DE102019113807B4

DE102019113807B4 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102019113807B4
Application number: DE102019113807.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Drückhammer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: DE102019113807A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) einlassseitig mit einem Luftversorgungssystem (20) und auslassseitig mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei die Abgasanlage (40) über mindestens eine Abgasrückführung (60, 80) mit dem Luftversorgungssystem (20) verbunden ist, wobei in der Abgasrückführung (60, 80) ein Abgasrückführungsventil (68, 86) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte:• Erfassen des aktuellen Steuersignals (si) für das Abgasrückführungsventil (68, 86),• Beaufschlagung des Abgasrückführungsventils (68, 86) mit einem bekannten, charakteristischen Testmuster (pi)• Vergleichen des aktuellen Steuersignals (si) mit einem Ausgangssignal (ai) eines weiteren Sensors (34, 36, 38),• Ermitteln eines Kreuzkorrelationskoeffizienten (CCC) zwischen dem aktuellen Steuersignal (si) und dem Ausgangssignal (ai) des weiteren Sensors (34, 36, 38),• Berechnen einer Laufzeit (tL-EGR) für den zurückgeführten Abgasstrom aus dem Sensorsignal (si) und dem Kreuzkorrelationskoeffizienten (CCC).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasrückführung sowie einen Verbrennungsmotor zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Bei modernen Verbrennungsmotoren werden Abgasrückführungssysteme eingesetzt, mit denen eine Teilmenge des Abgases des Verbrennungsmotors auf die Frischluftseite zurückgeführt wird. Dabei wird das zurückgeführte Abgas der Frischluft beigemischt und erneut den Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführt. Auf diese Weise lassen sich die Rohemissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Stickoxidemissionen reduzieren sowie der Kraftstoffverbrauch verringern.
Eine Herausforderung für die Steuerung des Verbrennungsmotors stellt dabei die teilweise hohe Laufzeit des zurückgeführten Abgasmassenstroms vom Abgasrückführungsventil bis in den Brennraum dar. Diese Laufzeit ist von einer Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise der Länge und dem Durchmesser der Abgasrückführungsleitung, dem Abgasmassenstrom, dem Frischluftmassenstrom sowie den Bauteil- und Gastemperaturen abhängig.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Laufzeit für das zurückgeführte Abgas mittels eines Modells zu berechnen. Aufgrund der Vielzahl von Einflussgrößen ist diese Laufzeit mit einfachen Sensoren jedoch nicht hinreichend genau zu bestimmen und es kommt immer wieder zu starken Abweichungen zwischen der berechneten Laufzeit und der tatsächlichen Laufzeit des zurückgeführten Abgases. Diese Abweichungen können insbesondere in dynamischen Fahrsituationen hoch sein und somit eine Regelung der Verbrennung in den Brennräumen erschweren. Dies kann zu einem Anstieg der Rohemissionen, insbesondere der Stickoxidemissionen und/oder der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sowie zu einer Beeinträchtigung des Fahrverhaltens in Form von unrundem Motorlauf durch Zündaussetzer oder eine schlechte Gasannahme führen. Dabei sind Zündaussetzer und ein schlechtes Beschleunigungsverhalten die Folge von einer zu hohen Abgasrückführung im dynamischen Motorbetrieb.
Prinzipiell lässt sich diese Situation durch verbesserte Sensoren oder eine größere Anzahl von Sensoren, insbesondere in der Abgasrückführung sowie im Ansaugtrakt verbessern. Aufgrund der Trägheit der Sensoren sowie den hohen Anforderungen bezüglich thermischer Dauerhaltbarkeit sowie Verschmutzung der Sensoren kann auf diese Art und Weise die Herausforderung nur bedingt gelöst werden.
Aus der DE 10 2004 015 131 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt. Dabei kann das Abgas des Verbrennungsmotors durch ein Stellorgan alternativ durch einen ersten und zweiten Abgaskanal geleitet werden. Durch eine Verstellung des Stellorgans kann die Abgaslauflänge vom Stellorgan bis zu einem stromabwärts des Stellorgans angeordneten Abgassensor ermittelt werden.
Die DE 10 2009 043 431 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Korrektur für einen gemessenen Brennraumdruck. Dabei wird ein gemessener Druckverlauf über einen Kurbelwinkel für eine Kompressionsphase von einem Kurbelwinkel am Beginn der Kompressionsphase bis zu einem Kurbelwinkel am Ende der Kompressionsphase mit einem berechneten, modellierten Druckverlauf über den Kurbelwinkel für die Kompressionsphase verglichen, und es werden aus einem Differenzverlauf über den Kurbelwinkel für die Kompressionsphase des gemessenen Druckverlaufes und des modellierten Druckverlaufes ein Korrekturfaktor für den gemessenen Brennraumdruck derart bestimmt, dass der Differenzverlauf minimiert wird.
Aus der DE 10 2012 006 767 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei die Abgaslauflänge von den Brennräumen bis zu einer Lambdasonde in der Abgasanlage mittels einer Kreuzkorrelation bestimmt wird und auf Basis dieser Lauflänge die Verbrennung optimiert wird.
DE 10 2011 080 316 A1 beschreibt Verfahren und Systeme zum Einstellen eines Abgasrückführungsventils und einer oder mehrerer Ansaugdrosseln unter Ansprechen auf die Ausgabe eines Einlass-Sauerstoffsensors, um eine gewünschte Abgasrückführungsmenge bereitzustellen. Die Einstellungen werden koordiniert, um die verteilte Regelung der Abgasrückführungsventile und der Ansaugdrosseln zu verbessern und eine Abgasrückführung selbst dann zu ermöglichen, wenn ein Stellglied begrenzt ist.
Ferner sind aus der DE 10 2015 119 828 A1 Verfahren und Systeme zum Steuern einer Niederdruckabgasrückführung in einer Kraftmaschine mit variablem Hubraum bekannt. In einem Beispiel kann ein Verfahren das Bereitstellen eines höheren festen Niederdruck-Abgasrückführungs-Prozentsatzes bezüglich einer Gesamteinlassluftströmung während eines VDE-Modus und das Bereitstellen eines niedrigeren festen Abgasrückführungs-Prozentsatzes bezüglich der Gesamteinlassluftströmung während eines Nicht-VDE-Modus enthalten. Ferner kann das Verfahren während einer Pedalfreigabe, wenn in dem VDE-Modus bei einer Last unter einem Schwellenwert gearbeitet wird, das Übergehen aus dem VDE-Modus nach dem Übergehen der Niederdruck-Abgasrückführung von dem höheren festen Prozentsatz zu dem niedrigeren festen Prozentsatz enthalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verbrennung des Verbrennungsmotors zu optimieren und somit die Rohemissionen zu verringern sowie das Ansprechverhalten in dynamischen Betriebssituationen zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum gelöst, wobei der Verbrennungsmotor einlassseitig mit einem Luftversorgungssystem und auslassseitig mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei ist die Abgasanlage über mindestens eine Abgasrückführung mit dem Luftversorgungssystem verbunden, wobei in der Abgasrückführung ein Abgasrückführungsventil angeordnet ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

• Erfassen des aktuellen Steuersignals für das Abgasrückführungsventil,
• Beaufschlagung des Abgasrückführungsventils mit einem bekannten, charakteristischen Testmuster,
• Vergleichen des aktuellen Steuersignals mit einem Ausgangssignal eines weiteren Sensors,
• Erfassen eines Kreuzkorrelationskoeffizienten zwischen dem aktuellen Steuersignal und dem Ausgangssignal des weiteren Sensors,
• Berechnen einer Laufzeit für den zurückgeführten Abgasstrom aus dem Sensorsignal und dem Kreuzkorrelationskoeffizienten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, über bereits vorhandene Sensoren eine exakte Ermittlung der Laufzeit des über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgasstroms zu ermitteln. Dadurch kann die Verbrennung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors optimiert werden, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden können. Gleichzeit kann der Verbrauch des Verbrennungsmotors reduziert und/oder das Ansprechverhalten verbessert werden, da die Gefahr von Zündaussetzern oder einer verschlechterten Gasannahme durch eine zu hohe Abgasrückführung minimiert werden kann. Anhand der Kreuzkorrelation können die beiden Eingangssignale miteinander verglichen werden und als Ergebnis eine Aussage über die Ähnlichkeit und den zeitlichen Versatz dieser Werte getroffen werden. Diese Ähnlichkeit wird durch den dimensionslosen Kreuzkorrelationskoeffizienten CCC ausgedrückt, dessen Wert zwischen 0 und 1 liegt, wobei der Wert 0 besagt, dass keine Ähnlichkeit gefunden wurde und der Wert 1, dass beide Signale identisch sind. Ein großer Vorteil des Kreuzkorrelationsalgorithmus liegt darin, dass er gleichzeitig sehr empfindlich auf Änderungen und wenig störanfällig ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verfahrens möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Laufzeit des zurückgeführten Abgasstroms anhand einer Abgaslaufzeit vom Abgasrückführungsventil bis zu einem Sensor im Luftversorgungssystem ermittelt wird. Die Abgaslaufzeit vom Abgasrückführungsventil bis zu einem Sensor im Luftversorgungssystem, insbesondere einem Saugrohrdrucksensor kann im Betrieb eines Kraftfahrzeuges vergleichsweise genau gemessen werden, ohne dass zusätzliche Bauteile erforderlich sind. Dadurch können viele Störeinflüsse der bisher verwendeten Funktionen wie beispielsweise ein Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit, Bauteiltoleranzen, Modellungenauigkeiten umgangen werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Eingangswert für die Kreuzkorrelation aus einer Summation der Werte für das aktuelle Steuersignal und das Signal des Testmusters gebildet wird. Durch eine Summation ist eine einfache Überlagerung des aktuellen Steuersignals für das Abgasrückführungsventil mit dem Signal des Testmusters möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Signal des Testmusters als Pseudo-Zufallssignal mittels eines Testmustergenerators erzeugt wird. Durch einen Testmustergenerator können auf einfache und leicht wiederholbare Art und Weise Testmustersignale erzeugt werden, welche als Basis für die Kreuzkorrelation genutzt werden können. Dabei können die Testmuster eine sehr kleine Amplitude aufweisen, welche so klein ist, dass sie weder für den Fahrer bemerkbar ist, noch zu einem Anstieg der Schadstoffemissionen führt.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Korrekturfaktor für eine dynamische Korrektur der zu erwartenden Laufzeit für den zurückgeführten Abgasstrom berechnet wird. Bei langen Abgaslaufwegen in der Abgasrückführung, insbesondere bei einer Niederdruckabgasrückführung kann es notwendig sein, einen Korrekturfaktor zu verwenden. Wird das Verfahren bei einer Niederdruckabgasrückführung angewendet, besteht die Herausforderung, dass das Testmustersignal in Form einer Druckschwankung den Verdichter des Abgasturboladers passieren muss. Alternativ kann ein weiterer Drucksensor im Luftversorgungssystem stromaufwärts des Verdichters genutzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der ermittelte Kreuzkorrelationskoeffizient mit einem Schwellenwert verglichen wird, wobei die Messung wiederholt wird, wenn der ermittelte Kreuzkorrelationskoeffizient unterhalb des Schwellenwertes liegt. Liegt der Kreuzkorrelationskoeffizient oberhalb eines definierten Schwellenwertes, so kann von einer hinreichend genauen Bestimmung der Laufzeit des zurückgeführten Abgasstroms ausgegangen werden und die Motorparameter in Hinblick auf eine bestmögliche Verbrennung angepasst werden. Liegt der Kreuzkorrelationskoeffizient unterhalb des Schwellenwertes, so kann eine Messung als Fehlmessung klassifiziert werden, bei welcher keine hinreichend genaue Bestimmung der Laufzeit des zurückgeführten Abgasstroms möglich ist. In diesem Fall kann die Messung wiederholt werden, um ein besseres Ergebnis zu erzielen und die Laufzeit des zurückgeführten Abgasstroms bestimmt werden.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Drehzahlbereich und/oder ein Lastbereich des Verbrennungsmotors ermittelt und mit einem für das Verfahren zulässigen Drehzahl- oder Lastbereich verglichen wird. Es ist möglich, dass das vorgeschlagene Verfahren nicht über den gesamten Drehzahl- und/oder Lastbereich des Verbrennungsmotors mit hinreichender Genauigkeit ausgeführt werden kann. Liegt die Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder die Motorlast außerhalb des zulässigen Bereichs, ist zu erwarten, dass die Laufzeitermittlung des zurückgeführten Abgasstroms zu keinem hinreichend genauen Ergebnis führt. In diesem Fall wird die Diagnose abgebrochen, bis der Verbrennungsmotor wieder in einem zur Durchführung des Verfahrens zulässigen Bereich betrieben wird. Ferner kann das Verfahren unterbunden werden, wenn ein Fehler eines zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Sensors oder Aktors detektiert wird.
Gemäß einem weiteren Teilaspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass aus der berechneten Laufzeit für das zurückgeführte Abgas ein Abgasmassenstrom berechnet wird. Aus der ermittelten Laufzeit für den zurückgeführten Abgasteilstrom sowie den Leitungsquerschnitt und den Druckunterschied lässt sich auf einfache Art und Weise ohne zusätzliche Sensoren eine relativ genaue Berechnung der zurückgeführten Abgasmenge durchführen. Diese quantitative Aussage bezüglich des zurückgeführten Abgasmassenstroms kann genutzt werden, um die Regelung des Verbrennungsmotors weiter zu verbessern. Insbesondere können Emissionspeaks bezüglich der Stickoxidemissionen und/oder der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen vermieden werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in die Berechnung des zurückgeführten Abgasmassenstroms weitere Parameter, insbesondere der Druck und die Temperatur in der Abgasrückführung, der Leitungsquerschnitt der Abgasrückführungsleitung und die Dichte oder Abgaszusammensetzung des zurückgeführten Abgases einbezogen werden. Dadurch lässt sich die Genauigkeit bei der Berechnung des über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgasmassenstroms weiter erhöhen. Somit ist eine noch bessere Regelung des Verbrennungsmotors möglich, wodurch die Emissionen, das Ansprechverhalten, die Leistung und/oder der Verbrauch weiter optimiert werden können.
Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum vorgeschlagen, wobei der Verbrennungsmotor einlassseitig mit einem Luftversorgungssystem und auslassseitig mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei ist die Abgasanlage über mindestens eine Abgasrückführung mit dem Luftversorgungssystem verbunden. In der Abgasrückführung ist ein Abgasrückführungsventil angeordnet. Der Verbrennungsmotor umfasst ferner ein Motorsteuergerät, wobei das Motorsteuergerät dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät ausgeführt wird. Durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor können die Rohemissionen gesenkt werden und/oder der Verbrauch minimiert werden. Ferner kann der Fahrkomfort erhöht werden, da eine verzögerte Gasannahme oder eine Ruckeln durch eine verzögerte Verbrennung aufgrund einer zu hohen Abgasrückführungsmenge vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor als mittels eines Abgasturboladers aufgeladener Verbrennungsmotor ausgeführt ist. Dabei ist die Abgasrückführung als Hochdruckabgasrückführung ausgebildet, welche einen Abgaskanal der Abgasanlage stromaufwärts einer Turbine des Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem stromabwärts eines Verdichters des Abgasturboladers verbindet. Bei einer Hochdruckabgasrückführung lässt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders einfach und über einen großen Betriebsbereich des Verbrennungsmotors umsetzen.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor eine Niederdruck-Abgasrückführung aufweist, welche den Abgaskanal stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers verbindet. Weist der Verbrennungsmotor zusätzlich zur Hochdruckabgasrückführung auch eine Niederdruckabgasrückführung auf, so ist es notwendig, auch die Laufzeit des über die Niederdruckabgasrückführung zurückgeführten Abgasstroms zu kennen. Aufgrund der längeren Laufwege und der erhöhten Anzahl von zu durchströmenden Komponenten in der Abgasanlage und im Luftversorgungssystem kann es jedoch notwendig sein, zumindest in Teilbereichen des Kennfelds des Verbrennungsmotors einen Korrekturfaktor zu verwenden, um das Verfahren an die entsprechenden Besonderheiten einer Niederdruckabgasrückführung anzupassen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem sowie einer Abgasanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Verbrennungsmotors,
2 ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage,
3 ein Schaubild zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Verbrennungsmotors,
4 ein Beispiel für den Verlauf eines Testmustersignals,
5 ein Diagramm zur Durchführung einer Dynamikkorrektur,
6 ein weiteres Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors,
7 ein Ablaufdiagramm zur Adaptation der Laufzeit des über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgasteilstroms, und
8 ein Ablaufdiagramm zur Berechnung der Laufzeit des über die Abgasrückführung zurückgeführten Abgasteilstroms.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als ein direkteinspritzender Ottomotor ausgeführt und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 22, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 22 ein Luftfilter 24, stromabwärts des Luftfilters 24 ein Luftmassenmesser, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers eine Luftklappe 26 und weiter stromabwärts ein Verdichter 28 eines Abgasturboladers 46 angeordnet sind. Stromabwärts des Verdichters 28 sind ein Ladeluftkühler 30 und weiter stromabwärts eine Drosselklappe 32 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 32 angeordnet. Dabei kann der Luftmassenmesser auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 24 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 24 und der Luftmassenmesser eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 24 und stromaufwärts des Verdichters 28 ist eine Einmündung 72 vorgesehen, an welcher eine Niederdruckabgasrückführungsleitung 88 einer Niederdruckabgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 22 mündet. Stromabwärts des Verdichters 28 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers 30 ist eine weitere Einmündung 74 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 70 einer Hochdruckabgasrückführung 60 in den Ansaugkanal 22 einmündet. Stromabwärts der Einmündung 72 der Niederdruckabgasrückführung 80 und stromaufwärts des Verdichters 28 ist in dem Ansaugkanal 22 ein Drucksensor 34 angeordnet.
Stromabwärts des Verdichters 28 und stromaufwärts der Drosselklappe 32 ist ein Ladedrucksensor 36 vorgesehen. Stromabwärts der Drosselklappe 32 und stromaufwärts des Einlasses 16 ist ein weiterer Drucksensor 38 vorgesehen.
Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 46 angeordnet ist, welche den Verdichter 28 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 46 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 46 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 54, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster Katalysator 48, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator, angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 48 ist ein zweiter Katalysator 54, insbesondere ein weiterer Drei-Wege-Katalysator oder ein Vier-Wege-Katalysator, angeordnet. Stromabwärts des zweiten Katalysators 54 können weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 56, insbesondere ein Partikelfilter 58, angeordnet sein. Stromabwärts des ersten Katalysators 48 und stromaufwärts des zweiten Katalysators 54 ist ein Abgassensor 50, insbesondere ein NOx-Sensor 52, angeordnet. Die Katalysatoren 48, 54 können Lambdasonden-geregelt werden, welche den Sauerstoffgehalt im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 erfassen. Ferner umfasst die Abgasanlage 40 eine Abgasklappe, mit welcher die Abgasrückführung über die Niederdruckabgasrückführung 80 gesteuert werden kann.
Der Verbrennungsmotor 10 umfasst eine Hochdruckabgasrückführung 60, welche an einer Verzweigung 62 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt und den Abgaskanal 42 stromaufwärts der Turbine 44 des Abgasturboladers 46 mit dem Ansaugkanal 22 stromabwärts des Verdichters 28 des Abgasturboladers 46 verbindet. In der Hochdruckabgasrückführung 60 ist ein Abgasrückführungsfilter 64 angeordnet, welcher einen Partikeleintrag in das Luftversorgungssystem 20 verhindert. Stromabwärts des Abgasrückführungsfilters 64 ist in der Hochdruckabgasrückführungsleitung 70 ein Abgasrückführungskühler 66 vorgesehen. Die Hochdruckabgasrückführungsleitung 70 weist eine Länge L₁ und einen Durchmesser D₁ auf. Ferner umfasst die Hochdruckabgasrückführung 60 ein Abgasrückführungsventil 68, über welches der zurückgeführte Abgasteilstrom gesteuert oder geregelt werden kann.
Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Niederdruckabgasrückführung 80, welche an einer Verzweigung 82 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt und den Abgaskanal 42 stromabwärts der Turbine 44 mit dem Ansaugkanal 22 stromaufwärts des Verdichters 28 verbindet. In einer Abgasrückführungsleitung 88 der Niederdruckabgasrückführung 80 sind ein Abgasrückführungskühler 84 und ein Abgasrückführungsventil 86 angeordnet, über welches der über die Niederdruckabgasrückführung 80 zurückgeführte Abgasteilstrom gesteuert oder geregelt werden kann. Die Niederdruckabgasrückführungsleitung 88 weist eine Länge L₂ und einen Durchmesser D₂ auf.
Dem Verbrennungsmotor 10 ist ein Steuergerät 90 zugeordnet, welches einen Speicher 94 und einen Rechner 92 umfasst. In dem Speicher 94 ist ein maschinenlesbarer Programmcode abgelegt, welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors 10 ermöglicht.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 1 ausgeführt entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel die Niederdruckabgasrückführung 80.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, das Steuersignal für ein Abgasrückführungsventil 68, 86 mit einem bekannten, charakteristischen Testmustersignal zu überlagern. Dieses Testmustersignal findet sich dann auch im Signal geeigneter Sensoren wie den Drucksensoren 34, 36, 38 im Luftversorgungssystem 20, den Lambdasonden im Abgaskanal 42 oder dem NOx-Sensor 52 sowie weiterer Abgassensoren 50 wieder. Mit dem Algorithmus der Kreuzkorrelation ist es möglich, diesen Signalnachweis auch bei sehr kleinen Testmusteramplituden zu führen, die so klein sind, dass sie weder für den Fahrer bemerkbar sind, noch zu einem Anstieg der Schadstoffemissionen führen.
Eine wesentliche Eigenschaft des Kreuzkorrelationsalgorithmus ist es, dass zwei Eingangssignale verglichen werden und als Ergebnis eine Aussage über deren Ähnlichkeit sowie den zeitlichen Versatz dieser Signale geliefert wird. Die Ähnlichkeit wird durch den dimensionslosen Korrelationskoeffizienten CCC ausgedrückt, dessen Wert zwischen 0 und 1 liegen kann. Dabei besagt ein Wert von 0, dass keine Ähnlichkeit zwischen den Signalen gefunden wurde und der Wert 1, dass beide Signale identisch sind. Der Zeitversatz wird durch den Wert von x abgebildet. Ein Vorteil des Kreuzkorrelationsalgorithmus ist es, dass er gleichzeitig empfindlich für Änderungen des Signals und wenig störanfällig ist.
Die Laufzeit eines über die Abgasrückführung 60, 80 zurückgeführten Abgasmassenstroms ṁ_EG bis zum verwertenden Sensor 34, 36, 38 kann während der Fahrt eines Kraftfahrzeuges vergleichsweise genau gemessen werden, ohne dass zusätzliche Bauteile erforderlich sind. Dadurch können viele Störeinflüsse wie beispielsweise die Temperatur T, die Feuchtigkeit, Bauteiltoleranzen, Modellungenauigkeiten, etc. umgangen werden.
3 zeigt ein Schaubild zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Verbrennungsmotor 10. Eingangswerte für die Kreuzkorrelation sind die beiden Signale x_i und y_i. Dabei wird x_i durch die Summation der Steuergröße s_i für das Abgasrückführungsventil 68, 86 sowie das Testmustersignal p_i gebildet. Als Testmustersignale eignen sich grundsätzlich analoge oder digitale Pseudo-Zufallssignale PZS. Die Länge variiert mit der Impulslänge und kann damit an die Erfordernisse des physikalischen Systems angepasst werden.
In 4 ist der Verlauf eines mittels des Testmuster-Generators 96 erzeugten Pseudo-Zufallssignals PZS dargestellt, welches als Testmustersignal p_i, mit dem Stellsignal s_i des Abgasrückführungsventils 68, 86 überlagert wird.
In 5 ist ein Diagramm zur dynamischen Korrektur dynK der Parameter für die Kreuzkorrelation dargestellt. Wenn der Verlauf der Signale x_i und y_i zeitlich nicht konstant ist, können diese grundsätzlich mittels Dynamikkorrektur dynK, insbesondere in Form einer Steigungskompensation, in für die Berechnung des Kreuzkorrelationsfaktors CCC geeignete Signale umgerechnet werden.
In 6 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird in einem Verfahrensschritt <100> der Verbrennungsmotor 10 gestartet. In einem Verfahrensschritt <110> wird gewartet, bis die Freigabebedingungen zur Durchführung des Verfahrens erfüllt sind. In einem Verfahrensschritt <120> wird mittels des Testmustergenerators 96 ein Testmustersignal p_i erzeugt und auf das Steuersignal s_i aufgeschaltet. In einem Verfahrensschritt <130> wird ein nächster Testmusterpuls ausgegeben und auf das Steuersignal s_i des Abgasrückführungsventils 68, 86 aufgeschaltet. In einem Verfahrensschritt <140> werden die Signale x_i und y_i gemessen und in dem Schieberegister 98 eingespeichert. In einem Verfahrensschritt <150> wird geprüft, ob eine Abbruchbedingung für das Verfahren erfüllt ist. Ist diese Abbruchbedingung nicht erfüllt, wird in einem Verfahrensschritt <160> geprüft, ob das Testmustersignal p_i zu Ende ist. Ist das Testmustersignal nicht zu Ende, wird in einem Verfahrensschritt <170> eine Wartezeit T_A abgewartet und das Verfahren mit Verfahrensschritt <130> fortgesetzt. Ist das Testmuster zu Ende, wird in einem Verfahrensschritt <200> ein neues Testmustersignal erzeugt. Dabei kann in einem Verfahrensschritt <210> eine dynamische Korrektur dynK erfolgen. In einem Verfahrensschritt <220> werden Kreuzkorrelationskoeffizienten CCC für mehrere zeitliche Verschiebungen k ermittelt und das jeweilige Maximum CCC_M und k_m des Kreuzkorrelationskoeffizienten CCC und der zeitlichen Verschiebungen k ermittelt. In einem Verfahrensschritt <230> wird der ermittelte maximale Kreuzkorrelationskoeffizient CCC_M mit einem Schwellenwert CCC_s verglichen. Ist der Wert des maximalen Kreuzkorrelationskoeffizienten CCC_M größer als der Schwellenwert CCC_s, so wird in einem Verfahrensschritt <240> die Abgaslaufzeit bestimmt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt <250> eine Wartezeit T_A abgewartet und das Verfahren mit Verfahrensschritt <110> fortgesetzt.
Die ermittelte Laufzeit T_L-EGR ist abhängig vom Motorbetriebspunkt, das heißt abhängig von der Motorlast, der Motordrehzahl, der Abgastemperatur, dem Abgasgegendruck und der Druckdifferenz zwischen dem Luftversorgungssystem 20 und der Abgasanlage 40. Es ist deshalb sinnvoll, die ermittelte Laufzeit T_L-EGR mithilfe einer Adaptationsfunktion betriebspunktspezifisch abzuspeichern, sodass beim nächsten Mal, wenn dieser Betriebspunkt auftritt, diese Daten sofort zur Verfügung stehen und nicht erst eine neue Ermittlung abgewartet werden muss.
In 7 ist eine solche Adaptation dargestellt. In einem Verfahrensschritt <300> wird der Verbrennungsmotor 10 erstmalig gestartet. In einem Verfahrensschritt <310> wird die Motorsteuerungsfunktion initialisiert. Dabei wird ein Adaptationskennfeld für die Abgasrückführungslaufzeiten mit Anfangswerten geladen. In einem Verfahrensschritt <320> wird auf neue Werte für die Abgasrückführungslaufzeit T_L-EGR gewartet. Anschließend werden die Abgasrückführungslaufzeiten T_L-EGR in einem Verfahrensschritt <330> adaptiert und im dem Kennfeld abgespeichert.
In 8 ist eine Berechnung der Abgasrückführungslaufzeiten T_L-EGR bis zum Brennraum dargestellt. Dabei wird in einem Verfahrensschritt <400> der Verbrennungsmotor 10 gestartet. In einem Verfahrensschritt <410> wird die Laufzeit des zurückgeführten Abgasstrom T_L-EGR aus dem Adaptationskennfeld geladen. In einem Verfahrensschritt <420> wird die Laufzeit für das zurückgeführte Abgas für den nächsten Verbrennungszyklus berechnet. In einem Verfahrensschritt <430> wird dann geprüft, ob ein neuer Betriebspunkt für den Verbrennungsmotor 10 gewählt wurde. Ist dies der Fall, wird das Verfahren mit Schritt <410> fortgesetzt, ansonsten erfolgt eine erneute Berechnung für den nächsten Verbrennungszyklus gemäß Verfahrensschritt <420>.
Alternativ können auch andere Sensoren, insbesondere andere Sensoren in dem Luftversorgungssystem 20 für die Durchführung des Verfahrens genutzt werden. Ferner können andere Freigabebedingungen zur Durchführung des Verfahrens gewählt werden. Es ist zudem möglich, eine andere Abfolge der Rechenschritte zu wählen.
Gemäß einem weiteren Teilaspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der zurückgeführte Abgasmassenstrom ṁ_EGR mithilfe der ermittelten Abgasrückführungslaufzeit T_L-EGR berechnet wird. Die Gasmasse in einem Brennraum 12 setzt sich aus der Frischluftmasse M_L und der über die Abgasrückführung 60, 80 zurückgeführten Abgasrückführungsmasse M_EGR zusammen, wobei der Anteil R_EGR des zurückgeführten Abgases aus innerer Abgasrückführung, Hochdruck-Abgasrückführung und Niederdruck-Abgasrückführung bestehen kann. $R_{EGR} = M_{EGR} / M_{L} = M_{IEGR} + M_{HPEGR} + M_{LPEGR})$
Für die Gasströmung in einer Abgasrückführungsleitung 70, 88 mit dem Querschnitt A_EGR gilt in vereinfachter Form (unter Vernachlässigung der Reibung und sonstiger Strömungsverluste) $Q = V / T_{L} = v * A_{EGR}$
Für den Abgasmassenstrom ṁ_EGR ergibt sich somit ${\dot{m}}_{EGR} = ρ_{EG} * Q = ρ_{EG} * v * A_{EGR}$
Die Strömungsgeschwindigkeit v lässt sich auf der Laufzeit T_L für eine Strecke I einfach gemäß $v = I / T_{L}$
bestimmen.
Übertragen auf ein Abgasrückführungssystem 60, 80 kann der zurückgeführte Abgasmassenstrom ṁ_EGR durch folgende Gleichung ermittelt werden ${\dot{m}}_{EGR} = ρ_{EGR} * v_{EGR} * A_{EGR} = (ρ_{EGR} \cdot A_{EGR} \cdot I_{EGR}) / T_{L_EGR}$
wobei I_EGR den Abstand zwischen dem Abgasrückführungsventil und einem Sensor in dem Luftversorgungssystem 20 darstellt. Da ein Abgasrückführungssystem 60, 80 kein einfaches Rohr ist, sondern darüber hinaus einen Abgasrückführungskühler 66, 84, ein Abgasrückführungsventil 68, 86 und Rohrteile mit unterschiedlichen Querschnitten aufweisen kann, muss zur Berechnung des zurückgeführten Abgasmassenstroms ṁ_̇̇̇EGR ein effektiver Querschnitt zugrunde gelegt werden.
Ebenfalls ist die Dichte ρ_EGR schwer zu ermitteln, da diese von der Gaszusammensetzung, dem Gasdruck ρ_EGR und der Gastemperatur T_EGR abhängig ist.
Durch eine einfache Umformung lässt sich der zurückgeführte Abgasmassenstrom ṁ_EGR gemäß der folgenden Gleichung ${\dot{m}}_{EGR} = f_{M} (T_{EGR}, p_{EGR}) / T_{L-EGR}$
berechnen, wobei f_M (T_EGR, p_EGR) = ρ_EGR * A_EGR * I_EGR
Darin wird in f_M (T_EGR, p_EGR) eine Funktion oder ein Modell gesehen, in der/dem die Einflüsse von Druck p_EGR, Temperatur T_EGR, Zusammensetzung des zurückgeführten Abgases und Querschnitt A_EGR der Abgasrückführungsleitung 70, 88 zusammengefasst wird. Diese Funktion kann insbesondere experimentell ermittelt werden.
Aus Gleichung (6) ergibt sich eine einfache Beziehung, über welche sich der zurückgeführte Abgasmassenstrom ṁ_EGR aus der Laufzeit T_L-EGR bestimmen lässt. Diese Methode kann besonders gut bei einer Hochdruckabgasrückführung 60 angewendet werden. Die Bestimmung der Laufzeit T_L-EGR für das zurückgeführte Abgas kann insbesondere zwischen dem Hochdruckabgasrückführungsventil 68 und dem Ladedrucksensor 36 erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Einlass
18: Auslass
20: Luftversorgungssystem
22: Ansaugkanal
24: Luftfilter
26: Luftklappe
28: Verdichter
30: Ladeluftkühler
32: Drosselklappe
34: Drucksensor
36: Ladedrucksensor
38: Drucksensor
40: Abgasanlage
42: Abgaskanal
44: Turbine
46: Abgasturbolader
48: erster Katalysator / Vorkatalysator
50: Abgassensor
52: NOx-Sensor
54: zweiter Katalysator / Hauptkatalysator
56: weitere Abgasnachbehandlungskomponente
58: Partikelfilter
60: Hochdruckabgasrückführung
62: Verzweigung
64: Abgasrückführungsfilter
66: Abgasrückführungskühler
68: Abgasrückführungsventil
70: Hochdruckabgasrückführungsleitung
72: Einmündung
74: Einmündung
80: Niederdruckabgasrückführung
82: Verzweigung
84: Abgasrückführungskühler
86: Abgasrückführungsventil
88: Niederdruckabgasrückführungsleitung
90: Steuergerät
92: Rechner
94: Speicher
96: Testmustergenerator
98: Schieberegister
AEGR: Leitungsquerschnitt der Abgasrückführungsleitung
CCC: Kreuzkorrelationskoeffizient
DynK: dynamischer Korrekturfaktor
D1: Durchmesser der Hochdruckabgasrückführungsleitung
D2: Durchmesser der Niederdruckabgasrückführungsleitung
FK: Freigabekorrelation
K: Korrelation
L1: Länge der Hochdruckabgasrückführungsleitung
L2: Länge der Niederdruckabgasrückführungsleitung
PZS: Pseudo-Zufallssignal
T: Temperatur
TEGR: Temperatur des zurückgeführten Abgases
WMF: weitere Motorsteuerungsfunktion
ai: Ausgangssignal des weiteren Sensors
pi: Testmustersignal
pEGR: Druck in der Abgasrückführung
ρEGR: Dichte des Abgases in der Abgasrückführung
si: Steuersignal des Abgasrückführungsventils
ṁEG: Abgasmassenstrom
ṁEGR: Massenstrom des zurückgeführten Abgases
ṁL: Frischluftmassenstrom
MEGR: Abgasrückführungsmasse
ML: Frischluftmasse
MIEGR: Abgasrückführungsmasse aus innerer Abgasrückführung
MHPEGR: Abgasrückführungsmasse aus Hochdruck-Abgasrückführung
MLPEGR: Abgasrückführungsmasse aus Niederdruck-Abgasrückführung
Q: Wärmemenge
REGR: Anteil des zurückgeführten Abgasstroms
TL: Temperatur der Luft
V: Volumen
v: Strömungsgeschwindigkeit
IEGR: Länge der Abgasrückführungsleitung

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) einlassseitig mit einem Luftversorgungssystem (20) und auslassseitig mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei die Abgasanlage (40) über mindestens eine Abgasrückführung (60, 80) mit dem Luftversorgungssystem (20) verbunden ist, wobei in der Abgasrückführung (60, 80) ein Abgasrückführungsventil (68, 86) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte: • Erfassen des aktuellen Steuersignals (s_i) für das Abgasrückführungsventil (68, 86), • Beaufschlagung des Abgasrückführungsventils (68, 86) mit einem bekannten, charakteristischen Testmuster (p_i) • Vergleichen des aktuellen Steuersignals (s_i) mit einem Ausgangssignal (a_i) eines weiteren Sensors (34, 36, 38), • Ermitteln eines Kreuzkorrelationskoeffizienten (CCC) zwischen dem aktuellen Steuersignal (s_i) und dem Ausgangssignal (a_i) des weiteren Sensors (34, 36, 38), • Berechnen einer Laufzeit (t_L-EGR) für den zurückgeführten Abgasstrom aus dem Sensorsignal (s_i) und dem Kreuzkorrelationskoeffizienten (CCC).
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufzeit (t_L-EGR) des zurückgeführten Abgasstroms anhand einer Abgaslaufzeit (t_L-EGRS) vom Abgasrückführungsventil (68, 86) bis zu einem Sensor (34, 36, 38) im Luftversorgungssystem (20) ermittelt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangswert für die Kreuzkorrelation aus einer Summation der Werte für das aktuelle Steuersignal (s_i) und das Signal des Testmusters (p_i) gebildet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Testmusters (p_i) als Pseudo-Zufallssignal (PZS) mittels eines Testmustergenerators (96) erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor (K_D) für eine dynamische Korrektur der zu erwartenden Laufzeit für den zurückgeführten Abgasstrom berechnet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der berechneten Laufzeit (t_L-EGR) für das zurückgeführte Abgas ein Abgasmassenstrom (ṁ_EGR) berechnet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom (ṁ_EGR) als eine Funktion des Drucks (p_EGp), der Temperatur (T_ECR), des Leitungsquerschnitts (A_EGR) ermittelt wird.
Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) einlassseitig mit einem Luftversorgungssystem (20) und auslassseitig mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei die Abgasanlage (40) über mindestens eine Abgasrückführung (60, 80) mit dem Luftversorgungssystem (20) verbunden ist, wobei in der Abgasrückführung (60, 80) ein Abgasrückführungsventil (68, 86) angeordnet ist, sowie mit einem Motorsteuergerät (90), wobei das Motorsteuergerät (90) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät (90) ausgeführt wird.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) als mittels eines Abgasturboladers (46) aufgeladener Verbrennungsmotor (10) ausgeführt ist, wobei die Abgasrückführung (60, 80) als Hochdruckabgasrückführung (60) ausgebildet ist, welche den Abgaskanal (42) stromaufwärts einer Turbine (44) des Abgasturboladers (46) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromabwärts eines Verdichters (28) des Abgasturboladers (46) verbindet.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) als mittels eines Abgasturboladers (46) aufgeladener Verbrennungsmotor (10) ausgeführt ist, wobei die Abgasrückführung (60, 80) als Niederdruckabgasrückführung (80) ausgeführt ist, welche den Abgaskanal (42) stromabwärts einer Turbine (44) des Abgasturboladers (46) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromaufwärts eines Verdichters (28) des Abgasturboladers (46) verbindet.