DE102017100022A1 - Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Gasbeladung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine mit äußerem Abgasrückführungssystem - Google Patents

Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Gasbeladung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine mit äußerem Abgasrückführungssystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Gasbeladung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer dieselmotorischen Verbrennungskraftmaschine, mit äußerem Abgasrückführungssystem. Bei diesem Verfahren wird ein Zylindergasbeladungsmodell bereitgestellt, mittels dessen anhand unter anderem des Luftaufwands die in einen Zylinder (16) eingebrachte Gasmasse und damit der Füllungsgrad ermittelt wird. Mittels eines in dem äußeren Abgasrückführungssystem angeordneten Sensors (24) wird die Pulsation des rückgeführten Abgasstroms erfasst und daraus eine Pulsationskennzahl ermittelt, die den Grad der Pulsation des in einen Zylinder (16) einströmenden Gasstroms repräsentiert. Der Parameter des Luftaufwands wird um anhand der ermittelten Pulsationskennzahl korrigiert und die Gasbeladung des Zylinders (16) anhand des Zylindergasbeladungsmodells mit dem korrigierten Parameter des Luftaufwands ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Gasbeladung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine mit einem System zur äußeren Abgasrückführung (äußeres Abgasrückführungssystem), wobei es sich bei der Verbrennungskraftmaschine insbesondere um eine dieselmotorische Verbrennungskraftmaschine handelt.
  • Zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs sowie der damit verbundenen Reduktion von Emissionen bei Verbrennungskraftmaschinen ist die Kenntnis der in den Zylinder eingebrachten Luftmasse von Bedeutung. Die Luftmasse kann mittels eines im Einlasstrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Luftmassensensors erfasst werden. Mitunter ist der Einbau eines Sensors jedoch unerwünscht, da dies einen erhöhten herstellungs- und montagetechnischen Aufwand bedeutet. Außerdem würde der Ausfall des Sensors bedeuten, dass die Verbrennungskraftmaschine nicht mehr ordnungsgemäß betrieben werden könnte.
  • Insoweit von Vorteil ist es daher, die Gasbeladung eines Zylinders mit Hilfe von Motorfüllungsmodellen zu berechnen. Hierbei wird der Luftmassenstrom über das Zylinderfüllungsmodell anhand unterschiedlicher Betriebsparameter und geometrischer Kenngrößen der Verbrennungskraftmaschine rechnerisch ermittelt.
  • Dabei gilt es zu beachten, dass der Luftmassenstrom im Einlasstrakt der Verbrennungskraftmaschine aufgrund der sich öffnenden und schließenden Einlassventile, was über sämtliche Zylinder der Verbrennungskraftmaschine betrachtet zeitlich versetzt erfolgt, pulsiert. Diese Pulsation ist aber letztendlich vergleichsweise gering, so dass das Zylinderfüllungsmodell zuverlässige Werte für die Gasbeladung eines Zylinders liefert.
  • Insbesondere bei Dieselmotoren ist es von Vorteil, Abgasrückführungssysteme (AGR-Systeme) einzusetzen. Dabei wird mitunter zwischen einer inneren AGR und einer äußeren AGR unterschieden. Auch können beide Systeme parallel eingesetzt werden.
  • Die Pulsation des Gasstroms im Auslasstrakt einer Verbrennungskraftmaschine ist wesentlich stärker als die bereits oben angesprochene Pulsation des Luftstroms im Einlasstrakt. Wird nun wie beispielsweise bei Dieselmotoren ein (äußeres) AGR-System eingesetzt, so übertragen sich die vergleichsweise starken Pulsationen im Auslasstrakt der Verbrennungskraftmaschine auf deren Einlasstrakt, wo sie zu einer ebenfalls vergleichsweise stark pulsierenden, in den Zylinder eintretenden Gasbeladungsströmung führen. Das verwendete Motorfüllungsmodell kann möglicherweise nun nicht mehr genau genug sein, was nachteilig ist.
  • Wie bereits oben dargelegt, ist die Genauigkeit der Regelung einer Verbrennungskraftmaschine, wie beispielsweise die Regelung der AGR- oder Einspritzrate neben Drehzahl und Lastanforderung auch abhängig von der Genauigkeit weiterer gemessener und ermittelter Eingangsgrößen wie Drücke, Temperaturen, Massenströme von Luft, AGR, Kraftstoff, Lambda-Werten etc. abhängig. Aufgrund von Schaltvorgängen der Ventile, insbesondere der Einlassventile und des AGR-Ventils, entstehen im Luft- und AGR-Pfad einer Verbrennungskraftmaschine Pulsationen. Die Genauigkeit der gemessenen Massenströme wird durch diese Pulsationen erheblich beeinträchtigt. Es ergeben sich systematische und zufällige Abweichungen vom relevanten Wert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Korrektur der Pulsationseinflüsse einen signifikanten Beitrag zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Massenströme leisten kann.
  • Im Zusammenhang mit dem Stand der Technik zu Zylinderfüllungsmodellen sei beispielsweise auf DE 10 2005 007 057 B4 und WO 2015/107198 A1 verwiesen. Sensoren zur messtechnischen Ermittlung des Gesamtmassenstroms bei der Abgasrückführung sind beispielsweise in DE 10 2006 058 425 A1 und DE 10 2010 033 175 B3 beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Korrekturmodell für ein Motorfüllungsmodell einer Verbrennungskraftmaschine mit äußerer AGR anzugeben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Gasbeladung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer dieselmotorischen Verbrennungskraftmaschine, mit äußerem Abgasrückführungssystem angegeben, wobei bei dem Verfahren
    • – ein Zylindergasbeladungsmodell bereitgestellt wird, mittels dessen anhand unter anderem des Luftaufwands die in einen Zylinder eingebrachte Gasmasse und damit der Füllungsgrad ermittelt wird,
    • – mittels eines in dem äußeren Abgasrückführungssystem angeordneten Sensors die Pulsation des rückgeführten Abgasstroms erfasst und daraus eine Pulsationskennzahl ermittelt wird, die den Grad der Pulsation des in einen Zylinder einströmenden Gasstroms repräsentiert,
    • – der Parameter des Luftaufwands anhand der ermittelten Pulsationskennzahl korrigiert wird und
    • – die Gasbeladung des Zylinders anhand des Zylindergasbeladungsmodells mit dem korrigierten Parameter des Luftaufwands ermittelt wird.
  • Mit der Erfindung wird also sinngemäß vorgeschlagen, anhand der Pulsation des Abgasstroms im AGR-Pfad auf eine die Pulsationsintensität repräsentierende Pulsationskennzahl zu schließen, die repräsentativ für den Pulsationsgrad im Einlasstrakt der Verbrennungskraftmaschine ist, wenn die Verbrennungskraftmaschine im AGR-Betriebsmodus betrieben wird. Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck in dem System für die äußere AGR ein Sensor eingesetzt, der die Pulsation des rückgeführten Abgasstroms erfasst und aus dieser Pulsation die Pulsationskennzahl ermittelt. Die Ermittlung der Pulsationskennzahl kann Teil des Sensors oder aber auch Teil der Motorsteuerung sein.
  • Mit Hilfe der Pulsationskennzahl kann nun der Füllungsgrad, der sich aus dem Zylindergasbeladungsmodell ergibt, korrigiert werden. Hierbei wird insbesondere die Berechnung des Luftmassenstroms über das Füllungsmodell korrigiert, indem der Luftaufwand (mitunter auch mit volumetrischer Effizienz bezeichnet), d. h. der Füllungsgrad um die Pulsationskennzahl korrigiert wird. Der Füllungsgrad wird also in Abhängigkeit unter anderem der Pulsationskennzahl ermittelt.
  • Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass die Ermittlung der Pulsation des Abgasstroms genutzt werden kann, um den sich aus einem Zylindergasbeladungsmodell ergebenden Füllungsgrad des Zylinders zu korrigieren, womit die Berechnung des Füllungsgrads nun genauer erfolgt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Pulsationskennzahl aus der Welligkeit des Zeitverlaufs der Geschwindigkeit ermittelt wird, mit der das Gas in dem äußeren Abgasrückführungssystem wechselweise vor- und zurückströmt.
  • Besonders zweckmäßig ist es, neben der Pulsation des Abgasstroms auch noch das AGR-Spülgefälle, also das Druckgefälle im System der äußeren AGR zu berücksichtigen, um den vom Zylindergasbeladungsmodell gelieferten Füllungsgrad des Zylinders zu korrigieren.
  • Der erfindungsgemäße Gedanke ist also die Erweiterung des Luftmassenmodells (Motorfüllungsmodell) durch Korrektur der volumetrischen Effizienz (des Luftaufwands) mittels eines Indikators für die Pulsationsintensität in dem AGR-Pfad. Hierfür wird erfindungsgemäß in dem AGR-Pfad ein Sensor verbaut, der ein die Pulsationsintensität repräsentierendes Messsignal bereitstellt. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in DE 10 2006 058 425 A1 und DE 10 2010 033 175 B3 beschrieben. Darüber hinaus kann die Korrekturfunktion durch Berücksichtigung des Spül- bzw. Druckgefälles in dem AGR-Pfad verbessert werden. Damit wird eine Online-Korrektur des ermittelten Füllungsgrads über die Pulsationsintensität in dem AGR-Pfad möglich, was wiederum zu einer höheren Genauigkeit in der Modellierung des Füllungsgrads und damit in der Modellierung des Gesamtmassenstroms durch den Motor bzw. nach Abzug des AGR-Massenstroms von diesem gleichfalls des Motorfrischluftmassenstroms führt. Überdies kann die Genauigkeit weiterer Modelle, wie sie bei der Motorsteuerung eingesetzt werden und die vom Frischluftmassenstrom abhängig sind, ebenfalls gesteigert werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Emissionsmodelle und Luftpfadregelungen in der Motorsteuerung sowie Regelungen für SCR-Dosiersysteme.
  • Die wesentlichen Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
    • – Online-Korrektur des ermittelten Füllungsgrads im Motorsteuergerät in Abhängigkeit von der Pulsationsintensität,
    • – neue Korrekturgröße für die volumetrische Effizienz (den Luftaufwand) in Form der Pulsationsintensität in dem AGR-Pfad, was sich optional mit der Berücksichtigung des AGR-Drucks- bzw. Spülgefälles kombinieren lässt,
    • – die erfindungsgemäße Korrektur ist auch für Motorfüllungsmodelle nach dem Stand der Technik geeignet, da sie eine höhere Modellgenauigkeit ermöglicht und die Robustheit der Modelle bezüglich des Emissionsverhaltens bzw. des Einhaltens von Emissionsgrenzwerten steigert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
  • 1 schematisch eine Zylinderbank einer dieselmotorischen Verbrennungskraftmaschine mit äußerer AGR und mit Angabe der Gesamtmassenstromgleichungen sowie mit Angabe der Abkürzungen der in den Gleichungen verwendeten Variablen und Konstanten,
  • 2 eine zeichnerische Blockschaltbild-Darstellung zur Verdeutlichung der Korrektur des von einem Zylinderfüllungsmodell gelieferten Füllungsgrads um die Pulsationskennzahl,
  • 3 eine schematische Blockschaltbild-Darstellung für die Korrektur des von einem Zylinderfüllungsmodell gelieferten Füllungsgrads um sowohl die Pulsationskennzahl als auch zusätzlich um das Druckgefälle (Spülgefälle) des AGR-Systems,
  • 4 bis 6 Diagramme, die zeigen, dass die Korrektur der Pulsationseinflüsse einen merklichen Beitrag zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Gesamtmassenströme leistet und
  • 7 eine graphische Darstellung der oszillierenden Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im AGR-Pfad zur beispielhaften Verdeutlichung der Pulsationskennzahl als Welligkeit dieser oszillierenden Strömungsgeschwindigkeit.
  • Wird zur Ermittlung des Füllungsgrads eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine ein Zylinderfüllungsmodell eingesetzt, so erfolgt über dieses Modell in erster Linie eine Berechnung des in den Zylinder eingeleiteten Luftmassenstroms m .M gemäß folgender Formel: m .M = n·VH·i·λV·pL
  • Hierbei sind:
    • VH
    = Motorhubvolumen (konstant)
    i
    = Arbeitsspiele pro Umdrehung der Kurbelwelle (konstant)
    n
    = Motordrehzahl (variabel)
    pL
    = Saugrohrdruck (variabel; für die Berechnung der Dichte des angesaugten Gemisches aus Frischluft und AGR-Gas)
    TL
    = Saugrohrtemperatur (variabel, für die Berechnung der Dichte des angesaugten Gemisches aus Frischluft und AGR-Gas und zusätzlich als Korrekturgröße für den Luftaufwand λV (auch volumetrische Effizienz) wegen der veränderten Viskosität der variablen Temperatur)
    λV
    = Luftaufwand (auch volumetrische Effizienz genannt) (variabel mit f(n, M, TL), mit M = Motormoment oder lastäquivalente Größe wie z. B. Einspritzmenge).
  • Problematisch hinsichtlich der bei aktivierter AGR im Einlasstrakt erfolgender Pulsation ist die Berechnung des Luftaufwands λV, den man auch mit Füllungsgrad bezeichnen kann. Erfindungsgemäß erfolgt nun die Berechnung von λV auch in Abhängigkeit des Pulsationskennwerts gemäß folgender Formel: λV = f(n, M, TL, Ip), mit Ip als Pulsationskennwert.
  • Mit dem Pulsationskennwert kann also der Luftaufwand und damit der Gesamtmassenstrom m .M erfindungsgemäß korrigiert werden.
  • In 1 ist schematisch eine dieselmotorische Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Ansaugseite bzw. einem Einlasstrakt 12 und einer Abgasseite mit einem Auslasstrakt 14 gezeigt. Über den Einlasstrakt 12 wird den Zylindern 16 der Verbrennungskraftmaschine ein Frischluftmassenstrom m .L zugeführt, während über den Auslasstrakt 14 Abgase aus den Zylindern 16 abgeführt werden. Gezeigt ist ferner ein System 18 einer äußeren AGR, das einen AGR-Pfad 20 mit AGR-Ventil 22 aufweist, wobei der AGR-Pfad 20 den Auslasstrakt 14 mit dem Einlasstrakt 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 verbindet. Im AGR-Pfad 20 befindet sich ein Sensor 24. Das Messsignal dieses Sensors 24 wird einer Motorsteuerung 26 zugeführt, die von mehreren anderen Sensoren ebenfalls Messsignale erhält, wie beispielsweise die Drehzahl n, die Temperatur und den Saugrohrdruck der Luft im Einlasstrakt 12.
  • In den 2 und 3 ist schematisch gezeigt, wie der berechnete Luftaufwand um die Pulsationskennzahl Ip korrigiert wird (siehe 2) bzw. wie zusätzlich zu dieser Korrektur auch noch das Spül- bzw. Druckgefälle ΔpAGR hinzukommt, um den somit korrigierten Luftaufwand λV,kor zu erhalten.
  • Anhand der 4, 5 und 6 wird deutlich, dass die Pulsation im AGR-Pfad 20 eine signifikante Auswirkung auf den Gesamtmassenstrom hat, der in den Zylinder gelangt. Dabei setzt sich der Gesamtmassenstrom aus dem Frischluftmassenstorm und dem rückgeführten AGR-Gasstrom zusammen. 4 zeigt die Messung ohne Korrektur und 5 die Messung mit Korrektur. 6 zeigt die mögliche Abweichung im Betrieb mit AGR wegen des Pulsationseinflusses bei offenem AGR-Ventil. Eine Korrektur über den Ip-Messwert ist online möglich.
  • Was den Sensor 24 betrifft, so handelt es sich bei diesem um einen Massenstromsensor, der die pulsierenden, jeweils wechselweise in entgegengesetzten Richtungen strömende Luftmasse im AGR-Pfad 20 sensiert bzw. die Geschwindigkeiten dieser entgegengesetzten Strömungen sensiert. Die Pulsationskennzahl kann dann im einfachsten Ansatz als Welligkeit W der oszillierenden Strömungsgeschwindigkeit aufgefasst werden, und zwar gemäß folgender Formeln:
    Figure DE102017100022A1_0002
  • Dabei bedeutet w die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem AGR-Pfad 20 und wOSC,max die maximale oszillierende Strömungsgeschwindigkeit (siehe auch 7).
  • Denkbar ist es aber auch, dass die Pulsationskennzahl anhand statistischer Methoden bzw. anhand von Frequenz- oder Frequenzspektrumsanalysen basierend auf der oszillierenden Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird, was allerdings einen deutlich größeren Rechenaufwand erfordert als die Berechnung der Pulsationskennzahl als Welligkeit W der oszillierenden Strömungsgeschwindigkeit.
  • Vorteilhafterweise wird für den erfindungsgemäßen Ansatz ein Sensor eingesetzt, der den Pulsationsgrad bzw. die Pulsationsintensität im AGR-Pfad 20 misst bzw. ermittelt. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in DE 10 2006 058 425 A1 und DE 10 2010 033 175 B3 beschrieben. Es ist aber ebenso auch möglich, die Pulsationsintensität anhand der Druckschwankungen im AGR-Pfad 20 zu ermitteln. Hierzu wird dann ein Drucksensor eingesetzt.
  • Entscheidend für die Erfindung ist, dass die Auswirkungen der Pulsation im AGR-Pfad 20 auf eine Pulsation im Einlasstrakt 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 berücksichtigt werden, um den mit dem Zylinderfüllungsmodell ermittelten Füllungsgrad λV zu korrigieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungskraftmaschine
    12
    Einlasstrakt
    14
    Auslasstrakt
    16
    Zylinder
    18
    System der äußeren AGR
    20
    AGR-Pfad
    22
    AGR-Ventil
    24
    Sensor
    26
    Motorsteuerung
    • m .L = m .M – m .AGR
    • m .M = n·VH·i·λν·ρL
  • Stand der Technik:
    • λν = f(n, M, TL)
  • Neuheit:
    • λν = f(n, M, TL, IP)
  • Legende:
      • m .L = Frischluftmassenstrom
      • m .AGR = AGR-Massenstrom
      • m .M = Massenstrom durch den Motor
      • n = Motordrehzahl
      • VH = Gesamthubvolumen des Motors
      • i = Arbeitspiele pro Umdrehung
      • λv = Luftaufwand (vol. Effizienz)
      • ρL = Dichte der Ansaugluft
      • TL = Temperatur der Ansaugluft
      • IP = Intensität der Pulsation in der AGR-Strecke
  • 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 102005007057 B4 [0008]
    • WO 2015/107198 A1 [0008]
    • DE 102006058425 A1 [0008, 0016, 0034]
    • DE 102010033175 B3 [0008, 0016, 0034]

Claims (3)

  1. Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Gasbeladung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer dieselmotorischen Verbrennungskraftmaschine, mit äußerem Abgasrückführungssystem, wobei bei dem Verfahren – ein Zylindergasbeladungsmodell bereitgestellt wird, mittels dessen anhand unter anderem des Luftaufwands die in einen Zylinder (16) eingebrachte Gasmasse und damit der Füllungsgrad ermittelt wird, – mittels eines in dem äußeren Abgasrückführungssystem angeordneten Sensors (24) die Pulsation des rückgeführten Abgasstroms erfasst und daraus eine Pulsationskennzahl ermittelt wird, die den Grad der Pulsation des in einen Zylinder (16) einströmenden Gasstroms repräsentiert, – der Parameter des Luftaufwands anhand der ermittelten Pulsationskennzahl korrigiert wird und – die Gasbeladung des Zylinders (16) anhand des Zylindergasbeladungsmodells mit dem korrigierten Parameter des Luftaufwands ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationskennzahl aus der Welligkeit des Zeitverlaufs der Geschwindigkeit ermittelt wird, mit der das Gas in dem äußeren Abgasrückführungssystem wechselweise vor- und zurückströmt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter für den Luftaufwand zusätzlich auch anhand des Druckgefälles in dem äußeren Abgasrückführungssystem korrigiert wird.
DE102017100022.4A 2016-01-07 2017-01-02 Verfahren zur modellbasierten Bestimmung der Gasbeladung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine mit äußerem Abgasrückführungssystem Withdrawn DE102017100022A1 (de)

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