DE102017210233A1

DE102017210233A1 - Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck-Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102017210233A1
Application number: DE102017210233.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bleile; Slobodanka Lux; Lars Hagen; Martin Hoerner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine (2) mit einer Hochdruck-Abgasrückführung, wobei zwischen einer Drosselklappe (5) und einem Motoreinlassventil (22), die mindestens eine Luftsystemgröße unter Berücksichtigung einer dynamischen Änderung einer Masse und/oder Enthalpie im Einlasskrümmer, berechnet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine mit Hochdruck-Abgasrückführung aus.
Die präzise Bestimmung des Ladedrucks und des Luftmassenstroms im Saugrohr einer Brennkraftmaschine an der Position im Luftsystem vor einer Regelklappe ist für die Einhaltung von Abgasrichtlinien von zentraler Bedeutung.
In der Regel verwendet eine Motorsteuerung zur Steuerung des Verbrennungsmotors diese Größen, um einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten unter Berücksichtigung der geltenden Abgasnormen.
Die DE102008043965 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Luftsystemgröße in einem Luftzuführungssystem eines Verbrennungsmotors in aufeinander folgenden, diskreten Berechnungsschritten, wobei eine Differenzialgleichung bezüglich der Luftsystemgröße, basierend auf Mess- und/oder Modellgrößen, die Zustände im Luftzuführungssystem beschreiben, bereitgestellt wird, wobei eine Differenzialgleichung zur Diskretisierung der Differenzialgleichung gemäß einem impliziten Verfahren gebildet wird und wobei die Differenzialgleichung in jedem diskreten Berechnungsschritt gelöst wird, um die Luftsystemgröße zu erhalten.
Offenbarung der Erfindung
In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung vorgeschlagen, wobei zwischen einer Drosselklappe und einem Motoreinlassventil die mindestens eine Luftsystemgröße unter Berücksichtigung einer dynamischen Änderung einer Masse und/oder Enthalpie im Einlasskrümmer ermittelt wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch die Berücksichtigung der dynamischen Änderung der Masse, eine präzisere Berechnung für z. B. den berechneten Abgasrückführungsmassenstrom und/oder die Saugrohrtemperatur und/oder den Frischluftmassenstrom am Motoreinlassventil, erzielt werden kann.
Es ist von Vorteil, wenn die mindestens einer Luftsystemgröße, insbesondere ein Hochdruck-Abgasrückführungsmassenstrom über die Hochdruck-Abgasrückführung und/oder eine Abgasrückführungsrate und/oder eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Frischluftmasse und/oder eine Mischtemperatur am Motoreinlassventil ist. Somit lässt sich durch die Berücksichtigung der dynamischen Änderung der Masse, eine präzisere Berechnung für z. B. den Hochdruck-Abgasrückführungsmassenstrom und/oder die Sauerstoffkonzentration über die Hochdruck-Abgasrückführung und/oder eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Frischluftmasse und/oder eine Mischtemperatur am Motoreinlassventil, erzielt werden kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn in Abhängigkeit der mindestens einen Luftsystemgröße eine Komponente der Brennkraftmaschine angesteuert wird, wobei die Komponente insbesondere ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil und/oder eine Drosselklappe ist. Durch diese präzisere Ansteuerung des Abgasrückführventils und/oder der Drosselklappe können Emissionen vermieden und Emissionsgesetzgebungen eingehalten werden.
Weiterhin kann die Berechnung der mindestens einen Luftsystemgröße mittels einer Massen- und Enthalpiebilanz durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die dynamischen Änderungen der Masse, hervorgerufen durch z.B. schnelle Bewegungen der Drosselklappe, präziser in der Berechnung berücksichtigt werden können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Berechnung des Hochdruck-Abgasrückführungsmassenstroms unabhängig von der Mischtemperatur am Motoreinlassventil ist, so dass die Berechnung schneller und mit weniger Ressourcen berechnet werden kann.
In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Figurenliste
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung, insbesondere mit einer Hochdruck-Abgasrückführung,
2 ein Ausführungsbeispiel mittels eines Funktionsblocks zur Erläuterung des Verfahrens zur Bestimmung der mindestens einen Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung, insbesondere mit einer Hochdruck-Abgasrückführung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung des Motorsystems 1 mit einer Brennkraftmaschine 2, der Luft über ein Luftführungssystem 60 zugeführt wird und von der Abgas über eine Abgasabführung 70 abgeführt wird.
In dem Luftzuführungssystem 60 ist in Strömungsrichtung der Luft 51 gesehen folgendes angeordnet: Ein erster Sensor 80, ein Verdichter 81 eines Abgasturboladers 6, ein Ladeluftkühler 7, ein zweiter Sensor 9, eine Drosselklappe 5, ein dritter Sensor 17, ein Motoreinlassventil 22 und eine Brennkraftmaschine 2.
Der erste Sensor 80 kann einen Luftmassenstrom mf₁₀ bestimmen und der zweite Sensor 9 kann einen Luftmassenstrom mf₂₁ , einen Druck p₂₁ und eine Temperatur T₂₁ zwischen dem Verdichter 81 und der Drosselklappe 5, insbesondere am Ort vor der Drosselklappe 5, bestimmen. Vorzugsweise lässt sich eine Abgasrückführungsrate r_EGR,21 und eine Sauerstoffkonzentration r_O2,21 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zur Gesamtluft) mittels des zweiten Sensors oder durch ein Modell ermitteln. Der dritte Sensor 17 kann einen Luftmassenstrom mf₂₂ , einen Druck p₂₂ , eine Abgasrückführungsrate r_EGRHP,22 , eine Sauerstoffkonzentration r_O2,22 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zur Gesamtluft) und eine Mischtemperatur T₂₂ zwischen der Drosselklappe 5 und dem Motoreinlassventil 22, insbesondere am Ort des Motoreinlassventil 22, bestimmen.
Die beschriebenen Größen können z. B. aus Sensorwerten oder aus Sensorwerten abgeleiteten Größen bestimmt werden oder als Modellwerte vorliegen. Weiterhin kann für die beschriebenen Größen auch jeweils ein einzelner Sensor verbaut sein. Ein Steuergerät 100 ist dabei vorgesehen, die genannten Messgrößen zu empfangen, abzuspeichern und diese z.B. in Form von Modellen weiter zu verarbeiten.
In der Abgasabführung 70 ist, ausgehend von der Brennkraftmaschine 2 in Strömungsrichtung des Abgases 52, folgendes angeordnet: eine Abgasturbine 82, ein Abgasnachbehandlungssystem 83. Das Abgasnachbehandlungssystem 83 kann dabei z. B. verschiedene Abgasreinigungssysteme umfassen, wie z. B. einen Dieselpartikelfilter, einen Stickoxidkatalysator und ein selektives katalytisches System mit einem SCR-Katalysator.
Stromaufwärts der Abgasturbine 82, d.h. auf einer Hochdruckseite der Abgasanlage 70, zweigt von der Abgasanlage 70 eine Hochdruck-Abgasrückführungs-Leitung 46 (HD-AGR-Leitung) ab, die stromaufwärts der Brennkraftmaschine 2 und die stromabwärts der Drosselklappe 5 in die Frischluftanlage 60 mündet, diese Mündung wird auch als eine Hochdruck-Mischstelle HD_Misch bezeichnet. Stromabwärts der Brennkraftmaschine 2 befinden sich entlang der HD-AGR-Leitung ein HD-AGR-Kühler 43 mit HD-AGR-Bypass 44, ein HD-AGR-Ventil 45 und ein Temperatursensor, der eine Temperatur T_EGRHP ermittelt. Weiterhin kann mittels eines Sensors oder eines Modells ein Hochdruck-Abgasrückführungsmassenstrom mf_EGRHP und eine Sauerstoffkonzentration r_O2,EGRHP (Verhältnis von Sauerstoffmasse zur Gesamtluft) über die Hochdruck-Abgasrückführung ermittelt werden. Die Rückführung von Abgas dient der Verringerung der Emission der Brennkraftmaschine 2.
Aufgrund von Emissionsgesetzgebungen mit großen Dynamiken - Real Driving Emissions - kommen vermehrt schnelle Massenänderungen im Einlasskrümmer (zw. Hochdruck-AGR-Mischstelle und den Einlassventilen der Brennkraftmaschine 2) vor, welche einen entgegengesetzten Richtungssinn zur Massenänderung im Volumen V₂₁ vor der Drosselklappe 5 hervorrufen. Verursacht wird dies üblicherweise durch schnelle Positionsänderungen der Drosselklappe 5 im Luftsystem. Dieses Verhalten kann ebenso für die in dem Volumen gespeicherte innere Energie beobachtet werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese dynamischen Effekte im Luftsystem bzw. im Einlasskrümmer zu berücksichtigen.
Für die Berücksichtigung der Dynamik im Einlasskrümmer wird ein Massenspeicher M₂₂ und ein Speicher der inneren Energie U₂₂ zwischen der Drosselklappe 5 und dem Motoreinlass bzw. am Ort des Motoreinlassventils 22 berücksichtigt. $M_{22} = \frac{V_{22} \cdot p_{22}}{T_{22} \cdot R}$
(ideale Gasgleichung) $U_{22} = \frac{c_{p} \cdot M_{22} \cdot T_{22}}{κ} = \frac{H_{22}}{κ}$
(innere Energie) , mit M₂₂ der Masse bzw. dem Massenspeicher, mit V₂₂ dem Volumen, p₂₂ dem-Druck, U₂₂ der inneren Energie, H₂₂ der Enthalpie und T₂₂ der Temperatur am Ort des Motoreinlassventilventils 22. Mit R der allgemeinen Gaskonstante, c_p der spezifischen Wärmekapazität bei konstantem Druck und κ dem Isotropen-Exponent.
Die Massen- und Enthalpiebilanz wird um die Änderung der Größen M₂₂ und U₂₂ jeweils erweitert. $m f_{22} = m f_{21} + m f_{E G R H P} - \frac{d}{d t} M_{22}$
$h f_{22} = h f_{21} + h f_{E G R H P} - \frac{d}{d t} U_{22}$
, mit mf₂₂ dem Luftmassenstrom, hf₂₂ dem Enthalpiestrom am Ort des Motoreinlassventils 22 , $\frac{d}{d t} M_{22}$
der ersten zeitlichen Ableitung der Masse M₂₂ , U₂₂ der inneren Energie am Ort des Motoreinlassventilventils 22, mf_EGRHP dem Hochdruck-Abgasrückführungsmassenstrom (HD-AGR-Massenstrom) über die Hochdruck-Abgasrückführung und mf₂₁ dem Luftmassenstrom und hf₂₁ dem Enthalpiestrom am Ort vor der Drosselklappe 5.
Durch die Erweiterung wird eine dynamische Änderung der gespeicherten Masse und Energie abgebildet und deren Auswirkung auf die zu- und abfließenden Massen- und Enthalpieströme berücksichtigt.
Da das Volumen V₂₂ von der Struktur des Luftsystems abhängig ist und im Verhältnis zum Motorvolumen recht klein sein kann, können je nach Diskretisierungsart numerische Instabilitäten in Abhängigkeit des Betriebspunkts auftreten. Im Motorsteuergerät wird meistens explizit diskretisiert, da dies vom Rechenaufwand am geringsten ist. Da für alle Betriebsbereiche jedoch keine numerische Stabilität sichergestellt werden kann, wird eine implizite Diskretisierung gewählt. Damit ist für alle Betriebsbereiche die numerische Stabilität sichergestellt.
Durch das Einsetzen der idealen Gasgleichung und der Gleichung für die innere Energie in die Enthalpiebilanz und durch anschließendes Einsetzen dieses Ergebnisses in die Massenbilanz, erhält man ein nichtlineares Gleichungssystem, das in jedem Zeitschritt gelöst werden muss. Da es sich in diesem Fall um eine quadratische Gleichung handelt, kann die Lösung vorab analytisch gelöst werden. Abhängig von den bekannten Größen lässt sich z.B. eine Darstellung für den HD-AGR-Massenstrom mf_EGRHP finden, welcher unabhängig von der Mischtemperatur T₂₂ am Motoreinlassventil 22 ist.
Mit dem berechneten HD-AGR-Massenstrom mf_EGRHP lässt sich dann mit der Enthalpiebilanz die Mischtemperatur T₂₂ berechnen. Bei einer expliziten Diskretisierung hängt der HD-AGR-Massenstrom mf_EGRHP vom alten Wert der Mischtemperatur T₂₂ ab, was zu einer Instabilität führen kann.
In der 2 ist der beispielhafte Funktionsblock des Verfahrens zur Bestimmung der mindestens einen Luftsystemgröße Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, insbesondere mit einer Hochdruck-Abgasrückführung, gezeigt.
Im Steuergerät 100 berechnet das gezeigte Modell diskret in vorgebbaren Zeitschritten, z. B. alle 10 ms, die gewünschten Luftsystemgrößen. Hierzu wird in jedem Rechenschritt beispielhaft folgende Differenzialgleichung für ein Abgassystem mit Hochdruck-Abgasrückführung gelöst: $m f_{E G R H P} = f (m f_{21}, m f_{22}, T_{21}, T_{E G R H P}, V_{22}, p_{22}, \frac{d p_{22}}{d t}),$
mit mf_EGRHP dem HD-AGR-Massenstrom und der Temperatur T_EGRHP über die Hochdruck-Abgasrückführung, mit mf₂₁ dem Luftmassenstrom und der Temperatur T₂₁ zwischen dem Verdichter 81 und der Drosselklappe 5, insbesondere am Ort vor der Drosselklappe 5, mf₂₂ dem Luftmassenstrom, dem Volumen V₂₂ und dem Druck p₂₂ zwischen der Drosselklappe 5 und dem Motoreinlassventil 22, insbesondere am Ort des Motoreinlassventil 22 der Brennkraftmaschine 2.
Die Größen können als Sensor- und/oder als Modellwerte vorliegen und werden dann demensprechend vom Funktionsblock 300 empfangen und gespeichert. Weitere Eingangsgrößen für das Modell sind die Sauerstoffkonzentration r_O2,EGRHP (Verhältnis von Sauerstoffmasse zu Gesamtluft) über die HD-AGR-Leitung, insbesondere am Ort der Hochdruck-Mischstelle HD_Misch , die Sauerstoffkonzentration r_O2,21 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zu Gesamtluft) und eine Abgasrückführungsrate r_EGR,21 zwischen dem Verdichter 81 und der Drosselklappe 5, insbesondere am Ort vor der Drosselklappe 5. Die Abgasrückführungsrate r_EGR,21 ist vor allem interessant, wenn zusätzlich zur Hochdruck-Abgasrückführung eine Niederdruck-Abgasrückführung verbaut ist.
Anschließend wird die Berechnung der Ausgangsgrößen durch das Steuergerät 100 durchgeführt und es lassen sich folgende Ausgangsgrößen bestimmen:
Der Hochdruck-Abgasmassenfluss mf_EGRHP über die Hochdruck-Abgasrückführung, die Abgasrückführungsrate r_EGRHP,22 die Mischtemperatur T₂₂ , die Sauerstoffkonzentration r_O2,22 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zu Gesamtluft) und der Frischluftmassenstrom mf_Frsh,22 am Motoreinlassventil 22.
Der berechnete HD-AGR-Massenstrom mf_EGRHP kann z.B. als Regelgröße für das Abgasrückführungsventil (45) der Hochdruck-Abgasrückführung verwendet werden. Auch lässt sich der berechnete Frischluftmassenstrom mf_Frsh,22 am Motoreinlassventil 22 zur Steuerung der Brennkraftmaschine 2 verwenden. Durch den dynamisch berechneten Frischluftmassenstrom ist eine präzisere Mengenbegrenzung des einzuspritzenden Kraftstoffs möglich (Rauchbegrenzung). Dadurch können ungewollte Drehmomentreduktionen oder Rußpeaks verringert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008043965 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine (2) mit Hochdruck-Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Drosselklappe (5) und einem Motoreinlassventil (22), die mindestens eine Luftsystemgröße unter Berücksichtigung einer dynamischen Änderung einer Masse und/oder Enthalpie im Einlasskrümmer (22), ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens einer Luftsystemgröße, insbesondere ein Hochdruck-Abgasrückführungsmassenstrom (mf_EGRHP) über die Hochdruck-Abgasrückführung und/oder eine Abgasrückführungsrate (r_EGRHP,22) und/oder eine Sauerstoffkonzentration (r_O2,22) und/oder ein Frischluftmassenstrom (mf_Frsh,22) und/oder eine Mischtemperatur (T₂₂) am Motoreinlassventil (22) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der mindestens einen Luftsystemgröße eine Komponente der Brennkraftmaschine (2) angesteuert wird, wobei die Komponente insbesondere ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil (45) und/oder eine Drosselklappe (5) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der mindestens einen Luftsystemgröße mittels einer Massen- und Enthalpiebilanz berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Hochdruck-Abgasrückführungsmassenstroms (mf_EGRHP) unabhängig von der Mischtemperatur (T₂₂) am Motoreinlassventil (22) ist.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 6.
Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (100), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.