mit Gas betrieben wird, ist es möglich, sie in einem Blockheizkraftwerk einzusetzen. Weiterhin ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine in einer stationären Umgebung zum Antrieb von Hilfs- und/oder Nebenaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf einer Bohrinsel, eingesetzt wird.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Das Steuergerät zeichnet sich dadurch aus, dass es eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei ist es möglich, dass das entsprechende Verfahren fest in eine Hardware-Struktur des Steuergeräts implementiert ist. Alternativ ist vorgesehen, dass ein Computerprogramm in das Steuergerät geladen ist, welches Anweisungen umfasst, aufgrund derer ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät abläuft. Dabei verwirklichen sich die Vorteile, die in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Blockschaltbilds.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens in einem Blockschaltbild. Das Verfahren dient der Einstellung einer Abgasrückführgröße, insbesondere einer Abgasrückführrate einer Brennkraftmaschine 1, wobei es vorzugsweise durch ein Steuergerät 3 ausgeführt wird, welches von der Brennkraftmaschine 1 umfasst ist. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um das Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1, welches diese auch bezüglich ihrer übrigen Funktionen steuert oder regelt. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst eine in der Figur schematisch angedeutete Abgasrückführ-Strecke 5, deren Strömungswiderstand mithilfe einer hier ebenfalls schematisch angedeuteten Abgasrückführklappe 7 einstellbar ist, wodurch die rückgeführte Abgasmasse oder die Abgasrückführrate einstellbar ist.
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Schematisch ist ein erster funktionaler Zusammenhang 9 dargestellt, der auf Gleichung (1) basiert und dem als Eingangsgrößen eine erste Auswahl 11 von Größen zugeführt wird, wobei die erste Auswahl 11 bevorzugt den Ladeluftdruck pL, den Abgasdruck pA und die Abgastemperatur TA umfasst. Dabei wird der Ladeluftdruck pL vorzugsweise stromabwärts eines Ladeluftverdichters gemessen. Der Abgasdruck pA und die Abgastemperatur TA werden vorzugsweise stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers gemessen. Als feste Parameter gehen in den ersten funktionalen Zusammenhang 9 auch die Querschnittsfläche A und die Gaskonstante RL ein.
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Zur Berechnung einer ersten Abgasmasse 13 – vorzugsweise nach Gleichung (1) – geht in den ersten funktionalen Zusammenhang 9 weiterhin ein Druckverlustkoeffizient 15 ein, der bestimmt wird, indem einem Kennfeld 17 in Abhängigkeit des Ladeluftdrucks und des Abgasdrucks, vorzugsweise in Abhängigkeit einer Funktion 19 dieser Größen, insbesondere in Abhängigkeit des Betrags der Differenz zwischen dem Abgasdruck und dem Ladeluftdruck, und in Abhängigkeit einer Stellung 21 der Abgasrückführklappe 7 ein Basiswert 23 für den Druckverlustkoeffizient ausgelesen wird. Dieser Basiswert 23 wird in einem Verrechnungselement 25 mit einem Korrekturwert 27 verrechnet. Dabei ist das Verrechnungselement 25 vorzugsweise als Additionsglied oder als Multiplikationsglied ausgebildet, wobei der Korrekturwert 27 vorzugsweise entweder als Summand oder als Multiplikator festgelegt ist. Durch Verrechnung des Basiswerts 23 mit dem Korrekturwert 27 in dem Verrechnungselement 25 wird der letztlich in den ersten funktionalen Zusammenhang 9 eingehende Druckverlustkoeffizient 15 berechnet.
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Ebenfalls auf Grundlage des ersten funktionalen Zusammenhangs 9 wird eine erste Funktion 29 des Druckverlustkoeffizient 15 – vorzugsweise als (Aξ)2 aus der entsprechend aufgelösten Gleichung (1) – berechnet. Diese geht in ein Bestimmungselement 31 ein, mit dem letztlich die Stellung 21 der Abgasrückführklappe 7 bestimmt wird. Hierzu gehen weitere Größen in das Bestimmungselement 31 ein, insbesondere eine Sollvorgabe 33 für die Abgasrückführgröße, hier bevorzugt für die Abgasrückführrate. Abhängig davon, ob die Abgasrate oder die Abgasmasse der Steuerung zugrunde gelegt wird, geht in das Bestimmungselement 31 zusätzlich noch die Schluckmasse mS der Brennkraftmaschine 1 ein. Weiterhin geht vorzugsweise auch die momentane Stellung 21 der Abgasrückführklappe 7 in die Bestimmung ein, wobei hieraus eine Vielzahl zweiter Funktionen berechnet wird, die mit der ersten Funktion 29 verglichen werden, wobei durch Minimierung ein neuer Wert für die Stellung 21 der Abgasrückführklappe 7 aufgefunden wird.
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Der Korrekturwert 27 wird durch einen Regler 35 berechnet. Hierzu wird gemäß einem schematisch dargestellten, zweiten funktionalen Zusammenhang 37, vorzugsweise gemäß Gleichung (3), eine zweite Abgasmasse 39 berechnet. Hierzu geht in den zweiten funktionalen Zusammenhang 37 eine zweite Auswahl 41 von an der Brennkraftmaschine 1 gemessenen Größen ein. Die zweite Auswahl 41 umfasst dabei bevorzugt insbesondere den Messwert λ einer Lambdasonde sowie die Schluckmasse mS der Brennkraftmaschine 1 oder entsprechende Messgrößen, aus denen die Schluckmasse mS berechenbar ist. Weiterhin wird dem zweiten funktionalen Zusammenhang 37 vorzugsweise die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Brennstoffmasse mB und bevorzugt auch ein stöchiometrisches Verhältnis LSt einer Frischluftmasse zu der Brennstoffmasse mB zugeführt.
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Die erste Abgasmasse 13 und die zweite Abgasmasse 39 werden in einem Vergleichelement 43 verglichen, wobei ein Vergleichsergebnis 45 dem Regler 35 zugeführt wird. Dieser berechnet auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses 45 den Korrekturwert 27, wobei dieser bevorzugt abhängig von der Funktion 19 und der Stellung 21 der Abgasrückführklappe 7 in einem Korrekturkennfeld 47 hinterlegt wird. Dabei wird das Korrekturkennfeld 47 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zumindest in stationären Lastpunkten fortwährend neu bedatet, sodass stets aktuell angepasste Korrekturwerte 27 für die Steuerung über den ersten funktionalen Zusammenhang 9 zur Verfügung stehen. Somit ist es insbesondere möglich, eine Langzeitdrift der Abgasrückführ-Strecke 5, beispielsweise durch Verschmutzung, mithilfe des Reglers 35 zu kompensieren.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Verfahrens möglich ist, eine schnelle und präzise Einstellung einer Abgasrückführgröße, insbesondere einer Abgasrückführrate einer Brennkraftmaschine 1 durchzuführen, wobei zugleich auf einfache Weise Langzeitdrifts einer Abgasrückführ-Strecke 5 kompensierbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007007945 A1 [0003]
