DE19628852C2

DE19628852C2 - Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszündmotor und Verfahren zur Steuerung von Abgasrezirkulation in einem Kompressionszündmotor

Info

Publication number: DE19628852C2
Application number: DE19628852A
Authority: DE
Inventors: Gerhard O Klopp
Original assignee: Alternative Fuel Systems Inc
Current assignee: Alternative Fuel Systems Inc
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2016-07-18
Also published as: CA2154011C; AU6296096A; CZ79197A3; HUP9800238A2; PL319254A1; WO1997004229A1; CA2154011A1; DE19628852A1; GB9611444D0; US5520161A; BR9606568A; GB2303468A; KR970006816A; GB2303468B; KR100199675B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasre zirkulation für einen Kompressionszündungsmotor, dargelegt im einteiligen Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation, dargelegt im einteiligen Patentanspruch 13.

In den späten 1950igern wurde festgestellt, daß Abgas emissionen von Verbrennungsmotoren einen erheblichen Bei trag zu photochemischem Rauch oder Qualm und Smog geleistet haben, der industrialisierte Städte auf der ganzen Welt umgeben bzw. "eingenebelt" hat. Die Schäden an der Gesundheit von Menschen, am Tierleben und der Um welt im allgemeinen infolge der Effekte von Abgasemissio nen wurden studiert und gründlich dokumentiert. Um Smogniveaus zu reduzieren, haben Regierungen Gesetze zur Kontrolle von Verschmutzungsemissionen an ihren Quellen erlassen, und zwar einschließlich von Abgasemissionen aus Verbrennungsmotoren.

In den frühen 1960igern haben Hersteller von funkengezün deten Benzinmotoren (Otto-Motoren) die ersten rudimentären Verschmutzungsbekämpfungsvorrichtungen installiert, von denen noch heute einige in Gebrauch sind. Mit der Ausbreitung des Gebrauchs von Autos über die Jahre hinweg, ist die Gesetzgebung der Regierung bezüglich der Abgasemissionsniveaus von Otto-Motoren strenger geworden und die Fahrzeughersteller haben mit komplizier terer Ausrüstung an ihren Motoren reagiert bzw. geantwor tet, um die schärferen bzw. strikteren Regulationen zu erfüllen. Während die Abgasemissionen von Otto-Motoren strikt reguliert wurden, haben die Regierungen im großen und ganzen Kompressionszündmotoren (Dieselmotoren) ignoriert, da diese Motoren eine größere Brennstoffeffi zienz sowie relativ geringere Emissionsniveaus als Otto- Motoren aufweisen und zwar ohne Verschmutzungs steuerausrüstung. Ein weiterer Faktor war wahrscheinlich die viel kleinere Anzahl von Dieselmotoren im Vergleich zu der Anzahl von Otto-Motoren, die zur gleichen Zeit verwendet wurden.

Während über die Forschung mehr über die Auswirkungen von durch Abgasemissionen bewirkte Umweltverschmutzung herausgefunden wurde, haben Regierungen striktere Kontrollen über einen breiteren Bereich solcher Emissio nen erlassen. In den frühen 1980igern wurden selbst Dieselfahrzeugemissionen eingehend geprüft und Hersteller von Dieselmotoren wurden dazu gezwungen, den Herstellern von Otto-Motor-Fahrzeugen zu folgen, die unterschiedli che, immer komplexer werdende Strategien und Vorrichtun gen verwendeten, um mehrfach auf die gesetzliche Regelung von akzeptablen Abgasemissionsniveaus anzusprechen.

Mitte der 1970iger haben Hersteller für Otto-Motoren eine Strategie entwickelt zum Rezirkulieren eines Teils des Abgases zurück in die Ansaugsammelleitung, um den rezirkulierten Teil des Abgases Verbrennungsbedingungen auszusetzen, um Stickoxi demissionen (NO_X) Kohlenmonoxidemissionen (CO) und die gesamten Kohlenwasserstoffemissionen (HC) zu kontrollie ren.

Abgasrezirkulation (EGR) durch Einführen von Gasen aus dem Abgas in den Verbrennungszyklus bewirkt geringere Verbrennungskammertemperaturen und verhindert somit die Bildung von NO_X und fördert ferner die Oxidation von ei nigen der zuvor nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe. Die Rezirkulationssteuerung von Abgasen wird durch EGR- Ventile durchgeführt, die weit verbreitet bei Otto- Motoren verwendet werden und zu einem viel geringe ren Ausmaß bei Dieselmotoren.

Bis zu den frühen 1990igern wurden EGR-Ventile pneuma tisch betätigt und gesteuert und sie waren daher nicht geeignet für eine präzise Überwachung oder ein rasches Ansprechen auf variierende Motordrehzahlen und Belastun gen. Das pneumatische Betätigungs- und Steuerverfahren induziert auch Ungenauigkeiten bezüglich der Ventilposi tionierung und Verzögerungen in der Ansprechzeit infolge von sich verändernden Barometerdrücken in der Umgebungs atmosphäre. In den frühen 1990igern wurden EGR-Ventile für Otto-Motoren eingeführt, die auf Mikroprozessor basierenden Motorsteuerungen unter Verwendung von elektrischen Betätigermotoren gesteuert wurden.

Ein System zur Steuerung der Menge rezirkulierten Abgases für einen Dieselmotor ist bekannt und beschrie ben in der US 4 562 821 vom 7. Januar 1986 von Ikeda. Bei diesem System fühlt eine elektronische Steuerung die Motordrehzahl, den Ansaugsammelleitungs druck, die Brennstoffrate, die Motorkühlmitteltemperatur und die Verbrennungsflammenhelligkeit ab, um die Abgasre zirkulation bei einem Dieselmotor zu steuern. Dieses Sy stem hat zwei Hauptprobleme. Zunächst ist ein teures Ver brennungsflammenhelligkeitsdetektiersystem für die Strategie notwendig. Die Sensoren können nicht leicht in existierenden Motoren nachgerüstet werden, da eine spezielle Anpassung des Motors notwendig ist. Ferner ver läßt sich das System auf ein vakuumbetätigtes EGR-Ventil, das wie oben schon bemerkt, langsam auf sich rasch verändernde Motorbetriebsbedingungen anspricht.

Ein weiterer Versuch, die Dieselmotoremission zu reduzie ren, war die Entwicklung von dualen Brennstoff- und Multibrennstoffsystemen zum Ersetzen eines Teils des Dieselbrennstoffs, der normalerweise in kompressionsgezünde ten Motoren verbrannt wird mit einem leichteren, reiner verbrennenden gasförmigen Brennstoff wie z. B. Erdgas. Ex tensive Forschung hat gezeigt, daß die EGR-Kompatibilität mit Dual/Multibrennstoffmotoren recht unterschiedlich von Otto-Zyklus-Motoren ist. Bei Dual/Multibrennstoffmotoren kann sich die optimale EGR zwischen 0% und mehr als 50% verändern und Sammelleitungsdruckdifferentiale sind recht gering. Es wurde daher deutlich, daß ein Otto-Motor EGR-System und eine solche Strategie ungeeignet sind für Kompressionszündungsmotoren im allgemeinen und insbeson dere ungeeignet für Du al/Multibrennstoffkompressionszündungsmotoren.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein EGR-System für Kompressionszündungsmotoren vorzusehen, das eine akkurate Echtzeitsteuerung der zum Motor rezirkulierten Abgas menge erlaubt, und weiterhin in der Lage ist, an bestehenden Kompres sionszündungsmotoren nachgerüstet zu werden, und desweiteren in der Lage ist, als Originalausrü stung an einem Kompressionszündungsmotor angeschlossen zu werden ohne die Motorarchitektur umzubauen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des einteiligen Patentanspruchs 1 gelöst, soweit sie nicht im vorstehenden Text der Beschreibungseinleitung als bekannt herausgestellt sind, durch ein Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszündungs motor, das folgendes aufweist:
einen ersten Drucksensor zum Abfühlen eines absoluten Gasdrucks in einer Ansaugsammelleitung des Motors;
einen zweiten Drucksensor zum Abfühlen eines absoluten Gasdrucks in einer Abgassammelleitung des Motors;
einen Motordrehzahlsensor zum Detektieren einer Drehge schwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors;
einen Brennstoffratensensor zum Detektieren einer Brenntstoffrate für den Motor;
einen Luftladetemperatursensor zum Detektieren einer Tem peratur der Ansaugluft in der Ansaugsammelleitung des Mo tors;
eine Leitung zum Vorsehen eines Strömungsmitteldurchlas ses zwischen der Abgassammelleitung und der Ansaugsammel leitung und ein Abgasrezirkulationsventil, das in der Leitung angeordnet ist zum Regulieren einer Abgasströmung aus der Abgassammelleitung zu der Ansaugsammelleitung;
Mittel zum Steuern des Abgasrezirkulationsventils, so daß die Abgasströmung durch die Leitung von der Abgassammel leitung zu der Ansaugsammelleitung reguliert ist; und
eine elektronische Steuerung zum Empfangen von Signalen von den ersten und zweiten Drucksensoren, dem Motordreh zahlsensor, dem Brennstoffratensensor und dem Luftlade temperatursensor, zum Berechnen eines optimalen Verhält nisses des Abgases zur Ansaugluft basierend auf den empfangenen Signalen, zum Ableiten einer Ventilposition, die erlaubt, daß das optimale Verhältnis von Abgas zu An saugluft durch die Leitung zur Ansaugsammelleitung strömt, und zum Betätigen der Mittel zum Steuern des Ab gasrezirkulationsventils zum Positionieren des Ventils an der abgeleiteten Ventilposition, um zu erlauben, daß das optimale Verhältnis des Abgases zur Ansaugluft durch die Leitung von der Abgassammelleitung zur Ansaugsammellei tung strömt.

Die Aufgabe wird desweiteren gelöst durch die Merkmale des einteiligen Patentanspruchs 13 und zwar durch ein Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in einem Kompressionszündungsmotor, bei dem anstelle der direkten Steuerung des prozentualen Anteils an rückgeführtem Abgas (%EGR) das Verfahren die Massenströmungsrate der Luft als eine Funktion der Motordrehzahl und Brenn stoffrate als Grundsteuervariable verwendet und annimmt, daß die Massenströmungsrate der Luft ungefähr konstant sein sollte für eine gegebene Motordreh zahl/Motorbelastungskombination und wobei das Verfahren EGR verwendet, um die Massenströmungsrate der Luft bei variierenden Einlaß- und Auslaßtemperaturen und Drücken beizubehalten. Insbesondere ist ein Verfahren vorgesehen zum Steuern der Abgasrezirkulation in einem Kompressions zündungsmotor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Abfühlen einer Brennstoffrate für den Motor;
b) Abfühlen einer Drehzahl des Motors;
c) Abfühlen eines absoluten Drucks in der Abgassammellei tung und des absoluten Drucks der Ansaugssammelleitung des Motors und Berechnen eines Druckabfalls zwischen der Abgassammelleitung und der Ansaugsammelleitung;
d) Bestimmen einer volumetrischen Effizienz der Gasströ mung durch den Motor als eine Funktion der Drehzahl und des Druckabfalls;
e) Bestimmen eines Prozentsatzes an rückgeführtem Abgas (%EGR) als eine Funktion der Drehzahl und der Brennstoffrate für den Motor;
f) Bestimmen einer Temperatur von Gasen in der Abgassam melleitung als eine Funktion der Drehzahl und der Brennstoffrate für den Motor;
g) Abfühlen einer Ansauglufttemperatur von in die Ansaugsammelleitung angesaugter Luft;
h) Berechnen einer Strömungsmitteldichte der Abgase basierend auf dem absoluten Druck in der Abgassammellei tung, einem Molekulargewicht der Abgase und der Tempera tur des Abgases;
i) Berechnen einer volumetrischen Strömung von Abgas durch das EGR-Ventil;
j) Ableiten einer Variablen basierend auf der volumetri schen Strömung von Abgas durch das EGR-Ventil, der Strömungsmitteldichte des Abgases und dem Druckabfall, um eine benötigte EGR-Ventilposition zu bestimmen; und
k) Bewegen des EGR-Ventils zu der benötigten Position.

Die vorliegende Erfindung sieht daher ein relativ einfaches, elektronisch gesteuertes Rezirkulationssystem für Kompressionszündungsmotoren vor, das im Handel erhältliche Standardbauteile verwendet zum Vorsehen einer kostengünstigen Verschmutzungsbekämpfungsvorrichtung, die an einem bestehenden Kompressionszündungsmotors nachgerü stet werden kann oder als Originalausrüstung an neuen Mo toren vorgesehen werden kann. Das System umfaßt eine elektronische Motorsteuerung, einen Absolutdrucksensor für die Motoransaugsammelleitung, einen Absolutdrucksen sor für die Motorabgassammelleitung, einen Brennstoffra tensensor, einen Motordrehzahlsensor und einen Luftlade temperatursensor. Die Rezirkulation von Abgas wird gesteuert durch ein elektronisch betätigtes EGR-Ventil, das vorzugsweise ein Drossel- oder Drehklappenventil mit einem Ventilpositionssensor ist. Die Position des Ventils wird vorzugsweise gesteuert durch einen elektronischen Schrittmotor, um ein akkurates rasches Ansprechen auf sich verändernde Motorbelastungen und Betriebsbedingungen sicherzustellen.

Wie oben bemerkt, sieht die Erfindung auch ein neues Ver fahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in Kompressi onszündungsmotoren vor, bei dem der optimale prozentuale Anteil an rückgeführtem Abgas (%EGR) empirisch abgeleitet wird unter kontrollierten Testbedin gungen, so daß ein Ausgleich zwischen maximaler thermi scher Effizienz und minimalen Verschmutzungsemissionen erreicht wird. Die Massenströmungsrate durch den Motor wird dann berechnet unter Verwendung der Definition des prozentualen Anteils an rückgeführtem Abgas (%EGR) und einer Luftdichte, die Variationen in der Umgebungslufttemperatur und dem barometrischen Druck kom pensiert. Die Massenströmungsrate wird verwendet zum Be rechnen der Strömung von EGR durch das EGR-Ventil, so daß die Ventilposition eingestellt werden kann, um den optimalen Prozentsatz an rückgeführtem Abgas (%EGR) zu erreichen. Die geeignete Ventilposition wird abgeleitet unter Verwendung einer Funktion, die eine dimensionslose Zahl ergibt, und zwar aus der volumetrischen Strömung von Abgas durch das EGR-Ventil, die Dichte des Abgases und den Druckabfall von der Abgassammellei tung zu der Ansaugsammelleitung. Die dimensionslose Zahl wird dann verwendet, um die geeignete Ventilposition dann in einer zweidimensionalen Tabelle zu orten bzw. zu erfassen. Das Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulati on verläßt sich auf die folgenden Annahmen:

1. sowohl die Luft als auch das Abgas benehmen sich wie ein ideales Gas in den Temperatur/Druckbereichen, die beim Motorbetrieb angetroffen werden;
2. die Abgastemperatur für einen spezifizierten Motor drehzahl/Lastzustand verändert sich vernachlässigbar mit Veränderungen der Ansauglufttemperatur oder dem barome trischen Druck;
3. die volumetrische Effizienz ist nur eine Funktion der Motordrehzahl und der Druckdifferenz zwischen den Ansaug- und Abgassammelleitungen;
4. die Abgaszusammensetzung wird adequat repräsentiert durch O₂, N₂, CO₂ und H₂O zum Berechnen der Abgaseigen schaften, da die Konzentrationen alle anderen Abgasbe standteile vernachlässigbar sind; und
5. für Multibrennstoffmotoren ist der Einfluß von gasförmigen Brennstoff auf die Molarmasse der gemischten Luft und des Abgases in der Ansaugsammelleitung vernach lässigbar

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Kompressions zündungsmotors, der mit einem Abgasrezirkulati onssystem gemäß der Erfindung ausgerüstet ist,

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines EGR-Ventils zur Verwendung in einem Abgasrezirkulationssystem für einen in Fig. 1 gezeigten Kompressionszündungsmotor,

Fig. 3 ein Logikdiagramm des Verfahrens zum Steuern der Abgasrezirkulation in einem Kompressions zündungsmotor gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Tabelle zur Bestimmung der volumetrischen Effizienz als eine Funktion der Motordrehzahl und des Druckabfalls zwischen der Abgassammel leitung und der Ansaugsammelleitung eines Kom pressionszündungsmotors,

Fig. 5 eine Tabelle zur Bestimmung des prozentualen Anteils an rückgeführtem Abgas (%EGR) als eine Funktion der Motordrehzahl und der Brennstoff rate für einen Kompressionszündungsmotor,

Fig. 6 eine Tabelle zur Bestimmung der Abgastemperatur als eine Funktion der Motordrehzahl und der Brennstoffrate in einem Kompressionszündungsmo tor,

Fig. 7 eine Tabelle zur Bestimmung einer EGR-Ventilpo sition als eine Funktion der Abgasströmung, der Abgasdichte und des Druckabfalls zwischen der Abgassammelleitung und der Ansaugsammelleitung eines Kompressionszündungsmotors und

Fig. 8 eine Tabelle zur Bestimmung einer EGR-Ventilpo sition als eine Funktion der elektronischen Mo torsteuerungstaktzählungen basierend auf der Ausgangsgröße eines Potentiometers zur Überwa chung der EGR-Ventilposition.

Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung kann anhand eines physikalischen Layouts und Hardware- Komponenten, Steuerlogik und Berechnungsvorgängen beschrieben werden. Um ein vollständiges Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, ist die detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels demgemäß organisiert.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Kompressi onszündungsmotors 20, der mit einem Abgasrezirkulations system gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Der Kompres sionszündungsmotor 20 kann ein Dieselmotor oder ein Multibrennstoffmotor sein, wie z. B. ein Die sel/Erdgasmotor, dessen Konstruktion bzw. Aufbau in der Technik bekannt ist und demgemäß hier nicht beschrieben wird. Der Kompressionszündungsmotor 20 ist ausgerüstet mit einer Ansaugsammelleitung 22 zum Liefern von Verbren nungsluft an die Motorzylinder (nicht dargestellt) und mit einer Abgassammelleitung 24 zum Ausstoßen von Verbrennungsgas aus den Zylindern des Kompressionsmotors 20. Das Abgasrezirkulationssystem (nachfolgend als ein EGR-System bezeichnet) wird durch eine elektronische Steuerung 26 gesteuert. Die elektronische Steuerung 26 kann eine elektronische Motorsteuerung zum Steuern anderer Tätigkeiten des Kompressionszündungsmotors 20 so wie zum Steuern des EGR-Systems sein oder es kann eine elektronische Steuerung sein, die der Funktion der Steuerung des EGR-Systems der Erfindung zugeordnet ist. Die elektronische Steuerung 26 ist irgendeine aus einer Anzahl von zugeordneten Prozessoren, die für Motorsteuer systeme im Handel erhältlich sind.

Eine Primärfunktion der elektronischen Motorsteuerung ist die Steuerung der Position eines EGR-Ventils 28, das in nerhalb einer Abgasrezirkulationsleitung 20 angeordnet ist, die die Abgassammelleitung 24 und die Ansaugsammel leitung 22 miteinander verbindet. Das EGR-Ventil 28 wird in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Das EGR-Ventil 28 umfaßt eine Steuerverbin dung 36, die mit einer Motorverbindung 34 verbunden ist, die schwenkbar mit einem elektrischen Schrittmotor 32 verbunden ist, der die Drehposition des EGR-Ventils 28 steuert. Um eine effektive und optimale Steuerung des EGR-Ventils 28 vorzusehen, sind eine Anzahl von Sensoren notwendig zur Überwachung der Betriebsbedingungen des Kompressionzündungsmotors 20. Diese Sensoren umfassen ei nen Absolutdrucksensor 38 für die Ansaugsammelleitung, der in der Ansaugsammelleitung angeordnet ist, und einen Absolutdrucksensor 40 für die Abgassammelleitung, der in der Abgassammelleitung 24 angeordnet ist. Wenn der Kompressionszündungsmotor 20 ein Multibrennstoffmotor ist, kann das System einen Brennstoffbetriebsartauswähl schalter 42 aufweisen zum Schalten des Motors von dem reinen Dieselbetrieb zu einem Multibrennstoffbetrieb bzw. einer Multibrennstoffbetriebsart wie z. B. zu einer Diesel/Erdgasbrennstoffkombination. Das System umfaßt auch einen Brennstoffratensensor 44, der typischerweise ein Potentiometer mit einer hohen Auflösung ist, der die Position eines Brennstoffpedals bzw. Gaspedals oder irgendeines äquivalenten Elements wie z. B. einen Drossel positionssensor überwacht. Der Motor ist auch mit einem Motordrehzahlsensor 46 ausgerüstet (nachfolgend als RPM- Sensor 46 bezeichnet) zur Bestimmung der Drehzahl der Mo torkurbelwelle. Der RPM-Sensor 46 ist vorzugsweise ein Hall-Geber (Hall Effect Sensor), der befestigt werden kann an der Die selbrennstoffeinspritzpumpe des Kompressionszündungsmo tors 20, einem Schwungrad oder einem Ausgangsende der Kurbelwelle und zwar je nach Wunsch. Die Anordnung des RPM-Sensors 46 ist nicht wichtig, solange er eine verläßliche Anzeige der Drehzahl der Motorkurbelwelle vorsieht. Das System umfaßt auch einen Luftladetempera tursensor 48, der die Temperatur der in die Ansaugsammel leitung 22 angesaugten Verbrennungsluft mißt. Das Abgassystem des Kompressionszündungsmotors 20 ist auch typischerweise mit einem Katalysator 52 ausgerüstet, aber der Katalysator ist nur ein Zusatz zu dem Abgasrezirkula tionssystem gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Seitenaufrißansicht eines Teilquer schnitts durch einen bevorzugten Aufbau des EGR-Ventils 28 zur Verwendung in dem Abgasrezirkulationssystem gemäß der Erfindung. Das EGR-Ventil 28 umfaßt einen Mittel durchlaß 54 mit einem Durchmesser, der vorzugsweise gleich oder größer als der Durchmesser der Abgasrezirku lationsleitung 30 (siehe Fig. 1) ist. Der Mitteldurchlaß 54 kann durch ein Drossel- bzw. Drehklappenventil 56 ge schlossen werden, das drehmäßig durch einen Ventilschaft 58 positioniert ist, der mit seinem unteren Ende mit der EGR-Ventilverbindung 34 verbunden ist und dessen oberes Ende mit einem Potentiometer 60 mit einer hohen Auflösung in der Automobilindustrie bekannten Typs ist. Der Potentiometer 60 mit hoher Auflösung wird verwendet zur Bestimmung einer Drehposition des Drossel- bzw. Drehklap penventils 56 und zwar auf eine Art und Weise, die nachfolgend im Detail beschrieben wird. Das EGR-Ventil 28 ist vorzugsweise ein elektronisch gesteuertes Drossel- bzw. Drehklappenventil, da dieser Aufbau ein präzises ra sches Steueransprechverhalten auf sich verändernde Verbrennungsbedingungen in dem Kompressionszündungsmotor 20 vorsieht, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird.

Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm der allgemeinen Steuerlo gik, die durch die elektronische Motorsteuerung 26 durchgeführt wird zum Steuern der Position des EGR- Ventils 28, um dadurch die Abgasmenge zu steuern, die von der Abgassammelleitung 24 zu der Ansaugsammelleitung 22 rezirkuliert wird. Die Steuerung führt eine Programm schleife durch, die mit der Bestimmung einer angeforder ten Brennstoffrate von dem Brennstoffratensensor 44 beginnt und mit der Orientierung des Drossel- bzw. Drehklappenventils 56 des EGR-Ventils 28 zu einer benötigten Orientierung endet, und zwar zum Vorsehen einer optimalen Abgasrezirkulation zu der Ansaugsammellei tung 22. Die Steuerlogik wird nachfolgend im Detail beschrieben.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, beginnt der Vorgang mit einem Schritt 62, in dem eine angeforderte Brennstoffrate für den Kompressionszündungsmotor 20 bestimmt wird durch Ana lysieren von Eingangssignalen von dem Brennstoffraten sensor 44.

In Schritt 64 berechnet die elektronische Steuerung 26 die Motordrehzahl durch Analysieren von Ausgangssignalen von einem RPM-Sensor 46 vorzugsweise einem Hall-Geber (nicht dargestellt), der an einer Dieselbrennstof feinspritzpumpe des Motors (nicht dargestellt) angebracht ist, die bei halber Motordrehzahl für einen vierhübigen Motor läuft. Im Schritt 66 liest die elektronische Steuerung 26 die Eingangssignale von dem Absolutdrucksen sor 40, der Abgassammelleitung und dem Absolutdrucksensor 38 der Ansaugsammelleitung ab und berechnet einen Druckabfall (ΔP) gemäß der folgenden Formel:

ΔP = Absolutdruck der Abgassammelleitung (kPa) - Absolutdruck der Sammelleitung (kPa)

Im Schritt 68 werden die Ergebnisse der Schritte 62-66 verwendet zur Bestimmung der volumetrischen Effizienz der %EGR und der Abgastemperatur aus Datentabellen, die empirisch abgeleitet wurden aus Motortests, unter Verwendung eines Kompressionszündungsmotors, der mit ei nem in der Technik bekannten Kraftmesser bzw. Dynamometer überwacht wurde.

Fig. 4 zeigt die Struktur einer Tabelle, die verwendet wird zum Herausziehen der volumetrischen Effizienz des Motors als eine Funktion der Motordrehzahl und des Druckabfalls (ΔP). Die Tabelle gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in Reihen oder Zeilen von zugeordneten Werten von ΔP und Spalten von demgemäß zugeordneten Werten für RPM angeordnet. Die jeweilig zu geordneten Werte jeder Zeile und jeder Spalte in Fig. 4 können schrittweise, sie müssen aber nicht notwendiger weise in gleichmäßigen Schritten ausgedrückt sein. Die zugeordneten Werte hängen ab von dem besonderen Motormo dell, das mit dem EGR ausgerüstet werden soll und kann um bestimmte Motordrehzahlen herum geballt sein für eine feinere Auflösung und eine bessere Steuerung in einen be stimmten Betriebsdrehzahlbereich, um einen bestimmten Emissionsstandard zu erfüllen. Es sei auch bemerkt, daß die Größe der in Fig. 4 gezeigten Tabelle nur ein Beispiel ist und daß die tatsächliche Größe der benötig ten Tabelle durch die zu erreichenden Leistungscharakte ristika bestimmt wird. Die Daten in Fig. 4 werden empirisch abgeleitet basierend auf einer mathematischen Definition der volumetrischen Effizienz des Motors, die durch die folgende Formel gegeben ist:

wobei η_vol die volumetrische Effizienz des Motors ist, Q_tot die gesamte volumetrische Strömung durch die Ansaugsammelleitung in Liter pro Sekunde ist, RPM die Kurbelwellendrehzahl des Motors ist und V_disp das Motorverdrängungsvolumen in Litern ist. Da es nur einen Ansaughub für alle zwei Kurbelwellenumdrehungen in einem Vierzykluskompressionszündungsmotor gibt, wird die Anzahl der Ansaughübe durch zwei geteilt.

Mit dieser Definition und der Tatsache, daß die gemischte Temperatur von Luft, Abgas und gasförmigen Brennstoffen in einem Multibrennstoffmotor nicht genau gemessen werden kann, werden die Daten, die verwendet werden zum Vervoll ständigen der in Fig. 4 gezeigten Tabelle vorzugsweise aus einem Motorbetrieb in dem (nur) Dieselbetriebsart ohne EGR herrscht erhalten. Wenn der Motor nur im Dieselbe trieb auf einem Teststand arbeitet, gilt Q_tot = Q_air und Q_air wird mit einem Gasströmungsmesser gemessen. RPM wird gemessen und die Gleichung wird für η_vol aufgelöst, um die volumetrische Effizienz für jede Zelle in Fig. 4 zu erhalten.

Der prozentuale Anteil an rückgeführtem Abgas (%EGR) wird abgeleitet aus der in Fig. 5 gezeigten Ta belle, wobei der prozentuale Anteil (%EGR) ausgedrückt wird als eine Funktion der Motordrehzahl und der Brennstoffrate. Die Daten in dieser Tabelle werden in gleicher Weise vorzugsweise em pirisch abgeleitet von einem Dynamometertest eines Testmotors und zwar basierend auf der mathematischen De finition des prozentualen Anteils (%EGR), der durch die folgende Formel aus gedrückt ist:

wobei Q_air die volumetrische Strömung von Luft in den Mo tor bei einer gegebenen Lufttemperatur und gegebenem An saugsammelleitungsdruck ist, Q_gas die volumetrische Strömung von gasförmigen Brennstoff in den Motor ist, wenn der Kompressionszündungsmotor 20 ein Multibrenn stoffmotor ist, und Q_tot die gesamte volumetrische Strömung durch die Ansaugsammelleitung ist.

Wenn der Motor auf einem Teststand läuft, ist das EGR- Ventil 28 so positioniert, daß ein Ausgleich zwischen der maximalen thermischen Effizienz und minimalen Verschmutz ungsemissionen erreicht wird. Q_gas kann bestimmt werden aus der angeforderten Brennstoffrate, Q_tot ist bekannt und kann aus Fig. 4 abgeleitet werden und Q_air kann gemessen werden unter Verwendung eines Gasströmungsmes sers. Die prozentuale Menge an rückgeführtem Abgas (%EGR) wird dann berechnet, um die Daten in Fig. 5 zu vervollständigen.

Die Abgastemperatur wird aus der in Fig. 6 gezeigten Ta belle abgeleitet, wobei die Abgastemperatur als eine Funktion der Motordrehzahl und der Brennstoffrate ausgedrückt würde. Die Temperaturen werden in °C ausge drückt und empirisch abgeleitet von Testmotoren von tatsächlichen Temperaturmessungen, nachdem ein ge wünschter prozentualer Anteil an rückgeführtem Abgas (%EGR) bei einer gegebenen RPM und Brennstoffrate erreicht wurde. Die Temperaturen, die von der in Fig. 6 gezeigten Tabelle abgeleitet werden, müssen in Grad Kelvin umgewandelt werden, bevor sie in Berechnungen zur Berechnung der Strömungsmitteldichte des Abgases und der volumetrischen Strömung des Abgases verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben wird.

Alle schrittweisen Intervalle in den in den Fig. 4 bis 6 ge zeigten Tabellen und alle Daten in den Tabellen sind spe zifisch für ein Motormodell und sind empirisch abgeleitet während Dynamometertestläufen an jedem bestimmten Modell. Ferner wird die elektronische Steuerung 26 programmiert zum Durchführen zweidimensionaler linearer Interpolatio nen, wo Sensorwerte zwischen zwei diskrete in den Tabellen gespeicherte Werte fallen. Dies erlaubt ein prä zises Ansprechen auf Betriebsbedingungen, während die Speichergröße, die zur Speicherung der Tabellen benötigt wird, begrenzt wird.

Im Schritt 70 in Fig. 3 liest die elektronische Steuerung 26 die Luftansaugtemperatur ab unter Verwendung des Luftladetemperatursensors 48.

Im Schritt 74 wird die Strömungsmitteldichte des Abgases berechnet, basierend auf dem absoluten Druck in der Abgassammelleitung, dem Molekulargewicht des Abgases, der Gasgesetzkonstanten und der Abgastemperatur, von der in Fig. 6 gezeigten Tabelle unter Verwendung der folgenden Formel:

wobei ρ_exh die Strömungsmitteldichte des Abgases dar stellt, P_exh den absoluten Druck in der Abgassammellei tung darstellt, MW_exh das Molekulargewicht des Abgases darstellt, R die Gasgesetzkonstante (8,3144 kmol/kg.K) ist und T_exh die Abgastemperatur ist, die aus der in Fig. 6 gezeigten Tabelle abgeleitet ist.

Im Schritt 76 verwendet die elektronische Steuerung die Strömungsmitteldichte (ρ_exh) und den Druckabfall (ΔP) zum Berechnen der volumetrischen Strömung (Q_egr) des Abgases durch das EGR-Ventil 28 unter Verwendung der folgenden Formel:

wobei Q_egr die volumetrische Strömung des Abgases durch das EGR-Ventil darstellt, _tot die Gesamtmassenströmung des Gases durch die Ansaugsammelleitung ist, _air die Massenströmung von Luft durch die Ansaugsammelleitung ist, _gas die Massenströmung von gasförmigem Brennstoff durch die Ansaugsammelleitung eines Multibrennstoffmotors ist, R die Gasgesetzkonstante ist, T_exh die Temperatur des Abgases ist, die von der in Fig. 6 gezeigten Tabelle abgeleitet wurde, P_exh der absolute Druck in der Abgas sammelleitung 24 ist und MW_exh das Molekulargewicht in g/mol des Abgases in der Abgassammelleitung 24 ist. Alle Variablen auf der rechten Seite dieser Gleichung sind be kannt mit der Ausnahme von _air, _tot und MW_exh. Für eine detaillierte Beschreibung, wie _tot und MW_exh erhalten werden, siehe den folgenden Abschnitt für Berechnungsvor gänge.

Die volumetrische Strömung von Luft (Q_air) wird berechnet unter Verwendung der folgenden Formel:

Das resultierende Q_air bezieht sich jedoch auf die Lufttemperatur (T_air)_cal und den Ansaugsammelleitungs druck (P_intake)_cal, bei dem der prozentuale Anteil an rückgeführtem Abgas (%EGR) spezifiziert wurde. Die benötigte Luftmassenströmung wird daher abgeleitet durch Multiplizieren der volumetrischen Luftströmung aus dieser Gleichung mit der Luftdichte, die berechnet wurde unter Verwendung der Gasgesetzkonstante (mit MW_air = 28,97), wobei

wenn die Luftmassenströmung auf diese Weise berechnet ist, die Luftmassenströmung sich nicht mit Schwankungen des barometrischen Drucks oder der Ansauglufttemperatur verändert. Da die Brennstoffmassenströmung des Motors durch Schwankungen der Umgebungstemperatur und des Drucks unbeeinflußt bleiben, wird immer die optimale Luftmenge zur kompletten Verbrennung des gesamten eingespritzten Brennstoffs geliefert.

Im Schritt 78 in Fig. 3 wird eine Variable abgeleitet zur Bestimmung der benötigten Position des EGR-Ventils unter Verwendung der folgenden Funktion:

Q_egr die volumetrische Strömung von EGR ist aus der oben durchgeführten Berechnung bekannt, ρ_exh ist auch aus der oben durchgeführten Berechnung bekannt und ΔP wird durch Abziehen des absoluten Drucks der Ansaugsammelleitung von dem absoluten Druck der Abgassammelleitung berechnet, wie oben beschrieben wurde. Die dimensionslose Zahl, die aus dieser Funktion abgeleitet wird, wird verwendet zum Anordnen bzw. Lokalisieren einer Ventilposition (β- Ventil) in Fig. 7.

Im Schritt 80 wird die derzeitige Position des EGR- Ventils 28 bestimmt durch Messen von Taktzählungen, die durch die elektronische Motorsteuerung gesammelt wurden und zwar ansprechend auf das Potentiometersignal von dem Potentiometer 60 mit hoher Auflösung, das mit dem Ventilschaft 58 des EGR-Ventils 28 assoziiert ist. Die in Fig. 8 gezeigte Tabelle stellt die Beziehung zwischen den Taktzählungen und der Schaftposition in Grad von einer vollständig geschlossenen Position bezüglich des Mittel durchlaßes 54 des EGR-Ventil 28 dar. Nachdem die derzei tige Position des EGR-Ventils bestimmt wurde, wird die benötigte bzw. Soll-Position des EGR-Ventils bestimmt im Schritt 78 durch Bezugnahme auf die in Fig. 8 gezeigte Tabelle. Diese Position wird mit der derzeitigen Position des EGR-Ventils verglichen und ein Korrekturfaktor wird berechnet. Im Schritt 48 befiehlt die elektronische Steuerung 26 dem elektrischen Schrittmotor 32, das EGR- Ventil 28 aus der derzeitigen Position zu der Soll- Position zu bewegen, wenn die derzeitige Position nicht dieselbe ist wie die Soll-Position, die im Schritt 78 be stimmt wurde. Das Programm kehrt dann zum Schritt 62 zu rück und der Vorgang wird wiederholt. Die Durchführfre quenz dieses Vorgangs hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, und zwar auch von den anderen Aufgaben, die durch die elektronische Steuerung 26 erfüllt werden müßten. Typischerweise wird der Vorgang alle 4 bis 12 ms wieder holt, was sicherstellt, daß das EGR-Ventil 28 immer optimal positioniert ist und mit sich verändernden Betriebsbedingungen abgeglichen ist.

Berechnungsvorgänge

Die Berechnungsvorgänge, die benötigt werden zur Bestim mung der gesamten Massenströmung von Gasen durch den Mo tor, des Molekulargewichts des Abgases und der spezifi schen Wärme der Abgasbestandteile werden nachfolgend be schrieben. Um ein Verständnis der Berechnungen zu ermöglichen werden die Variablen wie folgt definiert:
_air = Luftmassenströmung in den Motor
_egr = Massenströmung von Abgasen durch das EGR-Ventil (g/s)
_gas = Massenströmung von gasförmigem Brennstoff in den Motor
_dsl = Massenströmung von Dieselbrennstoffen in den Motor
_tot = Gesamtmassenströmung durch die Ansaugsammelleitung
T_air = Lufttemperatur in der Ansaugsammelleitung direkt stromaufwärts bezüglich des Mischpunktes
T_exh = Abgastemperatur
T_gas = Temperatur des gasförmigen Brennstoffs, wenn es in die Ansaugsammelleitung eintritt
T_mix = Mischtemperatur von Luft, Abgas und gasförmigen Brennstoff
P_intake = absoluter Druck der Ansaugsammelleitung
P_exh = absoluter Druck der Abgassammelleitung
R = Gasgesetzkonstante 8,33144 kmol/kg.K
Q_air = volumetrische Strömung von Luft in den Motor bei T_air und P_intake (l/s)
Q_gas = volumetrische Strömung von gasförmigem Brennstoff in den Motor bei T_air und P_intake (l/s)
Q_tot = gesamte volumetrische Strömung durch die Ansaug sammelleitung bei T_air und P_intake (l/s)
V_disp = Motorverdrängungsvolumen (l/s)
MW = Molekulargewicht (g/mol)
h = enthalpy bzw. Wärmefunktion (kJ/kg.K)
C_p = spezifische Wärme (kJ/kg.K)

Berechnung der Gesamtmassenströmung

Die Gesamtmassenströmung (_tot) wird abgeleitet als Ergebnis einer Multiplikation der gesamten volumetrischen Strömung (Q_tot) mit der Dichte (ρ_intake) der Mischung der Luft, des Abgases und des gasförmigen Brennstoffs (in dem Fall eines Multibrennstoffmotors) bei der Mischtemperatur und dem Ansaugsammelleitungsdruck,

_tot = Q_tot . ρ_intake

wobei die Dichte ρ_intake berechnet werden kann unter Ver wendung der Gasgesetzkonstante und zwar wie folgt:

wobei MW_mix ungefähr 28,5 kg/kmol ist. Zur Berechnung der gemischten Temperatur T_mix wird das erste Gesetz der Thermodynamik benötigt. Das erste Gesetz der Thermodyna mik für den Mischvorgang ist:

_air . h_air + _egr . h_egr + _gas . h_gas = _tot . h_tot

aber für ein ideales Gas gilt h = C_p . T, so daß sich die Gleichung wie folgt ändert:

_air . (C_p)_air . T_air + _egr . (C_p)_exh . T_exh + _gas . (C_p)_gas . T_gas = _tot . (C_P)_mix . T_mix

Die spezifischen Wärmen von Luft und gasförmigen Brenn stoffen werden als konstant angenommen und zwar als 1,0035 kJ/kg.K für Luft und 2,2537 kJ/kg.K für Gas (z. B. Methan für Multibrennstoffmotoren).

Die spezifische Wärme des Abgases variiert jedoch mit der Abgaszusammensetzung und Temperatur. Die Berechnung der spezifischen Wärme des Abgases und des Molekulargewichts basierend auf Verbrennungsstöchometrie wird nachfolgend erklärt. Die spezifische Wärme der Mischung ist ein Massendurchschnitt der spezifischen Wärme von Luft, Abgas und Erdgas, die wie folgt abgeleitet wird:

Eine Kombination der fünf oben gegebenen Gleichungen und eine Umordnung ergibt folgendes:

Diese Gleichung ist eine quadratische Gleichung, die in T_mix ausgedrückt folgende Form aufweist:

a . T² _mix + b . T_mix + c = 0

mit einer Auflösung durch die quadratische Formel von:

Sobald die gemischte Temperatur T_mix bekannt ist, kann die gemischte Dichte ρ_intake aus der folgenden Gleichung berechnet werden:

und dann in der folgenden Gleichung verwendet werden:

_tot = Q_tot . ρ_intake

um die gesamte Massenströmung _tot zu berechnen.

Berechnung von Molekulargewichten und spezifischer Wärme:

Die optimalen Verhältnisse von rezirkuliertem Abgas zur Ansaugluft, die Abgaszusammensetzungen, das Molekularge wicht und die spezifische Wärme, die benötigt wird, um die volumetrische Strömung Q_egr des Abgases durch das EGR-Ventil zu bestimmen, werden bestimmt durch Darstellen des Dieselbrennstoffs als CH_1,9, wobei die stöchometri sche Verbrennung des Dieselbrennstoffs und der Luft wie folgt ausgedrückt wird:

CH_1.9 + 7.024(0.21O₂ + 0.79N₂) → CO₂ + 0.95H₂O + 5.549N₂

Auf einer Massenbasis wird diese Verbrennungsreaktion wie folgt geschrieben:

1 kgCH_1.9 + 3.39 kgO₂ + 11.16 kgN₂ → 3.16 kgCO₂ + 1.23 kgH₂O + 11.16 kgN₂

Für Multibrennstoffmotoren, die z. B. Erdgas sowie Diesel verbrennen, kann das Erdgas als 100% Methan (CH₄) dargestellt werden und die stöchometrische Verbrennung von Erdgas in Luft wird wie folgt ausgedrückt:

CH₄ + 9.524(0.21O₂ + 0.79N₂) → CO₂ + 2H₂O + 7.52N₂

Auf einer Massenbasis wird die Verbrennungsreaktion wie folgt ausgedrückt:

1 kgCH₄ + 3.99 kgO₂ + 13.14 kgN₂ → 2.74 kgCO₂ + 2.25 kgH₂O + 13.14 kgN₂

Basierend auf der obigen Stöchometrie ist das optimale Verhältnis des rezirkulierten Abgases zur Ansaugluft ϕ durch die folgende Gleichung gegeben:

Setzen wir x_i und y_i als Massen- bzw. Molteile des Bestandteils i. Basierend auf der obigen Stöchometrie sind die Massenteile jedes Bestandteils in dem Abgas durch die folgende Gleichung gegeben:

Der Molteil jedes Bestandteils wird durch die folgende Gleichung gegeben:

Das Molekulargewicht des Abgases ist durch die folgende Gleichung gegeben:

MW_exh = Σy_iMW_i

Die spezifische Wärme des Abgases ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei (C_p)_i die spezifische Wärme bei konstantem Druck in der Einheit kJ/kmol.K für jeden Abgasbestandteil durch die folgenden Gleichungen gegeben ist:

(C_p)_CO2 = -3.7357 + 30.529θ^0.5 - 4.1034θ + 0.024198θ²

(C_p)_H2O = 143.05 - 183.54θ^0.25 + 82.751θ^0.5 + 3.6989θ

(C_p)_N2 = 39.060 - 512.79θ^-1.6 + 1072.7θ^-2 - 820.40θ^-3

(C_p)_O2 = 37.432 + 0.020102θ^1.5 - 178.57θ^-1.5 + 236.88θ^-2

wobei

wobei T_exh in Grad Kelvin ausgedrückt ist.

Diese Berechungsvorgänge erlauben der elektronischen Steuerung 26, akkurat Änderungen in der Umgebungstempera tur und des barometrischen Drucks zu kompensieren, um si cherzustellen, daß ein optimales Verhältnis des rezirku lierten Abgases zur Ansaugluft unter allen Betriebsbedin gungen beibehalten wird.

Das EGR-System gemäß der Erfindung reduziert erheblich das Niveau der Hauptverunreinigungen in Kompressionszün dungsmotoren, d. h. Stickoxide (NO_X) und Kohlenmonoxide (CO). Wenn sich diese Oxide mit Wasser kombinieren, das in der Atmosphäre vorhanden ist, bilden sie unterschied liche Säuren, die extrem korrodierend für organische und anorganische Gegenstände bzw. Sachen sind. Diese Säuren tragen zu dem Problem von saurem Regen bei, und NO_X ist auch ein Hauptfaktor bei der Bildung von photochemischem Smog und Ozon im Bodenbereich. Das EGR-System gemäß der Erfindung verbessert auch die Kohlenwasserstoffverbren nung und fördert daher eine größere Brennstoffeffizienz. Bei niedrigen Motorlastbedingungen hilft das EGR-System dabei, das Luft/Brennstoffverhältnis in einem effiziente ren Bereich zu halten, ohne auf die energieraubende Luftansaugdrossel des Motors zurückzugreifen. Ferner för dert das "Einimpfen bzw. Einführen" von heißem Abgas, das aktive chemische Radikale enthält, in die Luft/Brennstoffmischung eine schnellere vollständigere Brennstoffverbrennung, was somit das Niveau der nicht verbrannten gesamten Kohlenwasserstoffe in dem Abgas ver ringert. Ferner hebt das EGR-System gemäß der Erfindung die Abgastemperatur des Motors etwas an infolge der Verdrängung von kalter Ansaugluft mit heißem Abgas, was eine frühere Betätigung und einen effizienteren Betrieb eines Edelmetallabgaskatalysators zur Folge hat, der an dem Motorabgassystem befestigt ist. Ein besserer Betrieb des Katalysators fördert eine effizientere Entfernung von Verunreinigungen aus dem Abgasstrom wie z. B. Kohlenmon oxid und die gesamten Kohlenwasserstoffe.

Da das EGR-Ventil 28 elektrisch betätigt ist anstelle daß es pneumatisch gesteuert wird, sieht das System eine hohe Geschwindigkeit und akkurates Ansprechen auf sich verändernde Motorbelastungen vor. Die elektronische Steuerung 26 sieht auch eine präzise Bestimmung von optimalen Abgasrezirkulationsraten und eine extrem präzise Positionierung des EGR-Ventils 28 vor. Da das Sy stem eine präzise, variable Positionierung des EGR- Ventils 28 vorsieht, spricht der Motor unter allen Betriebsbedingungen mit der Nennleistung an und die unerwünschten Auswirkungen von schwarzem Rauch und/oder Motorabsaufen infolge des Einführens von zuviel rezirku liertem Abgas, was ein übliches Problem von EGR-Steuersy stemen des Standes der Technik ist, werden eliminiert.

Es sei bemerkt, daß der Fachmann Änderungen und Modifika tionen in dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungs beispiel durchführen kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Der Umfang der Erfindung wird daher nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche beschränkt.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Ein Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor und ein Verfahren zum Steuern der Abgasrezir kulation in einem Kompressionszündungsmotor sind offen bart. Das Verfahren und die Vorrichtung sind in der Lage, die Abgasrezirkulation in Diesel und/oder Multibrennstoff (z. B. Diesel- und Erdgas-)motoren zu steuern. Die Vorrichtung umfaßt einen ersten Drucksensor zum Abfühlen eines absoluten Gasdrucks in der Ansaugsammelleitung des Motors, einen zweiten Drucksensor zum Abfühlen eines ab soluten Gasdrucks in der Abgassammelleitung des Motors, einen Motordrehzahlsensor zum Detektieren einer Motor drehzahl (RPM), einen Brennstoffratensensor zum Detektie ren der angeforderten Brennstoffrate für den Motor, einen Temperatursensor zum Detektieren der Temperatur der Ansaugluft in der Ansaugsammelleitung, eine Leitung zum Leiten von Abgas von der Abgassammelleitung zu der Ansaugsammelleitung, ein elektronisch betätigtes mechani sches Ventil in der Leitung zum Steuern der Strömung von Abgas und eine elektronische Steuerung zum Analysieren von Signalen von den Sensoren und zum Ausgeben von Steuersignalen an einen elektrischen Schrittmotor, der die Position des Ventils steuert. Die Vorteile umfassen eine akkurate Steuerung der Abgasrezirkulation in Echtzeit, ein rasches Ansprechen auf sich verändernde Verbrennungsbedingungen, die reduzierte Verschmutzungs emissionen und höhere Brennstoffeffizienz zur Folge haben. Ein weiterer Vorteil ist, daß das System leicht an bestehenden Kompressionszündungsmotoren nachgerüstet wer den kann, oder als ein Teil der Originalausrüstung bei neuen Motoren eingebaut werden kann, ohne eine Verände rung des Motordesigns bzw. des Aufbaus.

Claims

1. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor, das folgendes aufweist:
einen ersten Drucksensor zum Abfühlen eines absolu ten Gasdrucks in einer Ansaugsammelleitung des Mo tors;
einen zweiten Drucksensor zum Abfühlen eines absoluten Gasdrucks in einer Abgassammelleitung des Motors;
einen Motordrehzahlsensor zum Detektieren einer Drehzahl der Motorkurbelwelle;
einen Brennstoffratensensor zum Detektieren einer Brennstoffrate für den Motor;
einen Luftladetemperatursensor zum Detektieren einer Temperatur der Ansaugluft in der Ansaugsammelleitung des Motors;
eine Leitung zum Vorsehen eines Strömungsmittel durchlaßes zwischen der Abgassammelleitung und der Ansaugsammelleitung, und ein Abgasrezirkulationsven til, das in der Leitung angeordnet ist zum Regulie ren einer Abgasströmung von der Abgassammelleitung zu der Ansaugsammelleitung;
Mittel zum Steuern des Abgasrezirkulationsventils, so daß die Strömung des Abgases durch die Leitung von der Abgassammelleitung zu der Ansaugsammellei tung reguliert ist; und
eine elektronische Steuerung zum Empfangen von Signalen von den ersten und zweiten Drucksensoren, dem Motordrehzahlsensor, dem Brennstoffratensensor und dem Luftladetemperatursensor, zum Berechnen ei nes optimalen Verhältnisses des rezirkulierenden Ab gases zur Ansaugluft und zwar basierend auf den emp fangenen Signalen und zum Berechnen einer Ventilpo sition, die erlaubt, daß das optimale Verhältnis von Abgas zur Ansaugluft durch die Leitung zur Ansaugsammelleitung strömt und zum Betätigen der Mittel zum Steuern des Abgasrezirkulationsventils zum Posi tionieren des Ventils an der berechneten Ventilposi tion, um zu erlauben, daß das optimale Verhältnis von Abgas zur Ansaugluft durch die Leitung von der Abgassammelleitung zu der Ansaugsammelleitung strömt.

2. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motordrehzahl sensor ein Hall-Geber ist, der an einer Aus gangswelle einer Brennstoffpumpe des Motors befe stigt ist.

3. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn stoffratensensor ein Potentiometer mit hoher Auflö sung ist, der eine Pedalposition des Gaspedals für den Motor mißt.

4. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Abgasrezirkulationsventil ein mechanisch gesteuertes Drossel- bzw. Drehkappenventil mit einer mechanischen Verbindung zur Bewegung des Drossel- bzw. Drehklappenventils von einer vollständig ge schlossenen zu einer vollständig offenen Position ist.

5. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern des Abgasrezirkulationsventils ein ele krischer Schrittmotor sind, der betriebsmäßig mit der mechanischen Verbindung verbunden ist.

6. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drossel- bzw. Drehklappenventil mit einem Potentiometer mit hoher Auflösung assoziiert ist zum Anzeigen ei ner derzeitigen Position des Drossel- bzw. Drehklap penventils bezüglich der vollständig geschlossenen Position.

7. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung eine Zählung akkumuliert, basierend auf einem Ausgangssignal des Potentiome ters mit hoher Auflösung und wobei die Zählung ver wendet wird zur Bestimmung der derzeitigen Position des Drossel- bzw. Drehklappenventils bezüglich der vollständig geschlossenen Position.

8. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Dieselmotor ist.

9. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Dualbrennstoffmotor ist.

10. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressions zündungsmotor ein Dualbrennstoffmotor ist, der mit Diesel und Erdgas als Brennstoffe betrieben wird.

11. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Multibrennstoffmotor ist.

12. Abgasrezirkulationssystem für einen Kompressionszün dungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Multibrennstoffmotor ist, der mit Diesel, Erdgas und Wasserstoff als Brennstoffe be trieben wird.

13. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Abfühlen einer Brennstoffrate des Motors;
b) Abfühlen einer Drehzahl des Motors;
c) Abfühlen des absoluten Drucks einer Abgassammel leitung und des absoluten Drucks einer Ansaugsammel leitung des Motors und Berechnen eines Druckabfalls zwischen der Abgassammelleitung und der Ansaugsam melleitung;
d) Bestimmen einer volumetrischen Effizienz der Gas strömung durch den Motor als eine Funktion der Dreh zahl und des Druckabfalls;
e) Bestimmen eines Prozentsatzes an rückgeführtem Abgas (%EGR) als eine Funktion der Drehzahl und der Brennstoffrate für den Motor;
f) Bestimmen einer Temperatur von Gasen in der Abgassammelleitung als eine Funktion der Drehzahl und der Brennstoffrate für den Motor;
g) Abfühlen einer Ansauglufttemperatur der in die Ansaugsammelleitung angesaugten Luft;
h) Berechnen einer Strömungsmitteldichte des Abgases basierend auf einem absoluten Druck in der Abgassam melleitung, einer Molarmasse des Abgases und der Temperatur des Abgases;
i) Berechnen einer volumetrischen Strömung von Abgas durch das EGR-Ventil;
j) Ableiten einer Variablen, basierend auf der volumetrischen Strömung, der Strömungsmitteldichte des Abgases und dem Druckabfall zum Lokalisieren bzw. Herausfinden einer benötigten EGR-Ventilposi ton; und
k) Bewegen des EGR-Ventils zu der benötigten bzw. Soll-Position.

14. Verfahren zum Steuern einer Abgasrezirkulation in einem Kompressionszündungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die volumetrische Effizienz der Gasströmung durch den Motor bestimmt wird durch eine Nachschau tabelle von Daten, die empirisch abgeleitet werden von einem Dynamometertest des Kompressionszündungs motors.

15. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentsatz an rückgeführtem Abgas (%EGR) bestimmt wird durch eine Nach schautabelle von empirisch abgeleiteten Daten aus einem Betriebstest des Kompressionszündungsmotors.

16. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach einem der Ansprü che 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Abgases in der Abgassammelleitung bestimmt wird durch eine Nach schautabelle von empirisch abgeleiteten Daten aus einem Betriebstest des Kompressionszündungsmotors.

17. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die benötigte bzw. Soll-EGR-Ventilposi tion abgeleitet wird aus einer Nachschautabelle von Ventilpositionen als eine Funktion der Variable.

18. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach einem der Ansprü che 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:

a) Bestimmen einer derzeitigen Position des EGR-Ven tils;
b) Vergleichen der derzeitigen Position des EGR-Ven tils mit der Soll-Position des EGR-Ventils;
c) Ableiten einer Differenz zwischen der derzeitigen Position und der Soll-Position; und
d) Betätigen von Mitteln zum Steuern einer Position des EGR-Ventils zum Bewegen des EGR-Ventils über ein Äquivalent der abgeleiteten Differenz zwischen der derzeitigen und der Soll-Position.

19. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach einem der Ansprü che 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Dieselmotor ist.

20. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach einem der Ansprü che 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Dual-Brennstoffmotor ist.

21. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach Anspruch 20, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Dual-Brenn stoffmotor ist, der in der Lage ist, Diesel und Erd gas als Brennstoffe zu verwenden.

22. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach einem der Ansprü che 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Multibrennstoffmotor ist.

23. Verfahren zum Steuern der Abgasrezirkulation in ei nem Kompressionszündungsmotor nach Anspruch 22, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kompressionszündungsmotor ein Multibrenn stoffmotor ist, der in der Lage ist, Diesel, Erdgas und Wasserstoff als Brennstoffe zu verwenden.