EP1963644A1 - Verfahren zur regelung eines verbrennungsprozesses einer brennkraftmaschine mit abgasrückführung - Google Patents

Verfahren zur regelung eines verbrennungsprozesses einer brennkraftmaschine mit abgasrückführung

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EP1963644A1
EP1963644A1 EP06793358A EP06793358A EP1963644A1 EP 1963644 A1 EP1963644 A1 EP 1963644A1 EP 06793358 A EP06793358 A EP 06793358A EP 06793358 A EP06793358 A EP 06793358A EP 1963644 A1 EP1963644 A1 EP 1963644A1
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EP
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exhaust gas
fresh air
gas flow
flow
internal combustion
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EP06793358A
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French (fr)
Inventor
Olaf Graupner
Hong Zhang
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Continental Automotive GmbH
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Continental Automotive GmbH
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control
    • F02D41/0072—Estimating, calculating or determining the EGR rate, amount or flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a combustion process of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation, which can be operated with different air / fuel ratio, with a fresh air flow and a recirculated exhaust gas flow.
  • the mixture (fresh air / fuel ratio) in the combustion chamber must be set in such a way that the optimum compromise between NO x and particulate emissions results.
  • the control unit of the internal combustion engine z. B. changed by changing the EGR rate or intervention in the electronically controlled throttle (EGAS), the fresh air / fuel ratio so that the desired exhaust gas composition is achieved.
  • EGAS electronically controlled throttle
  • an operating parameter is, for example, the exhaust gas recirculation mass flow in an internal combustion engine with exhaust gas recirculation, ie, the mass flow of the exhaust gas expelled from the engine, which is supplied via an exhaust gas recirculation line to a mixing point where the exhaust gas is mixed with fresh intake air, to the resulting fresh air / exhaust gas mixture to supply the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • exhaust gas recirculation rate ie the quotient of the intake
  • Fresh air mass flow and exhaust gas recirculation mass flow, is important for compliance with exhaust gas regulations.
  • Mass fresh air + mass exhaust gas intake capacity of the engine
  • a given swallowing capacity according to equation (1) is usually set at the respective load point, ie. h., the relationship is:
  • Equation (2) also applies, since the target intake manifold pressure also represents a fixed calibration variable and thus the target swallowing capacity is unambiguously predetermined for each load point.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method for controlling a combustion process of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation, which allows precise determination of the exhaust gas recirculation rate with low error tolerance.
  • the inventive method for controlling a combustion process of an internal combustion engine with Abgas Wegmat- tion, with different air / fuel ratio is operable, and a fresh air flow and a recirculated exhaust gas flow is characterized in that both the fresh air and the recirculated exhaust gas flow are selectively metered by a measure is used for both the fresh air and the recirculated exhaust gas flow.
  • This measure can be done directly by a mass flow or volume flow meter or indirectly, z. B. via a pressure drop over a known throttle point.
  • This pressure loss can either be measured directly or derived, for. B. from a speed signal of the turbocharger, from which then the charge and / or exhaust gas back pressure can be calculated, or calculated from a value calculated in the engine control.
  • the exhaust gas mass flow can also be determined via a pressure drop across the exhaust gas recirculation path.
  • either two absolute pressure sensors one of which may be an intake pressure sensor, or a differential pressure sensor is required.
  • turbo engines they are operated in the lower load range along the surge limit of the compressor, which is a limiting factor for the regulation of the absorption capacity. Since throttling would also not be desirable in practice, there is no need to adjust the swallowing capacity accordingly.
  • the described strategy would be limited in its control characteristic so that the loader continues to be operated along the surge line in the lower area. As soon as the characteristics of the charger allow an additional excess of air, the controller becomes active.
  • the advantage of the method according to the invention is that here only the individual tolerances of the air or exhaust gas flows are negative in the accuracy of measurement for the oxygen in the intake air, which can be dosed very accurately with the latest sensors and actuators. All tolerances of the air system such as the above-mentioned parameters on Kl and in particular the change of the motor over its lifetime, are automatically corrected. Since modern emission legislation requires a permanent compliance with emission limits also of engines in operation, this advantage is considerable. Under the condition of a sufficiently exact determination of the air or exhaust gas flows, this strategy can achieve a significant reduction in the overall metering accuracy and thus improve the emission behavior.
  • Fig. 1 is a representation of the internal combustion engine with exhaust gas recirculation.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an internal combustion engine with Abgasruckbowung.
  • air filter 1 Via an air filter 1, an air mass sensor 2, a throttle valve 3 and an intake pipe 4, air flows into a compressor 5 of a turbocharger.
  • the compressed air then flows via a charge air cooler 6 and an exhaust gas recirculation valve 7 into an inlet 8, which leads to the combustion chamber 9.
  • the exhaust gases now reach the exhaust tract 11 via the outlet 10, where they are partly returned to the exhaust gas recirculation valve 7 via the exhaust gas discharge line 12 with the exhaust gas mass sensor 13 or forwarded to the compressor of the turbocharger.
  • the present invention advantageously provides a method for controlling a combustion process of an internal combustion engine with Abgasruckbowung that allows precise determination of the Abgasruckbowrate with low fault tolerance.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, die mit unterschiedlichem Luft-Kraftstoff- Verhältnis betreibbar ist, und einem Frischluftstrom und einem rückgeführten Abgasstrom. Erfindungsgemäß wird sowohl der Frischluft als auch der rückgeführte Abgasstrom gezielt zugemessen. Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhaft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, das eine präzise Bestimmung der Abgasrückführrate mit geringer Fehlertoleranz ermöglicht.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, die mit unterschiedlichem Luft/Kraftstoff- Verhältnis betreibbar ist, mit einem Frischluftstrom und ei- nem rückgeführten Abgasstrom.
Die Abgasrückführung insbesondere bei Brennkraftmaschinen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die Abgasrückführung spielt aufgrund des positiven Einflusses auf das Abgasverhalten eine wichtige Schlüsselrolle für die Erfüllung und Einhaltung der aktuellen und in naher Zukunft geforderten strengen Abgasnormen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die mit hohem Luftanteil betrieben werden, wodurch der Anteil der Stickoxyde (NOx) im Abgas enorm zunimmt, wird mit dieser Technologie ein Abbau der Stickoxyde von bis zu 80% erreicht.
Um die Abgasgrenzwerte zu erfüllen, muss das Gemisch (Frischluft/Kraftstoff-Verhältnis) im Brennraum so einge- stellt werden, dass sich ein optimaler Kompromiss aus NOx- und Partikelemission ergibt. Dazu wird mittels der Steuereinheit der Brennkraftmaschine z. B. durch Veränderung der AGR-Rate oder Eingriff in die elektronisch gesteuerte Drosselklappe (EGAS) das Frischluft/Kraftstoff-Verhältnis so verändert, dass die gewünschte Abgaszusammensetzung erreicht wird.
Für eine insbesondere emissionsoptimale Regelung eines Verbrennungsmotors, z. B. eines aufgeladenen Dieselmotors ist die genaue Kenntnis einer möglichst großen Anzahl von Betriebsparametern des Motorsystems von entscheidender Bedeutung. Ein derartiger Betriebsparameter ist bei einem Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, beispielsweise der Abgasrückführmassenstrom, d. h., der Massenstrom des von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases, welches über eine Abgasrückführleitung einer Mischstelle zugeführt wird, wo das Abgas mit angesaugter Frischluft gemischt wird, um das daraus resultierende Frischluft/Abgasgemisch den Brennräumen des Verbrennungsmotors zuzuführen. Auch die so genannte Ab- gasrückführrate, d. h. der Quotient aus dem angesaugten
Frischluftmassenstrom und dem Abgasrückführmassenstrom, ist für die Einhaltung von Abgasbestimmungen wichtig.
Die genaue Zudosierung der exakten Luft- und Kraftstoffmenge erlangt bei mager laufenden niedrig emittierenden Verbrennungsmotoren aufgrund der hohen Emissionsintensität eine immer höhere Bedeutung. Ein verbreitetes Mittel zur Emissionsreduzierung heutiger Motoren (Otto- und Dieselmotoren) stellt insbesondere auch hier die Abgasrückführung dar, wel- che den Sauerstoffanteil in der Ansaugluft absenkt und dadurch Stickoxydemissionen reduziert. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass mit abnehmendem Sauerstoffgehalt die Verbrennung zu stärkerer Russbildung neigt. Daraus ergibt sich der bekannte "Partikel/Stickoxyd-Tradeoff" beim Diesel- motor, der eine gegenseitige Abhängigkeit der Stickoxyde und Partikelemissionen als Funktion der Abgasrückführrate bezeichnet. Der exakten Einstellung der Rückführrate im Betrieb kommt daher eine außerordentlich wichtige Bedeutung für die Einhaltung von Emissionsgrenzen zu.
Bei heutigen Regelungskonzepten wird üblicherweise entweder die Frischluftmenge oder die rückgeführte Abgasmenge eingeregelt, woraus sich der jeweils andere Massenstrom einstellt gemäß der Abhängigkeit: Masse-Frischluft + Masse-Abgas = Schluckvermögen des Motors
(D
Dabei wird üblicherweise am jeweiligen Lastpunkt ein gegebe- nes Schluckvermögen gemäß Gleichung (1) angesetzt, d. h., es ergibt sich die Beziehung:
Masse-Frischluft + Masse-Abgas = Kl (=konstant) (2)
Diese Beziehung gilt grundsätzlich auch für aufgeladene Motoren sowie für einen angedrosselten Betrieb. Der einzige Unterschied zum reinen Saugbetrieb besteht hierbei in der Einstellbarkeit des Schluckverhaltens nach dem bekannten Gasgesetz :
p • V = mRT ( 3 ) ,
wobei p den Druck, V das Volumen, m die Masse, R die Gaskonstante und T die Temperatur bezeichnet, d. h. der Massen- bzw. Volumenstrom hängt vom Saugrohrdruck ab. Prinzipiell gilt die Gleichung (2) weiterhin, da auch der Zielsaugrohrdruck eine feste Kalibrierungsgröße darstellt und somit zu jedem Lastpunkt das Zielschluckvermögen eindeutig vorgegeben ist.
Dies bedeutet in der Praxis, dass einer der beiden Massenströme gemäß Gleichung (2) durch einen Vorsteuerzielwert, der kleiner ist als das Schluckvermögen, eingeregelt wird und das verbleibende Volumen durch den jeweils anderen Strom aufgefüllt wird. Dies führt dazu, dass sich sämtliche ToIe- ranzen, welche die Konstante Kl beeinflussen, negativ auf diese Auffüllmenge und damit letztlich auf die Genauigkeit des Zumessverhältnisses aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, auswirken. Die wesentlichen Einflussparameter auf Kl ergeben sich aus den Produktionstoleranzen bei der Fertigung von Motor und Luftversorgungssystem, aus der Veränderung im Betrieb, z. B. durch Ablagerungen im Ansaugsystem, bei aufgeladenen Motoren durch die Gesamttoleranz der Aufladung (Turbolader, Sensorik, Regelung bzw. Vorsteuerung, usw.) sowie im Falle einer Androsselung durch die Genauigkeit der Drosselung.
Bei heutigen Turbodieselmotoren wird üblicherweise der Frischluftwert sowie der Ladedruck vorgegeben, letzterer häufig nur vorgestellt, also vergleichsweise ungenau. Der Abgasmassenstrom stellt sich automatisch ein und wird aus der Differenz zwischen dem Zielschluckvermögen Kl und dem aktuellen Frischluftwert sowie allen Toleranzen, welche Kl beeinflussen, ermittelt. Dabei ist die negative Auswirkung dieser Toleranzen auf das Emissionsverhalten erheblich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung anzugeben, das eine präzise Bestimmung der Abgasrückführrate mit geringer Feh- lertoleranz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander ein- gesetzt werden können sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückfüh- rung, die mit unterschiedlichem Luft/Kraftstoffverhältnis betreibbar ist, und einem Frischluftstrom sowie einem rückgeführten Abgasstrom, zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl der Frischluft- als auch der rückgeführte Abgasstrom gezielt zugemessen werden, indem eine Messgröße sowohl für den Frischluft- als auch für den rückgeführten Abgasstrom verwendet wird. Diese Messgröße kann direkt durch einen Massenoder Volumenstrommesser erfolgen oder indirekt, z. B. über einen Druckverlust über eine bekannte Drosselstelle. Dieser Druckverlust kann entweder direkt gemessen oder abgeleitet werden, z. B. aus einem Drehzahlsignal des Turboladers, aus der sich dann der Lade- und/oder Abgasgegendruck errechnen lässt, oder aus einem in der Motorsteuerung errechneten Wert. Daraus ergibt sich das Schluckvermögen als resultierende Größe, welche z. B. durch eine entsprechende Einstel- lung des Ladedrucks oder eine leichte Androsselung eingestellt wird. Für moderne Motoren sind weitere Einstellungen möglich, wie z. B. die Verwendung eines variablen Ventiltriebs, oder die Verwendung von Schaltklappen oder -röhren oder ähnliches.
Es ist durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, den herkömmlich verwendeten Drucksensor zu ersetzen, da sich der Druck bei Kenntnis der Massenströme aus Gleichung (3) bestimmen lässt. Die Verwendung eines zusätzlichen Drucksen- sors kann jedoch dann von Vorteil sein, wenn der Ladedruck aus Sicherheits- oder OBD-Gründen (Onboard-Diagnostik) er- fasst werden soll, um die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem zusätzlichen Messwert abzugleichen.
Alternativ kann der Abgasmassenstrom auch über einen Druckabfall über der Abgasrückführstrecke ermittelt werden. Hierfür werden entweder zwei Absolutdrucksensoren, wovon einer ein Ansaugdrucksensor sein kann, oder ein Differenzdrucksensor benötigt. Für Turbomotoren gilt, dass sie im unteren Lastbereich entlang der Pumpgrenze des Verdichters betrieben werden, welche eine limitierende Größe für die Regelung des Schluckvermögens darstellt. Da eine Androsselung hier in der Praxis e- benfalls nicht erwünscht wäre, entfällt die Möglichkeit das Schluckvermögen entsprechend einzustellen. Hier würde man in der Praxis die beschriebene Strategie in ihrer Regelcharakteristik begrenzen, so dass der Lader im unteren Bereich weiterhin entlang der Pumpgrenze betrieben wird. Sobald die Charakteristik des Laders einen zusätzlichen Luftüberschuss ermöglicht, wird der Regler aktiv. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass hier lediglich die Einzeltoleranzen der Luft- bzw. Abgasströme negativ in die Messgenauigkeit für den Sauerstoff in der Ansaugluft eingehen, welche mit modernster Sensorik und Aktuatorik sehr genau dosiert werden können. Alle Toleranzen des Luftsystems wie die o. g. Parameter auf Kl und hier insbesondere die Veränderung des Motors über dessen Lebensdauer, werden automatisch ausgeregelt. Da moderne Emissionsgesetzgebungen eine dauerhafte Einhaltung von Emissionsgrenzen auch von Motoren im Betrieb erfordern, ist dieser Vorteil erheblich. Unter der Voraussetzung einer hinreichend exakten Bestimmung der Luft- bzw. Abgasströme kann mit dieser Strategie eine deutliche Reduktion der Gesamtzumessgenauigkeit und damit Ver- besserung des Emissionsverhaltens erzielt werden.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigt schematisch:
Fig. 1 eine Darstellung der Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung . Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausfuhrungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit Abgasruckfuhrung. Über ein Luftfilter 1, einen Luftmassensensor 2, eine Drosselklappe 3 und ein Ansaugrohr 4 strömt Luft in einen Ver- dichter 5 eines Turboladers. Die komprimierte Luft strömt dann über einen Ladeluftkuhler 6 und ein Abgasruckfuhrventil 7 in einen Einlass 8, der zum Brennraum 9 fuhrt. Über den Auslass 10 gelangen die Abgase nun in den Abgastrakt 11, wo sie teilweise über die Abgasruckfuhrung 12 mit Abgasmassen- sensor 13 zum Abgasruckfuhrventil 7 zurückgeführt oder an den Kompressor des Turboladers weitergeleitet werden.
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhaft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftma- schine mit Abgasruckfuhrung, das eine präzise Bestimmung der Abgasruckfuhrrate mit geringer Fehlertoleranz ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, die mit unter- schiedlichem Luft/ Kraftstoff-Verhältnis betreibbar ist und einem Frischluftstrom und einem rückgeführten Abgasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Frischluft- als auch der rückgeführte Abgasstrom gezielt zugemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Messgröße für den Frischluftstrom bzw. für den rückgeführten Abgasstrom bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße für den Frischluftstrom bzw. für den zugeführten Abgasstrom direkt durch einen Massen- und/oder Volumenstrommesser ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren die Verwendung eines Drucksensors ersetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Messgröße für den Frischluftstrom bzw. für den rückgeführten Abgasstrom indirekt über einen Drucksensor an einer Drosselstelle ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Drucksensor ein Ansaugdrucksensor verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass zur Druckbestimmung ein Tur- bodrehzahlsignal verwendet wird und aus der gemessenen Turbodrehzahl der Lade- und/oder Abgasgegendruck errechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Turbodrehzahl ein Turbodrehzahlsensor verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass zur Druckbestimmung ein errechneter Wert aus dem Motorsteuergerät verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz des Verfahrens in Turbomotoren diese im unteren Lastbereich entlang der Pumpgrenze des Verdichters betrieben werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Schluck- Vermögens eine Drosseleinrichtung für die Ansaugluft o- der eine verstellbare Aufladeeinrichtung oder eine variable Ansaugeinrichtung oder ein variabler Ventiltrieb verwendet werden.
EP06793358A 2005-12-16 2006-09-08 Verfahren zur regelung eines verbrennungsprozesses einer brennkraftmaschine mit abgasrückführung Withdrawn EP1963644A1 (de)

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