DE19730973C2

DE19730973C2 - Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19730973C2
Application number: DE19730973A
Authority: DE
Inventors: Klaus Wenzlawski; Dirk Heinitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2017-07-19
Also published as: DE19730973A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brenn kraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, in dem ein Verdichter angeordnet ist und mit einer Abgasrückführeinrichtung, in der ein Abgasrückführventil angeordnet ist.

Ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 196 15 545 C1 bekannt. Die Brennkraftmaschine umfaßt einen Ansaugtrakt mit einem Verdichter, einen Abgastrakt mit einer Turbine und eine Abgasrückführeinrichtung mit einem Ab gasrückführrohr und einem Abgasrückführventil. In dem Ansaug trakt ist ferner ein Luftmassenmesser, der einen Luftmassen strom erfaßt, und ein Drucksensor, der den Ladedruck in dem Ansaugtrakt erfaßt, und ein Temperatursensor, der die Lade lufttemperatur erfaßt, angeordnet. Ein Sollwert des Luftmas senstroms wird abhängig von der Drehzahl, der Motorlast und der Ladelufttemperatur bestimmt. Ein Regler ist vorgesehen, dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist und dem als Stell glied das Abgasrückführventil zugeordnet ist.

Durch rückgeführtes Abgas wird die Verbrennungs-Spitzentempe ratur während der Verbrennung des Luft-Kraftstoff Gemisches im Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine gesenkt. Je höher der Anteil des rückgeführten Abgases ist, desto mehr wird der Ausstoß an Stickoxiden reduziert. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigt mit der Menge des rückgeführten Abgases, da weniger Wärme an die Zylinderwände abgegeben wird und Pumpverluste verringert werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem eine genaue und präzise Abgasrückführung auch im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa tentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfah rens.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 mit einem Verdichter 10 und einem Motorblock 2, der einen Zy linder und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder 20 zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 verbunden.

Des Weiteren ist ein Zylinderkopf 3 vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaßventil 30, einem Auslaßventil 31 und mit jeweils einem dem Einlaß ventil 30 zugeordneten Ventilantrieb 32a und mit einem dem Auslaßventil 31 zugeordneten Ventilantrieb 32b. Die Ventilan triebe 32a, 32b umfassen jeweils eine nicht dargestellte Noc kenwelle mit einer Übertragungseinrichtung, die den Nockenhub auf das Einlaßventil 30 beziehungsweise auf das Auslaßventil 31 überträgt. In den Zylinderkopf 3 ist ferner ein Einspritz ventil 33 eingebracht, das so angeordnet ist, daß der Kraft stoff direkt in den Innenraum des Zylinders 20 zugemessen wird. Als Kraftstoff wird bevorzugt Diesel zugemessen, alter nativ kann jedoch auch Benzin zugemessen werden. Wird als Kraftstoff Benzin verwendet, so ist zusätzlich eine Zündkerze in dem Zylinderkopf 3 angeordnet. Die Brennkraftmaschine ist in der Fig. 1 mit einem Zylinder 20 dargestellt. Sie kann jedoch auch mehrere Zylinder umfassen.

Die Brennkraftmaschine umfaßt des Weiteren einen Abgastrakt 4 mit einer Turbine 40. Die Turbine 40 ist mechanisch mit dem Verdichter 10 gekoppelt. Ein Bypassrohr 41 ist mit dem Ab gastrakt stromaufwärts und stromabwärts der Turbine 40 ver bunden. Ein Bypassventil 42 ist in dem Bypassrohr 41 angeord net. In dem Abgastrakt 4 ist ferner ein Katalysator 43 ange ordnet.

Der Verdichter 10 kann alternativ auch mechanisch mit der Kurbelwelle gekoppelt sein. Statt der Turbine 40 und dem Bypassrohr 41 ist dann eine Bypassleitung zu dem Verdichter 10 vorgesehen, in der das Bypassventil 42 angeordnet ist.

Die Brennkraftmaschine hat eine Abgasrückführeinrichtung 5 mit einem Abgasrückführrohr 50, das von dem Abgastrakt 4 zu dem Ansaugtrakt 1 geführt ist. In dem Abgasrückführrohr 50 ist ein Abgasrückführventil 51 angeordnet. Das Abgasrückführ ventil 51 ist als Hubventil ausgebildet. Es kann jedoch bei spielsweise auch als Klappe ausgebildet sein.

Eine Steuereinrichtung 6 für die Brennkraftmaschine ist vor gesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meß größen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermit teln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt abhängig von minde stens einer Meßgröße ein oder mehrere Stellsignale, die je weils ein Stellgerät steuern.

Die Sensoren sind an Pedalstellungsgeber 71, der eine Pedal stellung PV eines Fahrpedals 71 erfaßt, ein Luftmassenmesser 12, der einen Luftmassenstrom _FG erfaßt und ein Drucksensor 13, der einen Ladedruck p_L erfaßt, ein Temperatursensor 14, der eine Ladelufttemperatur T_L erfaßt, ein Drehzahlgeber 24, der eine Drehzahl N der Kurbelwelle 23 erfaßt, und ein Stellungsgeber 52, der den Öffnungsgrad des Abgasrückführventils 51 erfaßt. Je nach Ausführungsform der Erfindung können eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätz liche Sensoren vorhanden sein.

Betriebsgrößen umfassen die Meßgröße sowie von diesen abge leitete Größen, wie eine Abgastemperatur, die über ein Kenn feldzusammenhang oder von einem Beobachter ermittelt werden.

Die Stellgeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotrischer An trieb, ein elektromagnetischer Antrieb, ein mechanischer oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder sind als Einspritzventile 33, als das Abgasrückführventil 51 oder als das Bypassventil 42 ausgebildet. Der Ladedruck p_L wird von einem Regler, der beispielsweise als PI-Regler aus gebildet ist, geregelt. Dem Regler ist das Bypassventil 42 als Stellglied zugeordnet.

Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so zum Beispiel über ein Bussystem.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Funktionsweise der Steuereinrichtung 6 dargestellt. In einem Block B1 wird die zeitliche Ableitung Δp_L des Ladedrucks p_L ermittelt. Die zeitliche Ableitung Δp_L wird durch numerisches Differenzie ren des Ladedrucks p_L errechnet. Bevorzugt wird der Ladedruck segmentsynchron ermittelt, das heißt beispielsweise bei einer Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine alle 180° Kurbelwellenwin kel, und ein Mittelwert des Ladedrucks aus den Meßwerten des Ladedrucks je eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine er mittelt. Dies hat den Vorteil, daß Rauschsignalanteile des gemessenen Ladedrucks p_L gedämpft werden, deren Frequenz drehzahlabhängig ist.

In einem Block B2 wird ein Massenstrom _CYL in den Zylinder 20 abhängig von der Drehzahl N und dem Ladedruck p_L ermit telt. Ein erstes Kennfeld ist vorgesehen, aus dem der Massen strom _CYL abhängig von der Drehzahl N und dem Ladedruck p_L ermittelt wird. Das erste Kennfeld ist an einem Motorprüf stand ermittelt und in einem Speicher fest abgespeichert.

Die Zustandsgleichung idealer Gase unter Berücksichtigung der Massenstrombilanz in dem Ansaugtrakt 1 ist in der in einem Block B2 angegebenen Beziehung nach einem Istwert _{EGR_AV} des rückgeführten Abgasmassenstroms aufgelöst. Der Istwert _{EGR_AV} des rückgeführten Abgasmassenstroms wird gemäß dem Block B3 abhängig von dem Volumen V des Ansaugtraktes 1 der allgemei nen Gaskonstante R, der Ladelufttemperatur T_L, der zeitlichen Ableitung Δp_L des Ladedrucks p_L, dem Luftmassenstrom _FG und dem Massenstrom _CYL in den Zylinder 20 ermittelt. Dies hat den Vorteil, daß auch im instationären Betrieb der Brenn kraftmaschine, so zum Beispiel bei stark zeitlich variieren dem Ladedruck p_L ein sehr genauer Istwert _{EGR_AV} des rückge führten Abgasmassenstroms berechnet wird.

In einem Block B4 wird ein gewünschtes indiziertes Drehmoment TQI_REQ abhängig von dem Pedalwert PV und der Drehzahl N er mittelt. In einem Block B5 wird aus einem zweiten Kennfeld ein Sollwert _{EGR_SP} des rückgeführten Abgasmassenstroms ab hängig von dem gewünschten indizierten Drehmoment TQI_REQ und der Drehzahl N ermittelt.

Ein Block B6 umfaßt einen PI-Regler oder einen PID-Regler oder auch einen nichtlinearen Regler, dessen Regelgröße der rückgeführte Abgasmassenstrom ist und dem demnach die Diffe renz des Sollwertes _{EGR_SP} und des Istwertes _{EGR_AV} des rück geführten Abgasmassenstroms zugeführt wird. Der Regler er zeugt ein Stellsignal für den Sollwert ERGV_SP des Öffnungs grades des Abgasrückführventils 51, der einem nicht dargestellten und an sich bekannten Lageregler des Abgasrückführ ventils zugeführt wird.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung (Fig. 3) wird in einem Block B7 ein Istwert einer Abgasrückführrate R_{EGRR_AV} nach der Beziehung

berechnet. In einem Block B5' wird dann aus einem dritten Kennfeld abhängig von dem gewünschten Drehmoment TQI_REQ und der Drehzahl N ein Sollwert R_{EGR_SP} der Abgasrückführrate ermittelt. Ein Block B6' umfaßt wie der Block B6 einen Regler mit dem Unterschied, daß die Regelgröße die Abgasrückführrate ist. Die Abgasrückführ rate kann in diesem Ausführungsbeispiel auch im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine sehr schnell und präzise ein gestellt werden, da der Luftmassenstrom _FG direkt von dem Luftmassenmesser 12 erfaßt wird und der Istwert _{EGR_AV} des rückgeführten Abgasmassenstroms in dem Block B3 sehr genau ermittelt wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß der tatsächlich rückgeführte Abgasmassenstrom be rechnet wird und zwar auch in einem instationären Betrieb sehr genau. Abweichungen von dem Sollwert des rückgeführten Abgasmassenstroms oder der Abgasrückführrate werden sehr schnell und genau ausgeregelt.

Kennfelder sind durch stationäre Messungen an einem Motor prüfstand oder in Fahrversuchen ermittelt.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbei spiel beschränkt. Es ist beispielsweise unwesentlich, ob die Steuereinrichtung als eine festverdrahtete Schaltungsanord nung realisiert ist oder in Form eines Programmes von einem Mikroprozessor einer Motorsteuerung abgearbeitet wird.

Claims

1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Drehzahlgeber (24), der die Drehzahl (N) einer Kurbelwelle erfaßt, und mit einem Ansaugtrakt (1), in dem ein Verdich ter (10), ein Luftmassenmesser (12), der einen Luftmassen strom (_FG) erfaßt, ein Drucksensor (13), der den Ladedruck (p_L) in dem Ansaugtrakt (1) erfaßt, und ein Temperatursen sor (14), der die Ladelufttemperatur (T_L) erfaßt, angeord net sind, und mit einem Abgasrückführventil (51) in einer Abgasrückführeinrichtung (5), bei dem
ein Sollwert (_{EGR_SP}) eines rückgeführten Abgasmassenstroms abhängig von mindestens einer Betriebsgröße ermittelt wird,
ein Istwert (_{EGR_AV}) des rückgeführten Abgasmassenstroms berechnet wird nach der Beziehung
wobei R, die Gaskonstante der Ladeluft ist, V das Volumen des Ansaugtraktes (1) stromabwärts des Verdichters (10) und _CYL ein Massenstrom in einen Zylinder (20) der Brennkraft maschine ist, der aus einem Kennfeld abhängig von dem Lade druck (p_L) und der Drehzahl (N) ermittelt wird und Δp_L die zeitliche Ableitung des Ladedrucks (p_L) ist, die durch nu merisches Differenzieren des gemessenen Ladedrucks (p_L) er mittelt wird,
ein Stellsignal für das Abgasrückführventil (51) abhängig von dem Sollwert (_{EGR_SP}) und dem Istwert (_{EGR_AV}) des rück geführten Abgasmassenstroms ermittelt wird und
das Abgasrückführventil abhängig von dem Stellsignal ange steuert wird.

2. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Drehzahlgeber (24), der die Drehzahl (N) einer Kurbelwelle (23) erfaßt, und mit einem Ansaugtrakt (1), in dem ein Ver dichter (10), ein Luftmassenmesser (12), der den Luftmassenstrom (_FG) erfaßt, ein Drucksensor (13), der den La dedruck (p_L) in dem Ansaugtrakt (1) erfaßt, und ein Tempe ratursensor (14), der die Ladelufttemperatur (T_L) erfaßt, angeordnet sind, und mit einem Abgasrückführventil (51) in einer Abgasrückführeinrichtung (5), bei dem
ein Sollwert (R_{EGR_SP}) einer Abgasrückführrate abhängig von mindestens einer Betriebsgröße ermittelt wird,
ein Istwert (_{EGR_AV}) des rückgeführten Abgasmassenstroms be rechnet wird nach der Beziehung
wobei R, die Gaskonstante der Ladeluft ist, V das Volumen des Ansaugtraktes (1) stromabwärts des Verdichters (10) und _CYL ein Massenstrom in einen Zylinder (20) der Brennkraft maschine ist, der aus einem Kennfeld abhängig von dem Lade druck (p_L) und der Drehzahl (N) ermittelt wird und Δp_L die zeitliche Ableitung des Ladedrucks (p_L) ist, die durch nu merisches Differenzieren des gemessenen Ladedrucks (p_L) er mittelt wird,
ein Istwert (R_{EGR_SP}) der Abgasrückführrate abhängig von dem rückgeführten Abgasmassenstrom und dem Luftmassenstrom er mittelt wird,
ein Stellsignal für das Abgasrückführventil (51) abhängig von dem Sollwert (_{EGR_SP}) und dem Istwert (_{EGR_AV}) der Ab gasrückführrate ermittelt wird und
das Abgasrückführventil abhängig von dem Stellsignal ange steuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Ladelufttemperatur (T_L) abhängig von dem Luftmassenstrom (_FG) und dem Istwert (_{EGR_AV}) des rückgeführ ten Abgasmassenstroms korrigiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrom (_CYL) in den Zylinder (20) aus dem Kenn feld zusätzlich abhängig von einem Ventilhubverlauf der Gas wechselventile (30, 31) ermittelt wird.