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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Stellelementes
einer Abgasrückführeinrichtung
für eine
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Es
ist bekannt, zur Senkung von Verbrennungsspitzentemperaturen im
Brennraum einer Brennkraftmaschine aus dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine
eine Teilmenge des Abgases abzuzweigen und gemeinsam mit der Verbrennungsluft
diese über
eine Sauganlage der Brennkraftmaschine zuzuführen. Eine Verbindungsleitung
zwischen dem Abgasstrang und der Sauganlage weist ein ansteuerbares
Stellelement auf, mit dem der Öffnungsquerschnitt
der Verbindungsleitung über
elektrische Signale eingestellt, insbesondere vollständig geöffnet oder
geschlossen werden kann. Die Menge des rückgeführten Abgases wird durch das
Stellelement, z. B. durch ein Schaltventil abhängig von Motorlast und Motordrehzahl
eingestellt. Das Schaltventil kann dabei als elektromagnetisches
Ventil ausgeführt
sein. Durch Ansteuern des Schaltventils, vorzugsweise mittels eines
pulsweitenmodulierten Signals (PWM), ergibt sich ein vom Ansteuersignal
abhängiger Öffnungsquerschnitt,
der wiederum die Menge des der Verbrennungsluft zugeführten Abgases
bestimmt. Dieses Schaltventil kann durch einen mechanischen Defekt
wie auch immer geartet, geschlossen oder offen stecken bleiben.
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Bleibt
das Schaltventil in der geöffneten
Stellung stecken, so wird bei gedrosseltem Betrieb der Brennkraftmaschine
dem Verbrennungsprozess je nach Betriebspunkt eine zu hohe oder
zu geringe Abgasmasse zugeführt,
was zu Verbrennungsaussetzern und damit zu Abgasverschlechterungen und/oder
Beschädigungen
des in dem Abgasstrang angeordneten Abgaskatalysators führen kann.
Im Falle einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, Kompressor
oder einer ähnlichen
Vorrichtung zur Ansaugluftverdichtung wird beim Betrieb mit Saugrohrladedrücken über dem
Umgebungsdruck bzw. über
dem Abgasgegendruck über
das offen steckende Abgasrückführventil
unverbrannte Ansaugluft in die Abgasanlage eingeblasen. Dieses Einblasen wirkt
nun wie Sekundärluft
im Abgassystem. Das bedeutet, dass der bei der hohen Last der Brennkraftmaschine
ohnehin schon heiße
Abgaskatalysator durch eine exotherme Nachreaktion der unverbrannten
Luft auf der Katalysatoroberfläche
zusätzlich
sehr stark erhitzt wird, was im Extremfall zu Anschmelzungen der
Keramik und damit zur Zerstörung
des Keramikmonolithen des Abgaskatalysators führen kann.
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Aus
der
DE 37 43 309 A1 ist
ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung und Lockerung verklemmter
Stellelemente bekannt, wobei zur Erkennung eines verklemmten oder
festgefrorenen Stellelementes einer Brennkraftmaschine das Stellelement
im Falle einer Verklemmung losgerüttelt wird. Als Stellelement
ist dabei die Drosselklappe einer Brennkraftmaschine genannt. Um
ein Klemmen dieses Stellelementes zu Erkennen, wird die Differenz von
dem Istwert der Stellgröße für das Stellelement und
dem vorgegebenen Sollwert der Stellgröße verwendet. Sobald die Differenz
einen bestimmten Schwellenwert überschreitet,
wird ein Klemmen des Stellelementes angenommen. Wenn also beim Verstellen
des Stellelementes ein erhöhter
mechanischer Widerstand auftritt, insbesondere ein Verklemmen, wird
das Stellelement zu einer periodisch rüttelnden Bewegung veranlasst,
um den Widerstand zu überwinden.
Hierzu kann das Steuersignal in einem bestimmten Zeitraster ständig vergrößert oder verkleinert
werden, je nach Richtung der Abweichung zwischen Soll- und Istwert.
Alternativ hierzu kann die Frequenz des Steuersignales für eine bestimmte Zeitdauer
soweit reduziert werden, dass sie in der Nähe der Resonanzfrequenz des
Stellelementes liegt.
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In
der
DE 195 26 218
C1 ist eine Schaltungsvorrichtung zur Ansteuerung eines
Stellgliedes beschrieben, wobei zur Ansteuerung des Stellgliedes ein
pulsweitenmoduliertes Signal ver wendet wird. Die Abfolge des pulsweitenmodulierten
Signals ist von einem vorgegebenen Zeitraster festgelegt, wobei nach
einer vorgegebenen Anzahl von Standardpulsen ein Standardpuls ausgelassen
wird und ein Langpuls folgt, der doppelt so lange ist wie ein Standardpuls.
Auf diese Weise wird ein Klemmen des Stellsignals sicher verhindert.
Als Stellglied ist dabei eine Bypassklappe in einer Leitung beschrieben,
welche die Drosselklappe umgeht.
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Aus
der
DE 42 18 541 A1 ist
ein System zur Ansteuerung eines Stellelements in einem Kraftfahrzeug
mit einem pulsweitenmodulierten Signal bekannt. Um ein Klemmen des
Stellelements zu verhindern, wird die Frequenz des Signals nach
einer wählbaren
Zeitfolge zwischen wenigstens zwei Frequenzen, die beim Stellelement
Schwingungen unterschiedliche Amplituden hervorrufen, umgeschaltet. Sowohl
die Zeitfolge des Umschaltens, als auch die Frequenzen können entweder
frei gewählt
werden oder vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängig sein.
Als Stellelement ist ein Leerlaufsteller der Brennkraftmaschine
angegeben.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Stellelementes
einer Abgasrückführeinrichtung
für eine
Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem ein im offenen Zustand klemmendes Stellelement
erkannt und das Stellelement freigängig gemacht werden kann und
zugleich ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Verfügt das Stellelement über einen
Sensor für
eine Lagerückmeldung,
dann besteht die Möglichkeit,
eine Abweichung des von der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine
vorgegebenen Sollwertes zum aktuellen Istwert des Öffnungsquerschnitts
zu überwachen.
Statt die Abweichung des vorgegebenen Sollwertes zum aktuellen Istwert
des Öffnungsquerschnitts
zu Überwachen,
lässt sich
auch der Integriereranteil der Lageregelung dafür heranziehen. Wird durch die Überschreitung
festgelegter Schwellenwerte festgestellt, dass das Stellelement über eine bestimmte
Dauer im Zustand „Öffnung mit
bestimmtem Öffnungsquerschnitt" verharrt, obwohl
die Motorsteuerung über
die Lageregelung eine Ansteuerung des Stellelementes in den Zustand „geschlossen" vorgibt, werden
abhängig
vom verwendeten Motorenkonzept unterschiedliche Aktionen eingeleitet.
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Im
Falle einer Brennkraftmaschine ohne Abgasturbolader oder Kompressor
oder ähnlichem
zur Ansaugluftverdichtung, wird zur Ansteuerung des Stellelementes
die Lageregelung für
das Stellelement verlassen und eine Losbrechfunktion aktiviert. Diese
Losbrechfunktion soll ein Lösen
des im offenen Zustand steckenden Stellelementes bewirken, damit das
Stellelement anschließend
wieder geschlossen werden kann. Während der Losbrechfunktion
wird das Stellelement für
unterschiedliche Dauer mit wechselnden Tastverhältnissen angesteuert. Nachdem
die Losbrechfunktion durchlaufen ist, wird diese wieder abgeschaltet
und die Lageregelung erneut aktiviert. Gleichzeitig wird wieder
durch Vergleich der Istwerte mit den festgelegten Schwellenwerte überprüft, ob das
Stellelement wieder einwandfrei schließt oder immer noch im offenen
Zustand klemmt. Sollten diese Schwellenwerte wieder für eine bestimmte
Dauer überschritten
werden, so beginnt der Prozess von Neuem: Verlassen der Lageregelung
und Beginn der Losbrechfunktion usw.. Ggf. kann die Lageregelung
für das
Stellelement bei geschlossenem Stellelement gesperrt werden, wenn nach
der Losbrechfunktion im Lageregelungsbetrieb das Stellelement als
im Zustand „geschlossen" detektiert wird.
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Im
Falle einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, Kompressor oder ähnlicher
Vorrichtung zur Ansaugluftdichtung wird zusätzlich zum bereits geschilderten
Fall, während
das Stellelement als „offen
steckend" detektiert
wird, in der Mo torsteuerung eine Begrenzung der Last- und/oder Drehzahlerhöhung durchgeführt.
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Im
Falle einer Otto-Brennkraftmaschine, die mit Kraftstoffdirekteinspritzung
betrieben wird und die mit oder ohne Abgasturbolader, Kompressor
oder einer ähnlichen
Vorrichtung zur Ansaugluftverdichtung ausgestattet ist und die mit
beiden Betriebsarten Schichtlade- und Homogenbetrieb (und ggf. Magerbetrieb)
betreibbar ist, wird zusätzlich
zum ersten beschriebenen Fall, während
das Stellelement „als
offen steckend" detektiert
wird, in der Motorsteuerung eine Begrenzung der Last- und Drehzahlerhöhung durchgeführt. Dies
kann neben einer generellen Begrenzung auch sehr einfach durch einen
zwangsweise von der Motorsteuerung eingeleiteten Wechsel von Homogenbetrieb
in den Schichtladebetrieb oder zwangsweisen Verbleib im Schichtladebetrieb
realisiert werden. Sollte das Stellelement nach der Losbrechfunktion
im Lageregelungsbetrieb als im Zustand „geschlossen" detektiert werden,
so kann die Lageregelung für
das Stellelement gesperrt und der Zwangsschichtladebetrieb wieder
verlassen werden. Als sicherer Betriebszustand der Brennkraftmaschine
kann nun in der Motorsteuerung nur noch der Zwangshomogenbetrieb
(und ggf. Zwangsmagerbetrieb) zugelassen werden, allerdings ohne
Abgasrückführung. Eine
Sperrung der Ansteuerung des Stellelementes wird als sinnvoll erachtet,
wenn der Zustand „Ventil
offen steckend" jederzeit
wieder mit der Gefahr erheblicher Folgeschäden auftreten kann, d. h. das
Stellelement sollte in der Fahrzeugwerkstatt als defekt ausgetauscht
werden.
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Durch
die Überwachung
des aktuellen Istwertes des Öffnungsquerschnitts
im Vergleich zum vorgegebenen Sollwert lässt sich mit der Festlegung der
Schwellenwerte eine gute Erkennung des offen steckenden Stellelementes
erreichen. Die während der
Losbrechfunktion frei wählbaren
Ansteuerparameter des Stellelementes ermöglichen eine unterschiedliche
Wahl der Öffnungs-
und Schließdauer, unterschiedliche
Wahl der Öffnungs-
und Schließbestromung
(Tastverhältnis)
sowie die Wahl der Häufigkeit
der Öffnungs-
und Schließvorgänge. Eine
hohe Flexibilität,
um das Stellelement wieder frei zu bekommen, ist die Folge. Durch
den Wechsel zwischen Lageregelung und Losbrechfunktion ist eine Überprüfung des
Ergebnisses des Losbrechversuchs innerhalb kürzester Zeit möglich. Durch
die Einführung einer
Drehzahl- und/oder Lastbegrenzung in der Motorsteuerung im Falle
der Detektierung „offen
steckendes Stellelement" lässt sich
der Betrieb der Brennkraftmaschine mit Ladedruck im Saugrohr sicher
verhindern. Im Falle einer Otto-Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung
lässt sich durch
die Aktivierung des Zwangsschichtladebetriebes einfach ein Notlaufbetrieb
ohne Ladedruck realisieren. Grundsätzlich lässt sich bei einer Otto-Brennkraftmaschine
mit Kraftstoffeinspritzung mit oder ohne Aufladung durch den Zustand „Zwangsschichten" ein aussetzerfreier
Notlauf bei offen steckendem Stellelement darstellen. Nach erfolgreicher
Losbrechfunktion lässt
sich durch die Sperre der Lageregelung bei geschlossenem Stellelement
und der Einleitung des Zwangshomogenbetriebs (und ggf. Zwangsmagerbetriebs)
ein sicherer Motorbetrieb ohne Gefährdung des Abgaskatalysators
gewährleisten.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführeinrichtung,
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2 ein
Diagramm, welches den zeitlichen Verlauf des Ansteuersignals für das Stellelement zeigt,
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3 ein
Ablaufdiagramm für
das erfindungsgemäße Verfahrens
für eine
Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Ansaugluftverdichtung und
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4 ein
Ablaufdiagramm für
das erfindungsgemäße Verfahrens
für eine
Brennkraftmaschine, die mit den beiden Betriebsarten Schichtlade- und
Homogenbetrieb betreibbar ist.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine 4-zylindrige Brennkraftmaschine 1 mit
Benzin-Direkteinspritzung, die sowohl mit stöchiometrischem als auch mit
magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch betreibbar
ist. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind nur diejenigen Bestandteile der Brennkraftmaschine eingezeichnet,
die für
das Verständnis
der Erfindung notwendig sind, insbesondere ist der komplette Kraftstoffkreislauf
und die Abgasnachbehandlungsanlage weggelassen.
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Die
Verbrennungsluft für
die Zylinder der Brennkraftmaschine strömt über einen Luftmassenmesser 2,
eine Drosselklappe 3 und einen Ansaugkanal 4 in
eine Sauganlage 5. Die in dem Ansaugkanal 4 angeordnete
Drosselklappe 3 ist vorzugsweise als elektromotorisch angesteuertes
Drosselorgan (E-Gas-System) ausgebildet, dessen Öffnungsquerschnitt neben der
Betätigung
durch den Fahrer (Fahrpedalstellung) des mit der Brennkraftmaschine 1 ausgerüsteten Fahrzeuges
auch von einem Motorsteuergerät 6 über entsprechende
Steuersignale beeinflusst werden kann. Damit lassen sich beispielsweise
störende
Lastwechselreaktionen reduzieren. Darüber hinaus wird die Drosselklappe 3 vom
Motorsteuergerät 6 im
mageren Schichtladebetrieb vollständig geöffnet. Weiter sorgt das Steuergerät 6 durch
entsprechenden Eingriff an der Drosselklappe 3 für einen
weichen Übergang
von stöchiometrischem
zu magerem homogenem Betrieb und von dort zum Schichtladebetrieb.
Solche elektronischen Motorsteuergeräte, die in der Regel einen
oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten und die neben der Kraftstoffeinspritzung
und der Zündungsregelung noch
eine Vielzahl weiterer Steuer- und Regelaufgaben übernehmen,
sind an sich bekannt, so dass im folgenden nur auf den im Zusammmenhang
mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen
wird. Insbesondere legt das Steuergerät 6 betriebsabhängig fest,
ob die Brennkraftmaschine 1 stöchiometrisch, magerhomogen oder
geschichtet mager betrieben wird.
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Das
Motorsteuergerät 6 ist
mit einem Speicher 7 verbunden, in dem u.a. verschiedene
Schwellenwerte und Sollwerte gespeichert sind.
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Um
die speziell bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung
im Schichtladebetrieb auftretenden NOx-Emissionen zu verringern, ist eine Abgasrückführung vorgesehen.
Dabei wird durch Zumischen von Abgas zu der angesaugten Frischluft die
Temperatur der Verbrennung gesenkt, womit zugleich die NOx-Emissionen
reduziert werden. Deshalb ist vom Abgastrakt 8 der Brennkraftmaschine eine
Abgasrückführleitung 9 zum
Ansaugkanal 4 geführt,
die stromabwärts
der Drosselklappe 3 in diesen mündet. In die Abgasrückführleitung 9 ist
ein steuerbares Stellelement 10 geschaltet, das üblicherweise als
Abgasrückführventil
bezeichnet wird. Durch entsprechende Ansteuerung des Abgasrückführventils kann
die Menge an rückgeführtem Abgas
eingestellt werden. Hierzu ist das Stellelement 10 über eine nicht
näher bezeichnete
Leitung mit dem Motorsteuergerät 6 verbunden.
Zur Erfassung des Öffnungsquerschnittes
des Stellelementes 10 ist ein an sich bekannter Sensor 11 dem
Stellelement 10 zugeordnet. Er gibt ein dem Öffnungsquerschnitt
entsprechendes Signal über
eine nicht näher
bezeichnete Leitung an eine Einrichtung 12 zur Lageregelung
des Stellelementes ab. Diese Einrichtung 12 zur Lageregelung
ist vorzugsweise in das Motorsteuergerät 6 integriert.
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In 2 ist
der zeitliche Verlauf eines typischen Ansteuersignals zum Losrütteln eines
offen steckenden Stellelementes 10 dargestellt. Vom Zeitpunkt
t0 bis zum Zeitpunkt t1 ist die Lageregelung aktiv. Wird zum Zeitpunkt
t1 der Zustand „offen
steckendes Stellelement" festgestellt,
so wird die Lageregelung verlassen und eine sogenannte Losbrechfunktion
aktiviert. Das Stellelement 10 wird für unterschiedliche Dauer mit
wechselnden Tastverhältnissen
angesteuert. Zum Zeitpunkt t2 wird die Losbrechfunktion wieder abgeschaltet
und die Lageregelung wieder aktiviert.
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Ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens für
eine mit einer Einrichtung zur Ansaugluftverdichtung ausgestatteten
Brennkraftmaschine ist in 3 dargestellt.
Das Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt SO gestartet.
Zu Beginn des Verfahrens ist die Lageregelung des Stellelementes
aktiv (Verfahrensschritt S1) und es erfolgt ein Ist-/Sollwertvergleich
für den Öffnungswinkel
des Stellelementes (Verfahrensschritt S2). Den Istwert liefert der
Sensor 11 für
die Lageregelung des Stellelementes (Lagerückmeldung), der Sollwert wird
aus dem Speicher 7 des Motorsteuergerätes 6 ausgelesen.
In einem folgenden Verfahrensschritt S3 wird auf der Basis des Ergebnisses
des Vergleiches in Verfahrensschritt S2 entschieden, ob sich das
Stellelement in dem Zustand „steckt offen" befindet. Ist die
Abweichung zwischen Istwert und Sollwert kleiner als ein vorgegebener,
in dem Speicher 7 abgelegter Schwellenwert SW1, so wird das
Stellelement als in Ordnung eingestuft, eine etwaige noch vorhandene
Begrenzung einer Last-/oder Drehzahlerhöhung aufgehoben (Verfahrensschritt S4)
und zu Verfahrensschritt S2 zurückgesprungen und
der Vergleich wird wiederholt.
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Ist
die Abweichung gleich oder größer als
der Schwellenwert SW1, so wird das Stellelement im Verfahrensschritt
S3 als „steckend
offen" detektiert
und anschließend
in einem Verfahrensschritt S5 durch das Motorsteuergerät 6 eine
Begrenzung der Last-/ und oder Drehzahlerhöhung durchgeführt. In
einem folgenden Verfahrensschritt S6 wird nun zur Ansteuerung des
Stellelementes die Lageregelung für das Stellelement verlassen,
d.h. deaktiviert und die Losbrechfunktion für eine gewisse Zeit eingeschaltet. Die
Losbrechfunktion soll ein Lösen
des im offenen Zustandes steckenden Stellelementes bewirken, damit
das Stellelement wieder geschlossen werden kann. Während der
Dauer der Losbrechfunktion wird das Stellelement beispielsweise
für unterschiedliche Zeitdauer
mit einem wechselnden Tastverhältnis
bestromt. Nachdem die Losbrechfunktion durchlaufen ist (Zeitpunkt
t2 in 2), wird diese wieder verlassen, d.h. deaktiviert
(Verfahrensschritt S7) und das Verfahren wird wieder mit Verfahrensschritt
S1 fortgesetzt.
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Ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens für
eine Brennkraftmaschine, die mit Kraftstoff-Direkteinspritzung arbeitet
und die mit den Betriebsarten Schichtlade- und Homogenbetrieb und
gegebenenfalls Magerbetrieb betrieben werden kann und darüber hinaus
auch eine Einrichtung zur Aufladung aufweisen kann, ist in 4 dargestellt.
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Das
Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt S0 gestartet. Zu
Beginn des Verfahrens ist die Lageregelung des Stellelementes aktiv
(Verfahrensschritt S8) und es erfolgt ein Ist-/Sollwertvergleich
für den Öffnungswinkel
des Stellelementes (Verfahrensschritt S9). Den Istwert liefert der
Sensor 11 für
die Lageregelung des Stellelementes (Lagerückmeldung), der Sollwert wird
aus dem Speicher 7 des Motorsteuergerätes 6 ausgelesen.
In einem folgenden Verfahrensschritt S10 wird auf der Basis des Ergebnisses
des Vergleiches in Verfahrensschritt S9 entschieden, ob sich das
Stellelement in dem Zustand „steckt
offen" befindet.
Ist die Abweichung zwischen Istwert und Sollwert kleiner als ein
vorgegebener, in dem Speicher 7 abgelegter Schwellenwert SW1,
so wird das Stellelement als in Ordnung eingestuft und zu Verfahrensschritt
S9 verzweigt und der Vergleich wird wiederholt.
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Ist
die Abweichung gleich oder größer als
der Schwellenwert SW1, so wird das Stellelement im Verfahrensschritt
S10 als „steckend
offen" detektiert
und anschließend
in einem Verfahrensschritt S11 durch das Motorsteuergerät 6 eine
Begrenzung der Last-/ und oder Drehzahlerhöhung durchgeführt. Dies
kann neben einer generellen Begrenzung sehr einfach durch einen
zwangsweise eingeleiteten Wechsel in der Motorsteuerung von Homogenbetrieb
in den Schichtladebetrieb oder zwangsweisen Verbleib im Schichtladebetrieb
realisiert werden. In einem folgenden Verfahrensschritt S12 wird
nun zur Ansteuerung des Stellelementes die Lageregelung für das Stellelement
verlas sen, d.h. deaktiviert und die Losbrechfunktion für eine gewisse
Zeit eingeschaltet. Die Losbrechfunktion soll ein Lösen des
im offenen Zustandes steckenden Stellelementes bewirken, damit das Stellelement
wieder geschlossen werden kann. Während der Dauer der Losbrechfunktion
wird das Stellelement beispielsweise für unterschiedliche Zeitdauer mit
einem wechselnden Tastverhältnis
bestromt. Nachdem die Losbrechfunktion durchlaufen ist (Zeitpunkt
t2 in 2), wird diese wieder verlassen, d.h. deaktiviert
und die Lageregelung wieder eingeschaltet (Verfahrensschritt S13).
Anschließend
wird wieder nach bekanntem Muster (siehe oben) überprüft, ob sich das Stellelement
noch im Zustand „steckt
offen" befindet
Verfahrensschritt S14). Ist dies der Fall, so wird zum Verfahrensschritt
S11 verzweigt, anderenfalls zum Verfahrensschritt S15. Dort wird
der Schichtladebetrieb verboten und die Lageregelung gesperrt.