Verfahren zur Überwachung der Abqasrückführunq einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen der Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine mittels Druckerfassung, bei dem Abgas von einer Auslassseite einer Brennraumanordnung über einen Abgasrückführungskanal zu einer Einlassseite der Brennraumanordnung zurückgeführt wird.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren ist in der DE 42 03 235 A1 angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren werden mittels einer Ausfalldiagnosevorrichtung einer Abgas-Rückführungs-Steuereinrichtung in einer Ansaugleitung aufeinander folgend Druckwerte erfasst und die aufeinander folgenden Druckwertdifferenzen
akkumuliert. Aus dem akkumulierten Wert wird durch Vergleich mit einem vorgegebenen Wert eine Ausfalldiagnose der Abgasrückführ-Steuereinrichtung durchgeführt. Bei einem derartigen indirekten Verfahren müssen für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine sorgfältige Anpassungen vorgenommen werden, um Fehldiagnosen zu vermeiden. Der erforderliche Aufwand ergibt zusätzlich höhere Kosten.
Bei einem in der US 5,664,548 vorgeschlagenen weiteren Verfahren dieser Art werden auf der Auslassseite der Brennkraftmaschine Pulsamplituden der Abgasströmung erfasst, um den Zustand der Abgasrückführung zu ermitteln. Auch diese indirekte Vorgehensweise ist relativ aufwendig. Dabei sind weitere Sensoren nachteilig und insbesondere Sensoren, die dem Abgasstrom ausgesetzt sind, sind starken Temperaturbelastungen und Störungen durch Partikelablagerungen unterworfen.
Unter Abgasrückführung (AGR) ist vorliegend die dosierte Einleitung von Abgas von der Ausgangsseite der Brennkraftmaschine in den Ansaugbereich zu verstehen. Dazu wird üblicherweise durch die vorhandene Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine ein Abgasrückführventil in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gesteuert. Wenn aber das Ventil nicht den erwarteten Abgasmassenstrom dosiert (z.B. wegen unvollständiger Öffnung des Ventils durch Verschmutzung und Ablagerungen oder Querschnittsverringerungen im Wege des Abgases von der Abgasseite der Brennkraftmaschine zur Luftansaugseite), werden zulässige Grenzwerte für die Abgasemissionen über-
schritten und nicht optimale Steuersignale (z.B. Zündzeitpunkt) durch die
Steuervorrichtung ermittelt.
Neben den vorstehend genannten Verfahren zur Überwachung der Abgasrückführung sind noch verschiedene andere Grundprinzipien bekannt. Hierzu gehören eine Messung und Überwachung der durch die aktive Abgasrückführung hervorgerufenen Temperaturänderungen, wobei sich ein Temperatursensor zwischen dem Abgasrückführventil und dem Ansaugbereich befindet, wie z.B. in der US 6,085,732 angegeben. Auch eine Messung und Überwachung des durch die aktive Abgasrückführung hervorgerufenen Gasmassenstroms ist vorgeschlagen worden. In der DE 42 24 21 9 A1 ist eine Überwachung des Stickoxyds im Abgas mit einem NOx-Sensor und Rückschluss auf die Rate der Abgasrückführung vorgeschlagen, während die DE 42 1 6 044 A1 eine Beobachtung des Anstiegs der Verbrennungsaussetzer-Rate mit zunehmender Öffnung des Abgasrückführ- ventils offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit dem bei möglichst geringem Aufwand eine möglichst zuverlässige Überwachung der Abgasrückführung erreicht wird.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass in mindestens einem Brennraum ein Druckverlauf erfasst wird und daraus eine thermodynamische Kenngröße als Ist-Wert ermittelt wird, dass
ein den aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine berücksichtigender Soll- Wert der Kenngröße bereitgestellt und eine Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert bestimmt wird und dass aus der Abweichung eine Information über den aktuellen Zustand der Abgasrückführung im Vergleich zu deren Normalzustand gewonnen wird .
Mit diesen Maßnahmen wird ein direktes Verfahren erhalten, wobei das System zur Überwachung der Abgasrückführung keine zusätzliche Sensoren benötigt und der Verbrennungsablauf direkt analysiert wird. Das Verfahren macht sich die vorhandene Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine zunutze, die mit Aufneh- mern für den Brennraum- bzw. Zylinderdruck für zumindest einen, beispielsweise jeden zu überwachenden Zylinder der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Steuereinrichtung wirkt in üblicher Weise auch auf das Abgasrückführventil, um den für den optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Abgas- Massenstrom einzustellen. Der Verlauf des Zylinderdrucks und gegebenenfalls davon abgeleitete Größen werden als Eingangssignal für verschiedene Steuerungsfunktionen in der Steuereinrichtung verwendet. Ausgangssignale der Steuerung sind z.B. Steuersignale für die Kraftstoffzumessung und die Steuerung der Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches.
Das Verfahren beruht auf der bekannten Abhängigkeit des Verbrennungsablaufs von dem relativen Anteil des zurückgeführten Abgases an der Gesamtfüllung jedes Zylinders mit Luft und Kraftstoff. Je gößer dieser relative Anteil an Abgas ist, desto länger dauert die Umsetzung des Kraftstoffes während der Verbrennung. Dies ist durch den Charakter des Abgases als Inert-Gas zu erklären, das keinen Beitrag zur chemischen Reaktion von Kraftstoff und Luft-Sauerstoff lie-
fert. Die Bestimmung der Umsetzung des Kraftstoffes erfolgt durch die Anwendung thermodynamischer Berechnungen. Wesentliche Eingangsgröße der ther- modynamischen Berechnung ist der gemessene Zylinderdruck. Das Resultat dieser Berechnung für einen in der Regel vollständigen Verbrennungszyklus wird dann in der Steuereinrichtung mit einem Soll-Wert verglichen. Der Soll-Wert wird vorzugsweise während der Ermittlung der Steuerparameter für die Brennkraftmaschine für verschiedene relative Anteile der Abgasrückführung an den für die Überwachung zu erwartenden Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (z.B. Drehzahl und Luftfüllung sowie Betrag der Ansteuerung des Abgasrückführven- tils) in der Regel im Prüfstand einmalig ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens für eine zuverlässige Überwachung der Abgasrückführung besteht darin, dass als thermodynamische Kenngröße eine Zeitdifferenz oder eine Kurbelwellen-Winkeldifferenz zwischen einem prozentualen Energieumsatzpunkt und einem in der Steuereinrichtung be- kannten Bezugszeitpunkt oder Bezugswinkel zugrunde gelegt wird.
Eine einfache Vorgehensweise mit zuverlässiger Messung wird dadurch begünstigt, dass der Druckverlauf durch Abtasten zu festen Kurbelwellen-Winkeln oder Zeitabständen erfasst wird und die abgetasteten Druckwerte als Datenfolge während zumindest eines Teils eines Verbrennungszyklus abgespeichert werden.
Eine für die Auswertung vorteilhafte Vorgehensweise wird auch dadurch erreicht, dass die thermodynamische Kenngröße auf der Grundlage des Druckverlaufs aus einem Brennverlauf, bei dem die insgesamt freigewordene Wärme- menge berechnet wird, oder aus einem Heizverlauf, bei dem die dem Brenngas
zugeführte Wärmemenge berechnet wird, während zumindest eines Teils eines
Verbrennungszyklus ermittelt wird.
Zum Ermitteln der thermodynamischen Kenngröße ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Heizverlauf nach dem Zusammenhang dQh = dU + p*dV berechnet wird, wobei dQh die zugeführte Wärmemenge, dU die Erhöhung der inneren
Energie des Brenngases und p *dV die abgegebene mechanische Arbeit bedeuten, und dass aus der zugeführten Wärmemenge dQh durch Integration über den Kurbelwellen-Winkel ein prozentualer Anteil des Energieumsatzes ermittelt wird.
Im Einzelnen ergibt sich ein günstiger Verfahrensablauf dadurch, dass der prozentuale Energieumsatzpunkt nach der Formel
Q, = [n/(n-1 )] *p,*(VI+ 1-VM) *[l /(n-1 )] + VI*(pI+ pM ) berechnet wird, wobei n den Polytropenexponenten, p den Druck im Brennraum, V das Zylindervolumen und i einen laufenden Index des abgetasteten und gespeicherten Zylinderdrucks von Beginn bis zum Ende eines Berechnungsintervalls bedeuten, oder aus einer aus dieser Formel abgeleiteten Formel berechnet wird, und dass der prozentuale Energieumsatz durch Integration der Wärmemengen Qi über einen vollständigen Arbeitszyklus nach Bestimmen des 1 00 %-Energieumsatzes ermittelt und daraus der dem prozentualen Energieumsatz entsprechende Kurbelwellen-Winkel bestimmt wird.
Eine zuverlässige Überwachung der Abgasrückführung wird z.B. dadurch erzielt, dass als prozentualer Energieumsatzpunkt der 50 % Energieumsatzpunkt zugrunde gelegt wird.
Weiterhin sind für die Überwachung der Abgasrückführung die Maßnahmen vorteilhaft, dass die Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert mit einem positiven und nega-
tiven Grenzwert verglichen wird, die die Toleranzen der Kenngrößenberechnung und des
Soll-Wertes berücksichtigen.
Verschiedene Möglichkeiten zum Erfassen des Druckverlaufs bestehen darin, dass der Druckverlauf direkt mittels eines in mindestens einem Brennraum angeordneten Sensors oder indirekt bestimmt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich dadurch, dass die ermittelten Abgasrückführungsdaten in der Steuereinrichtung für eine Fehlerdiagnose mit Fehlerabspeicherung und/oder Fehleranzeige und/oder für Steuerungs- zwecke, insbesondere Nachregulierung eines Abgasrückführventils, ausgewertet werden.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung vorliegend wesentlicher Teile einer Brennkraftmaschine und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm der Überwachung einer Abgasrückführung.
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Zylinderanordnung einer Brennkraftmaschine mit Zylindern ZYL1 , ZYL2 ... ZYLn, die zwischen ihrer (nicht
dargestellten) Ausgangsseite zu ihrer (ebenfalls nicht dargestellten) Eingangsseite beziehungsweise ihrem Ansaugbereich über einen Abgasrückführkanal ARK mit darin angeordnetem Abgasrückführventil ARV für die Abgasrückführung AR verbunden ist. Üblicherweise ist dabei für alle Zylinder ZYL1 ... ZYLn gemeinsam eine derartige Abgasrückführung AR vorgesehen, jedoch auch eine individuelle Abgasrückführung AR über jeweilige Abgasrückführkanäle ARK ist denkbar. Die Zylinder ZYL1 ... ZYLn sind mit jeweiligen Druckaufnehmern PA für den Brennraum- bzw. Zylinderdruck versehen, deren Signale einer Steuereinrichtung ST zur Verarbeitung, Auswertung und gegebenenfalls Ansteuerung des Abgasrückführventils ARV zugeführt werden. Bei der Steuereinrichtung ST handelt es sich um eine übliche Motor-Steuereinrichtung, die eine Vielzahl von Überwachungs- und Steuerungsfunktionen der Brennkraftmaschine erfüllt und unter anderem mit geeigneten Speichereinrichtungen versehen ist, um z.B. vorgegebene Werte und ermittelte Werte abzuspeichern und etwa eine Fehlerdiagnose durchzuführen.
Fig. 2 zeigt einen Verfahrensablauf bei der Überwachung der Abgasrückführung AR.
Nach einem Beginn eines Arbeitszyklus in einem Schritt S1 (z.B. Einspritzzeitpunkt oder Zündzeitpunkt) wird in einem Schritt S2 der Zylinderdruck bei vorzugsweise einem festen Kurbelwellenwinkel abgetastet und erfasst und in einem Schritt S3 gespeichert. Anschließend wird in einem Schritt S4 festgestellt, ob der Arbeitszyklus (z.B. bei einem bestimmten abgefallenen Zylinderdruck oder Kurbelwellenwinkel) beendet ist. Falls der
Arbeitszyklus nicht beendet ist, werden die vorangegangenen Schritte wiederholt, bis das Ende des Arbeitszyklus festgestellt wird. Danach wird der Ist-Wert einer für die Abgasrückführung charakteristischen thermodynamischen Kenngröße in einem Schritt S5 ermittelt und aus einer Speichertabelle oder einem zuvor gespeicherten Kurven- verlauf in der Steuereinrichtung der den aktuellen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine entsprechende Soll-Wert in einem Schritt S6 bereit gestellt. Bei einem anschließenden Soll-Wert/lst-Wert-Vergleich in einem Schritt S7 wird festgestellt, ob die Abweichung größer als ein vorgegebener Grenzwert ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird
in einem Schritt S8 festgestellt, ob die Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert einen weiteren vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Falls in dem Schritt S7 oder dem Schritt S8 festgestellt wird , dass der Grenzwert überschritten beziehungsweise unterschritten ist, wird in einem Schritt S9 eine Information über einen Fehler bei der Abgasrückführung beziehungsweise des Abgasrückführsystems gespeichert. Mit dieser Information kann dann mittels der Steuereinrichtung eine Diagnoseanzeige gesteuert oder es können weitere oder andere Steuerungsfunktionen, beispielsweise eine Nachregulierung des Abgasrückführventils ARV zur Anpassung an einen versotteten Abgas- rückführkanal ARK, ausgelöst werden.
Der Soll-Wert, der als Parameter in der Steuereinrichtung abgelegt ist, berücksichtigt den aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine z.B. entsprechend der Drehzahl, der Luftfüllung oder einer eingestellten Abgasrückführrate. Die beiden vorgegebenen Grenzwerte berücksichtigen die Toleranzen bei der Kenngrößenberechnung und des Soll- Wertes.
Für die Anzeige der abnormalen Abgasrückführung AR oder für die Durchführung anderer Steuerungsfunktionen wird üblicherweise eine bestimmte Anzahl von Überschreitungen abgewartet, um die Zuverlässigkeit der Auswertung zu erhöhen.
In einer Erweiterung der Steuer- bzw. Diagnosefunktion kann die Ansteuerung des
Abgasrückführventils ARV durch die Steuereinrichtung so beeinflusst werden, dass die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert ausgeregelt wird. Damit können z.B. zunehmende Verschmutzungen des Abgasrückführventils ARV oder des Abgasrückführkanals ARK bzw. der Verbindungsleitungen kompensiert werden.
Die genannte thermodynamische Kenngröße wird so gewählt, dass sie den zeitlichen Ablauf der Verbrennung beschreibt. An sich bekannte Größen hierfür sind der sogenannte Brennverlauf, der die insgesamt freigewordene Wärmemenge berechnet und
der sogenannte Heizverlauf, der die dem Gas zugeführte Wärmemenge berechnet. Der
Heizverlauf ist einfacher zu berechnen, da z.B. die Wandwärmeverluste nicht berücksichtigt werden, und wird durch den Zusammenhang dQh = dU + p*dV bestimmt, wobei dQh die zugeführte Wärmemenge, dU die Erhöhung der inneren Ener- gie des Gases und p*dV die abgegebene mechanische Arbeit bedeuten. Aus der Größe dQh wird durch Integration über den Kurbelwellenwinkel a der prozentuale Anteil des Energieumsatzes über dem Kurbelwellenwinkel ermittelt. Aus verschiedenen Untersuchungen ist bekannt, dass z.B. der Kurbelwellenwinkel σE50 %, bei dem 50% des Energieumsatzes erfolgt sind, eine Korrelation mit dem relativen Anteil der Abgas- rückführung an der Zylinderfüllung (Abgasrückführrate) aufweist. Dabei ist der 50 %-
Energieumsatz allerdings noch nicht eindeutig der Abgasrückführrate zuordenbar.
Um eine eindeutige Zuordnung zu erhalten, wird vorliegend die thermodynamische Kenngröße als Differenz aus dem 50 %-Energieumsatzpunkt und dem aktuell ermittelten Zündwinkel σz über den Zusammenhang
Δσ = σE50 % - az bestimmt. Mit dieser Größe kann die relative Abgasrückführrate ermittelt werden. In der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine ist der Zusammenhang zwischen der Abgasrückführrate und der Kurbelwinkeldifferenz Δσ in Form von Daten, z.B. als Kennfeld oder Funktion Δσso), = f(AGR-Rate) gespeichert. Diese Funktion ist gegebenenfalls um weitere Betriebsparameter zu erweitern.
Für die von der Steuereinrichtung ST eingestellte Ansteuerung des Abgasrückführventils ARV wird die zugehörige Kenngröße ΔσS0l, als Sollwert aus den gespeicherten Daten für den betreffenden Verbrennungszyklus ermittelt. Zudem berechnet die Steuereinrichtung
ST aus dem Zylinderdrucksignal beziehungsweise der Datenfolge des abgetasteten
Druckverlaufs den dem 50 %-Energieumsatzpunkt entsprechenden 50 %-Zündwinkel
^Eδo %> der nach Subtraktion des aktuellen Zündwinkels az die Ist-Größe Δσist ergibt.
Bei Brennkraftmaschinen ohne Fremdzündung kann die thermodynamische Kenngröße Δα auch zum Beispiel durch Ersetzen des Zündwinkels az erfolgen. Eine mögliche Realisierung einer solchen Ersatzgröße ist z.B. der Winkel des Spritzbeginns für den
Kraftstoff.
Eine einfache Möglichkeit zur Berechnung des 50 %-Kurbelwellenwinkels (50 %- Energieumsatz-Winkel) in der Steuereinrichtung ergibt die Formel Q, = [n/(n-1 )] *pl* {V,+1-VM) + [1 /(n-1 )] *Vl* (pl+ 1-pM ) wobei Qj die Wärmemenge, n den Polytropenexponenten, p den Zylinderdruck, V das jeweilige Zylindervolumen und i den laufenden Index des abgetasteten und gespeicherten Zylinderdrucks von Beginn bis Ende des Berechnungsintervalles darstellen, das nicht notwendig den gesamten Verbrennungszyklus umfassen muss. Es kann eine Einschränkung auf einen relevanten Teil des Verbrennungszyklus im Bereich der
Energiefreisetzung aus dem Kraftstoff erfolgen.
Nach Integration der Wärmemengen Qi über den vollständigen Arbeitszyklus, d.h. bis zur Bestimmung des 100 %-Energieumsatzwertes, kann der Kurbelwellenwinkel σE50 % ermittelt werden, der dem 50 %-Energieumsatz entspricht. Ähnlich ist es auch denkbar, einen Kurbelwellenwinkel αEk % zu ermitteln, der einem k %-Energieumsatz entspricht.
Für die beschriebene Bestimmung der thermodynamischen Kenngröße reicht es, den Druckverlauf an nur einem Zylinder zu erfassen, es können aber auch die Druckverläufe an mehreren, insbesondere allen Zylindern ZYL1 ... ZYLn für die Berechnung der thermodynamischen Kenngröße erfasst werden.