DE102017210238A1

DE102017210238A1 - Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102017210238A1
Application number: DE102017210238.1A
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 Hochdruck und Niederdruck-Abgasrückführung, wobei zwischen einer Frischluftdrosselklappe (90) und einem Verdichter (81), die mindestens eine Luftsystemgröße unter Berücksichtigung einer dynamischen Änderung einer Masse und/oder Enthalpie an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle (ND_Misch) und dem Verdichter (81) ermittelt wird, insbesondere vor dem Verdichter (81).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung aus.
Die präzise Bestimmung des Ladedrucks und des Frischluftmassenstroms 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 unter Berücksichtigung der geltenden Abgasnormen zu gewährleisten.
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 Frischluftdrosselklappe und einem Verdichter die mindestens eine Luftsystemgröße unter Berücksichtigung einer dynamischen Änderung einer Masse und/oder Enthalpie an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle und dem Verdichter ermittelt wird, insbesondere vor dem Verdichter. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine präzisere Berechnung für den berechneten Abgasrückführungsmassenstrom und/oder die Mischtemperatur und/oder den Frischluftmassenstrom durch die Berücksichtigung der dynamischen Änderung der Masse erzielt werden kann.
Es ist von Vorteil, wenn die mindestens eine Luftsystemgröße, insbesondere ein Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstrom über die Niederdruck-Abgasrückführung und/oder eine Abgasrückführungsrate und/oder eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Frischluftmasse und/oder eine Mischtemperatur an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle NDMisch und dem Verdichter (81) ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine präzisere Berechnung für einen Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstrom über die Niederdruck-Abgasrückführung und/oder einer Sauerstoffkonzentration und/oder eines Frischluftmassenstrom und/oder einer Mischtemperatur an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle und dem Verdichter durch die Berücksichtigung der dynamischen Änderung der Masse erzielt werden kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn in Abhängigkeit der mindestens einen Luftsystemgröße eine Komponente der Brennkraftmaschine angesteuert wird, insbesondere wenn die Komponente ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil und/oder eine Frischluftdrosselklappe ist, da durch eine präzisere Ansteuerung des Abgasrückführventils und/oder der Frischluftdrosselklappe Emissionen vermieden und Emissionsgesetzgebungen eingehalten werden können.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn die Berechnung der mindestens einen Luftsystemgröße mittels einer Massen- und Enthalpiebilanz berechnet wird. Dies hat den Vorteil, dass die dynamischen Änderungen der Masse, hervorgerufen durch z.B. schnelle Bewegungen der Frischluftdrosselklappe, präziser in der Berechnung berücksichtigt werden können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Berechnung des Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstroms unabhängig von der Mischtemperatur an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle und dem Verdichter 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,
2 ein Ausführungsbeispiel mittels eines Funktionsblocks zur Erläuterung des Verfahrens zur Bestimmung mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung, insbesondere mit einer Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung,

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung des Motorsystems 1 mit einer Brennkraftmaschine 2, der Luft über ein Luftzuführungssystem 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 Luftfilter 79, 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. Die ermittelten Werte der Sensoren werden vorzugsweise von einem Steuergerät 100 empfangen und gespeichert.
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 46 ein Hochdruck-Abgasrückführungs-Kühler 43 mit Hochdruck-Abgasrückführungs -Bypass 44, ein Hochdruck-Abgasrückführungs-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.
Stromabwärts der Abgasturbine 82, d.h. auf einer Niederdruckseite der Abgasanlage 70, zweigt von der Abgasanlage 70 eine Niederdruck-Abgasrückführungs-Leitung (ND-AGR-Leitung) 41 ab, die stromaufwärts des Verdichters 81 und stromabwärts der Frischluftdrosselklappe 90 wieder in die Frischluftanlage 60 mündet, diese Mündung wird auch als eine Niederdruck-AGR-Mischstelle ND_Misch bezeichnet. Entlang der Niederdruck-Abgasrückführungs-Leitung 41 ist ausgehend von der Abzweigung der Abgasanlage 70 in Strömungsrichtung eines Massenstromes Folgendes angeordnet: ein Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler 37 mit Niederdruck-Abgasrückführungs-Bypass 38, ein Niederdruck-Abgasrückführungs-Ventil 40 und ein Temperatursensor, der eine Temperatur T_EGRLP ermittelt. Weiterhin kann mittels eines Sensors oder eines Modells ein Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstrom mf_EGRLP und eine Sauerstoffkonzentration r_O2,EGRLP (Verhältnis von Sauerstoffmasse zur Gesamtluft) über die Niederdruck-Abgasrückführung ermittelt werden. Die beschriebenen Größen können z. B. als Sensorwerte oder als Modellwerte vorliegen und werden Mittels des Steuergeräts 100 empfangen und verarbeitet.
Der erste Sensor 80 kann einen Frischluftmassenstrom mf₁₀ zwischen dem Luftfilter 79 und der Frischluftdrosselklappe 90 bestimmen. Weiterhin lässt sich mittels des ersten Sensors 80 oder eines Modells eine Sauerstoffkonzentration r_O2,10 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zur Gesamtluft) und eine Temperatur T₁₀ zwischen dem Luftfilter 79 und der Frischluftdrosselklappe 90 bestimmen. Weiterhin kann ein Frischluftmassenstrom mf₁₁ , ein Druck p₁₁ , eine Temperatur T₁₁ , ein Volumen V₁₁ , eine Abgasrückführrate r_EGRLP,11 und eine Sauerstoffkonzentration r_O2,11 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zur Gesamtluft) zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle ND_Misch und dem Verdichter 81, insbesondere am Ort Niederdruck-AGR-Mischstelle ND_Misch oder des Verdichters 81, bestimmt werden. Vorzugsweise kann für die Bestimmung der genannten Größen ein weiterer Sensor bzw. eine Sensoreinheit zwischen der Frischluftdrosselklappe 90 und dem Verdichter 81 verbaut sein. Vorzugsweise werden die Größen mittels eines Modells auf dem Steuergerät 100 bestimmt.
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.
Aufgrund von Emissionsgesetzgebungen mit großen Dynamiken - Real Driving Emissions - kommen vermehrt schnelle Massenänderungen im Volumen zwischen der ND-AGR-Mischstelle ND_Misch und dem Verdichter 81 vor. Verursacht wird dies üblicherweise durch schnelle Positionsänderungen der Frischluftdrosselklappe 90 im Luftsystem 60. 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 Volumen V₁₁ zu berücksichtigen.
Für die Berücksichtigung der Dynamik der Strecke zwischen ND-AGR-Mischstelle ND_Misch und Verdichter 81 wird ein Massenspeicher M₁₁ und ein Speicher der inneren Energie U₁₁ zwischen der Frischluftdrosselklappe 90 und dem Verdichter 81 berücksichtigt. $M_{11} = \frac{V_{11} \cdot p_{11}}{T_{11} \cdot R} (ideale Gasgleichung)$
$U_{11} = \frac{c_{p} \cdot M_{11} \cdot T_{11}}{κ} = \frac{H_{11}}{κ} (innere Energie)$
, mit M₁₁ der Masse bzw. dem Massenspeicher, V₁₁ dem Volumen, p₁₁ dem-Druck, U₁₁ der inneren Energie, H₁₁ der Enthalpie und T₁₁ der Temperatur zwischen der ND-AGR-Mischstelle ND_Misch und dem Verdichter 81. 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 M₁₁ und U₁₁ jeweils erweitert. $m f_{11} = m f_{10} + m f_{E G R L P} - \frac{d}{d t} M_{11}$
$h f_{11} = h f_{10} + h f_{E G R L P} - \frac{d}{d t} U_{11}$
, mit mf₁₁ dem Massenstrom, hf₁₁ dem Enthalpiestrom durch den Verdichter 81 , $\frac{d}{d t} M_{11}$
der ersten zeitlichen Ableitung der Masse M₁₁ , U₁₁ der inneren Energie im Volumen zwischen ND-AGR-Mischstelle und Verdichter 81, mf_EGRLP dem Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstrom (ND-AGR-Massenstrom) und mf₁₀ dem Frischluftmassenstrom und hf₁₀ dem Enthalpiestrom zwischen dem Luftfilter 79 und der Frischluftdrosselklappe 90, insbesondere am Ort des Luftfilters 79.
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 V₁₁ von der Struktur des Luftsystems abhängig ist und 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 ND-AGR-Massenstrom mf_EGRLP finden, welcher unabhängig von der Mischtemperatur T₁₁ am Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle und dem Verdichter ist.
Mit dem berechneten ND-AGR-Massenstrom mf_EGRLP lässt sich dann mit der Enthalpiebilanz die Mischtemperatur T₁₁ berechnen. Bei einer expliziten Diskretisierung hängt der ND-AGR-Massenstrom mf_EGRLP vom alten Wert der Mischtemperatur T₁₁ ab, was zu einer Instabilität führen kann.
In der 2 ist der beispielhafte Funktionsblock des Verfahrens zur Bestimmung der mindestens einen Luftsystemgröße der Brennkraftmaschine 2 mit Abgasrückführung, insbesondere mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-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- und Niederdruck-Abgasrückführung gelöst: $m f_{E G R L P} = f (m f_{10}, m f_{11}, T_{10}, T_{E G R L P}, V_{11}, p_{11}, \frac{d p_{11}}{d t}),$

mit mf_EGRLP dem ND-AGR-Massenstrom und der Temperatur T_EGRLP über die Niederdruck-Abgasrückführung, mit mf₁₀ dem Frischluftmassenstrom und der Temperatur T₁₀ zwischen dem Luftfilter 79 und der Frischluftdrosselklappe 90, insbesondere am Ort nach dem Luftfilter 79, mf₁₁ dem Luftmassenstrom, dem Volumen V₁₁ und dem Druck p₁₁ zwischen der ND-AGR-Mischstelle ND_Misch und dem Verdichter 81.
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_O2,10 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zu Gesamtluft) zwischen dem Luftfilter 79 und der Frischluftdrosselklappe 90, insbesondere am Ort vor der Frischluftdrosselklappe 90 und eine Sauerstoffkonzentration r_O2,EGRLP über die ND-AGR-Leitung 41, insbesondere am Ort der Niederdruck-AGR-Mischstelle ND_Misch . Anschließend wird die Berechnung der Ausgangsgrößen durch das Steuergerät 100 durchgeführt und es lassen sich folgende Ausgangsgrößen bestimmen:
Der Niederdruck-Abgasmassenfluss mf_EGRLP über die Niederdruck-Abgasrückführung, die AGR-Rate r_EGRLP,11 , die Mischtemperatur T₁₁ , die Sauerstoffkonzentration r_O2,11 (Verhältnis von Sauerstoffmasse zu Gesamtluft) und der Frischluftmassenstrom mf_Frsh,11 zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle ND_Misch und dem Verdichter 81, insbesondere am Ort vor dem Verdichter 81.Der berechnete ND-AGR-Massenstrom mf_EGRLP kann z.B. als Regelgröße für das ND-AGR-Ventil (40) der Niederdruck-Abgasrückführung verwendet werden. Auch lässt sich der berechnete Frischluftmassenstrom mf_Frsh,11 vor dem Verdichter 81 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 [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Luftsystemgröße einer Brennkraftmaschine (2) mit Hochdruck und Niederdruck-Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Frischluftdrosselklappe (90) und einem Verdichter (81) die mindestens eine Luftsystemgröße unter Berücksichtigung einer dynamischen Änderung einer Masse und/oder Enthalpie an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle (ND_Misch) und dem Verdichter (81) ermittelt wird, insbesondere vor dem Verdichter (81).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Luftsystemgröße, insbesondere ein Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstrom (mf_EGRLP) über die Niederdruck-Abgasrückführung und/oder eine Abgasrückführungsrate (r_EGRLP,11) und/oder eine Sauerstoffkonzentration (r_O2,11) und/oder eine Frischluftmasse (mf_Frsh,11) und/oder eine Mischtemperatur (T₁₁) an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle (ND_Misch) und dem Verdichter (81) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der mindestens einen Luftsystemgröße eine Komponente der Brennkraftmaschine (2) angesteuert wird, wobei die Komponente insbesondere ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil (40) und/oder eine Frischluftdrosselklappe (90) 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 Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstroms (mf_EGRLP) unabhängig von der Mischtemperatur (T₁₁) an einem Ort zwischen der Niederdruck-AGR-Mischstelle (ND_Misch) und dem Verdichter 81 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.