WO2005111401A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer abgasrückführungsrate - Google Patents

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Stefan KÜNZEL
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining an exhaust gas recirculation rate with the features according to the preamble of claim 1 and an arrangement for exhaust gas recirculation with the features according to the preamble of claim 5.
  • the internal combustion engine has at least one exhaust gas line with a branch as well as an exhaust gas recirculation line branching off at the branch from the exhaust gas line.
  • An exhaust gas flow routed through the exhaust gas line is, if necessary, divided into a derived partial exhaust gas stream and a recirculated exhaust gas partial flow at the branch. Under certain operating conditions, the recirculated exhaust gas partial stream is mixed with an intake air stream.
  • combustion conditions in the internal combustion engine can be adapted to the requirements, in particular with regard to the pollutant content in the exhaust gas.
  • the exhaust gas recirculation rate that is actually set during operation of the internal combustion engine can be determined in a known manner by the mass flows coming into and out of the internal combustion engine.
  • a variety of methods for determining the exhaust gas recirculation rate are known, in which an entering
  • Combustion air mass flow a cylinder charge and / or an exhaust gas mass flow is determined.
  • pressure probes are used, for example, by means of which z. B. the dynamic pressure, a volume flow can be determined.
  • the gas density is included in the calculation.
  • the gas density also depends on the gas temperature, as a result of which a temperature measurement is also carried out.
  • the measurement of the temperature of a gas stream is sluggish.
  • the temperature value determined by measurement can deviate significantly from the actual temperature.
  • the exhaust gas recirculation rate determined from the deviating temperature measurement value can lead, in particular under transient operating conditions, to an adjustment of the exhaust gas recirculation rate apart from the attainable optimum.
  • Exceeding permitted exhaust gas limit values cannot be ruled out. This disadvantageous effect can be exacerbated, for example, by sooting the temperature measuring probe, which can lead to incorrect settings of the exhaust gas recirculation rate even during smooth operation of the internal combustion engine due to measuring errors.
  • the invention has for its object to provide a method for determining an exhaust gas recirculation rate with improved accuracy.
  • the invention is further based on the object of specifying a suitable arrangement for carrying out a corresponding method.
  • a respective volume flow is determined in the derived partial exhaust gas flow and in the recirculated partial exhaust gas flow, and the exhaust gas recirculation rate is determined by forming the quotient of the two volume flows.
  • two differential pressure probes are provided, of which at least one differential pressure probe is arranged downstream of the branch in the exhaust gas line and / or in the exhaust gas recirculation line. Using the differential pressure probes, the corresponding volume flows can be determined reliably and quickly in a simple manner.
  • the exhaust gas recirculation rate is defined as the quotient of the mass flow of the recirculated exhaust gas partial flow and the Mass flow of the derived partial exhaust gas flow.
  • the respective mass flow results from the volume flow and the gas density.
  • the gas density is no longer included in the calculation of the exhaust gas recirculation rate. It is not necessary to determine the gas density by measuring the temperature and the absolute pressure. All that is required is a measurement of the two volume flows mentioned.
  • the respective volume flow can be measured quickly without any significant delay, for example by measuring the differential pressure and in particular by measuring the respective dynamic pressure. Even in transient operation of the internal combustion engine, there are precise measured values and thus values of the current exhaust gas recirculation rate.
  • the exhaust gas recirculation rate can be quickly set or adjusted to the required value.
  • the method and the arrangement according to the invention are also insensitive to disturbance variables. Contamination on the differential pressure probes occurs essentially uniformly. Measurement errors caused thereby cancel each other out at least approximately over the quotient formation described above.
  • the two differential pressure probes are at least approximately at locations same gas density arranged in the exhaust pipe or in the exhaust gas recirculation line.
  • the above-described shortening of the gas density of both partial exhaust gas streams can be done without correction factors or the like. be made.
  • a precise mathematical determination of the exhaust gas recirculation rate from the two measured differential pressure or dynamic pressure values can be done with simple means.
  • the two differential pressure probes are expediently arranged at a short distance from the branch. It is ensured that different cooling effects or the like are negligible in the two partial exhaust gas streams under all operating conditions and with changing exhaust gas recirculation rates.
  • the two differential pressure probes are advantageously at least approximately the same distance from the branch in relation to the respective flow path in the exhaust gas line or exhaust gas recirculation line. Changes in the gas density caused, for example, by cooling along the flow path are at least approximately the same in both partial flows. Both differential pressure and dynamic pressure measurements are based on an at least approximately the same gas density, as a result of which the calculated exhaust gas recirculation rate is correspondingly accurate without taking the gas density into account.
  • the differential pressure probe is expediently arranged in the flow direction between the branch and the exhaust gas turbocharger.
  • the respective differential pressure probe is advantageously designed as a dynamic pressure probe for determining the dynamic pressure by measuring a total pressure and a static pressure in the respective partial exhaust gas flow.
  • the differential pressure between the total pressure measured and the static pressure is formed, the differential pressure corresponding to the dynamic pressure.
  • the resulting measured value of the dynamic pressure is independent of fluctuations in the static ambient pressure.
  • the exhaust gas recirculation rate that can be derived from this can be precisely determined even under changing climatic ambient conditions.
  • Exhaust gas recirculation rate is expediently corrected taking into account a proportion of fuel in the exhaust gas flow.
  • Corresponding correction factors for this are advantageously stored in a map, in particular in an engine control unit of the internal combustion engine.
  • An adjustment, in particular by means of correction factors stored in the form of a map, has proven to be sufficiently precise.
  • a measurement of the fuel content in the exhaust gas flow or in the recirculated exhaust gas partial flow and the associated measurement outlay can be dispensed with.
  • the rapid determination of the exhaust gas recirculation rate via dynamic pressure measurement which is suitable for dynamic changes, is not impaired.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of an internal combustion engine with an exhaust pipe and an exhaust gas recirculation line, each with a dynamic pressure probe.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the arrangement according to FIG. 1 in the region of the branch in the exhaust pipe;
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of the exhaust pipe according to FIG. 2 with a basic illustration of the dynamic pressure probe arranged there;
  • FIG. 4 shows an exemplary representation of a map of correction factors for taking into account a fuel fraction in the exhaust gas flow when determining the exhaust gas recirculation rate.
  • Fig. 1 shows in a schematic block diagram of an internal combustion engine 1 and an engine control unit arranged thereon 8. From the internal combustion engine 1, an exhaust pipe 2 through which an entire exhaust gas flow is derived rri ges leads. A branch 3 is provided in the exhaust line 2, on which an exhaust gas recirculation line 4 branches off from the exhaust line 2. Through the branch 3, the exhaust pipe 2 is divided into a first section 10 and a second section 11.
  • the internal combustion engine 1 is supplied with an air mass flow m L and a fuel mass flow m B.
  • the combustion of the fuel mass flow m B with the air mass flow m L results in the entire exhaust gas flow geS, which is derived at least through the first section 10 of the exhaust pipe 2.
  • the entire exhaust gas flow ⁇ i ges can, if necessary, be divided at branch 3 into a derived partial exhaust gas flow ⁇ Abg s and a recirculated partial exhaust gas flow EGR become.
  • the derived exhaust gas partial flow ma ⁇ gas is conveyed into the open through the second section 11 of the exhaust gas line 2, while the recirculated exhaust gas partial flow m EGR is supplied to the air mass flow m L via the exhaust gas recirculation line 4.
  • the two volume flows of the derived exhaust gas partial flow with exhaust gas and the recirculated exhaust gas partial flow m EGR are determined.
  • the two volume flows can be determined by any suitable arrangement.
  • a differential pressure probe 5, 6 is advantageously arranged downstream of the branch 3 both in the second section 11 of the exhaust gas line 2 and in the exhaust gas recirculation line 4, the two differential pressure probes 5, 6 being only a short distance from the branch 3.
  • An embodiment can also be expedient in which one of the two differential pressure probes 5, 6 is arranged in the first section 10 upstream of the branch 3, and the remaining differential pressure probe 6, 5 downstream of the branch 3 in the second section 11 or in the exhaust gas recirculation line 4 is provided.
  • the two volume flow values in the second section 11 of the exhaust pipe 2 and in the exhaust gas recirculation pipe 4 can be determined by converting the two determined pressure values.
  • An exhaust gas turbocharger 12 is provided in the exhaust line 2 downstream of the branch 3.
  • the differential pressure probe 5 is arranged in the flow direction between the branch 3 and the exhaust gas turbocharger 12.
  • the two differential pressure probes 5, 6 are connected to the engine control unit 8 via measuring lines 9.
  • a dynamic pressure ⁇ p exhaust gas is measured in the second section 11 of the exhaust pipe 2 and by means of the differential pressure probe 6 a dynamic pressure ⁇ p EGR of the recirculated exhaust gas partial flow m EGR in the exhaust gas recirculation line 4.
  • the measured values determined are fed to the engine control unit 8 via the respective measuring lines 9, the exhaust gas recirculation rate EGR being determined, for example, in accordance with the equations described below in the engine control unit 8.
  • FIG. 2 shows a schematic view of the exhaust pipe 2 according to FIG. 1 in the region of the branch 3.
  • the two differential pressure probes 5, 6 project into the second section 11 or into the section according to their assignment
  • the positioning of the differential pressure probes 5, 6 is chosen so that at their measuring point with different operating parameters of the internal combustion engine 1 (FIG. 1), a gas density p EGR of the recirculated exhaust gas partial flow EGR is at least approximately equal to a gas density a bgas of the derived exhaust gas partial flow mA ga ⁇ .
  • Fig. 3 shows a schematic view of the
  • Differential pressure probe 5 and the exhaust pipe 2 as an example of an arrangement according to FIGS. 1 and 2.
  • the exhaust pipe 2 has a flow cross section A through which the derived exhaust gas partial flow m ⁇ gas flows at a flow rate u.
  • the course of the flow velocity u over the flow cross section A is indicated schematically by an enveloping curve 19.
  • the differential pressure probe 5 passes through the exhaust pipe 2 over its full Flow cross section A and has a number of measuring openings 16, 17 distributed over the flow cross section A.
  • the distributed arrangement of the measuring openings 16, 17 is provided to compensate for the non-linear course of the flow profile indicated by the curve 19.
  • the differential pressure probe 5 is shown in the
  • the measuring chamber 13 is provided on its the flow velocity u side facing the measuring openings 16, as a result in the measurement space 13, a total pressure P tot of the derived partial exhaust gas stream m ⁇ gas ceases.
  • the measuring openings 17 are arranged on the side of the measuring space 14 facing away from the flow velocity u.
  • a static pressure p s tat of the partial exhaust gas flow is established in the measuring space 14 via the measuring openings 17 on.
  • the two measuring spaces 13, 14 are connected to one another via a U-shaped section in which a liquid is located in order to clarify the measuring principle.
  • the difference between the total pressure p tot and the static pressure p stat forms a liquid column 18 in the liquid, the height H of which is a measure of the differential pressure ⁇ p.
  • the differential pressure ⁇ p corresponds to the dynamic pressure A ⁇ g as of the derived exhaust gas partial flow m ⁇ g as .
  • the dynamic pressure ⁇ p ⁇ bg as in conjunction with the known and constant flow cross section A of the exhaust pipe 2 is a measure of the volume flow flowing through the exhaust pipe 2.
  • the differential pressure probe 6 in the exhaust gas recirculation line 4 (FIG. 2) is constructed in an analogous manner. If necessary, the differential pressure probes 5, 6 can also be used as Prandtl's pitot tube, as a Venturi tube, as a measuring orifice or the like. In a simplified embodiment, it is possible to dispense with measuring the static pressure.
  • the EGR exhaust gas recirculation rate is determined in accordance with the following calculation steps. The following definitions apply:
  • A flow cross-section
  • p gas density
  • u gas flow velocity
  • ⁇ coefficient of drag of the dynamic pressure probe (constant).
  • an uncorrected exhaust gas recirculation rate AGR * from equation 3 is determined as follows, the gas density p of the derived exhaust gas partial flow m ⁇ bgas and the returned exhaust gas partial flow m AGR being shortened:
  • the right part of equation 4 corresponds to a quotient of the two volume flows of the derived partial exhaust gas flow m ⁇ gas and the recirculated exhaust gas partial flow m EGR . If the two differential pressure probes 5, 6 according to FIG. 1 are arranged at locations of at least approximately the same gas density p, the uncorrected exhaust gas recirculation rate AGR * according to equation 4 is independent of the gas density p.
  • the gas density p does not need to be determined, for example, by measuring the temperature and the absolute pressure in the exhaust gas stream.
  • the uncorrected exhaust gas recirculation rate EGR * may be considering a fuel portion in the exhaust stream mg it like this in a corrected exhaust gas recirculation rate EGR reconciled.
  • correction factors f are stored in a map, for example according to FIG. 4, in the engine control unit 8 (FIG. 1).
  • 4 shows a characteristic diagram with correction factors f as a function of an engine torque M and a speed n of the internal combustion engine 1.
  • the correction factor f is determined from the map.
  • a typical value of the correction factor f is in the range from 1,025 to 1,045.
  • EGR ⁇ (Equation 6) (l + EGR) * f
  • the corrected exhaust gas rate EGR is also independent of the gas density p; there is no need to measure temperature and absolute pressure in the exhaust gas flow.
  • the method according to the invention and the corresponding arrangement are shown by way of example on an internal combustion engine 1 with an exhaust gas line 2 and an exhaust gas recirculation line 4, but can also be used in a corresponding manner in an internal combustion engine with two or more exhaust gas lines 2 and exhaust gas recirculation lines 4.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate (AGR) bei einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug sowie eine entsprechende Vorrichtung. Die Brennkraftmaschine (1) weist eine Abgasleitung (2) mit einer Abzweigung (3) und eine an der Abzweigung (3) von der Abgasleitung (2) abzweigende Abgasrückführungsleitung (4) auf. Ein durch die Abgasleitung (2) geführter Abgasstrom (mgeS) wird bedarfsweise an der Abzweigung in einen abgeleiteten Abgasteilstrom (mAbgas) und einen rückgeführten Abgasteilstrom (mAGR) aufgeteilt. Es sind zwei Differenzdrucksonden (5, 6) vorgesehen, von denen mindestens eine Differenzdrucksonde (5, 6) stromab der Abzweigung (3) in der Abgasleitung (2) und/oder in der Abgasrückführungsleitung (4) angeordnet ist. Es wird ein jeweiliger Volumenstrom des abgeleiteten Abgasteilstromes (mAbgas) und des rückgeführten Abgasteilstromes (mAGR) ermittelt, wobei die Abgasrückführungsrate (AGR) durch Quotientenbildung der beiden Volumenströme bestimmt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Abgasrückführung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, kann bedarfsweise eine Abgasrückführung vorgesehen sein, wodurch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine und insbesondere das Abgasverhalten verbessert werden soll. Die Brennkraftmaschine weist dazu mindestens eine Abgasleitung mit einer Abzweigung sowie eine an der Abzweigung von der Abgasleitung abzweigende Abgasrückführungsleitung auf. Vergleichbares gilt für Ausführungen, bei denen zwei Abgasleitungen mit je einer Abgasrückführungsleitung vorgesehen sind. Ein durch die Abgasleitung geführter Abgasstrom wird bedarfsweise an der Abzweigung in einen abgeleiteten Abgasteilstrom und einen rückgeführten Abgasteilstrom aufgeteilt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wird der rückgeführte Abgasteilstrom einem Ansaugluftstrom beigemischt . Die
Verbrennungsbedingungen in der Brennkraftmaschine können auf diese Weise den Erfordernissen insbesondere hinsichtlich des Schadstoffgehaltes im Abgas angepaßt werden.
Unter verschärften Emissionsvorschriften ist eine präzise Einhaltung vorgegebener Verbrennungsparameter erforderlich, wozu auch eine genaue Einstellung der Abgasrückführungsrate gehört . Insbesondere bei Motorkonzepten mit einer hohen Abgasrückführungsrate bei hoher Last reagieren die Motoremissionswerte empfindlich auf Schwankungen der Abgasrückführungsrate. Zur Einhaltung der zulässigen Emissionswerte ist eine genaue Bestimmung der Abgasrückführungsrate erforderlich.
Die im Betrieb der Brennkraftmaschine tatsächlich eingestellte Abgasrückführungsrate läßt sich in bekannter Weise durch die in die Brennkraftmaschine ein- bzw. aus ihr heraustretenden Massenströme bestimmen. Es sind eine Vielzahl von Verfahren zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate bekannt, bei der ein eintretender
Verbrennungsluftmassenstrom, eine Zylinderladung und/oder ein Abgasmassenstrom bestimmt wird. Zur Bestimmung der geeigneten Massenströme werden beispielsweise Drucksonden eingesetzt, mittels derer durch Messung z. B. des Staudruckes ein Volumenstrom bestimmt werden kann. Bei der Umrechnung des Volumenstromes in einen Massenstrom zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate geht die Gasdichte in die Berechnung ein. Die Gasdichte ist außer vom Druck auch von der Gastemperatur abhängig, in dessen Folge auch eine Temperaturmessung vorgenommen wird.
Die Messung der Temperatur eines Gasstromes ist träge. Insbesondere bei einem dynamischen, transienten Betrieb der Brennkraftmaschine kann der durch Messung ermittelte Temperaturwert von der tatsächlichen Temperatur erheblich abweichen. Die aus dem abweichenden Temperaturmeßwert ermittelte Abgasrückführungsrate kann insbesondere unter transienten Betriebsbedingungen dazu führen, daß eine Anpassung der Abgasrückführungsrate abseits vom erzielbaren Optimum erfolgt . Ein Überschreiten zulässiger Abgasgrenzwerte ist nicht auszuschließen. Dieser nachteilige Effekt kann noch verstärkt werden beispielsweise durch eine Versottung der Temperaturmeßsonde, die sogar im gleichmäßigen Betrieb der Brennkraftmaschine durch Meßfehler zu Fehleinstellungen der Abgasrückführungsrate führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate mit verbesserter Genauigkeit anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Anordnung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst .
Es wird vorgeschlagen, daß ein jeweiliger Volumenstrom im abgeleiteten Abgasteilstrom und im rückgeführten Abgasteilstrom ermittelt wird, und wobei die Abgasrückführungsrate durch Quotientenbildung der beiden Volumenströme bestimmt wird. Dazu sind insbesondere zwei Differenzdrucksonden vorgesehen, von denen mindestens eine Differenzdrucksonde stromab der Abzweigung in der Abgasleitung und/oder in der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. Mittels der Differenzdrucksonden sind die entsprechenden Volumenströme in einfacher Weise zuverlässig und reaktionsschnell bestimmbar.
Die Abgasrückführungsrate ist definiert als der Quotient aus dem Massenstrom des rückgeführten Abgassteilstromes und dem Massenstrom des abgeleiteten Abgasteilstromes. Dabei ergibt sich der jeweilige Massenstrom aus dem Volumenstrom und der Gasdichte. Bei der erfindungsgemäßen Bestimmung der Abgasrückführungsrate wird davon ausgegangen, daß bei der Bildung des Quotienten der beiden Massenteilströme die Dichte der beiden Gasteilstrδme herausgekürzt werden kann, und daß es in der Folge ausreicht, zur Ermittlung der Abgasrückführungsrate lediglich einen Quotient der beiden entsprechenden Volumenstromwerte • zu bilden. Dadurch ist die Abgasrückführungsrate lediglich eine Funktion der beiden Volumenströme des abgeleiteten Abgasteilstromes bzw. des rückgeführten Abgasteilstromes. Die Gasdichte geht nicht mehr in die Berechnung der Abgasrückführungsrate ein. Auf eine Bestimmung der Gasdichte durch Messung der Temperatur und des Absolutdruckes kann verzichtet werden. Es ist lediglich eine Messung der beiden genannten Volumenstrόme erforderlich. Die Messung des jeweiligen Volumenstromes kann schnell ohne nennenswerte Verzögerung beispielsweise durch eine Differenzdruckmessung und insbesondere durch Messung des jeweiligen Staudruckes erfolgen. Auch im transienten Betrieb der Brennkraftmaschine liegen genaue Meßwerte und damit Werte der jeweils aktuellen Abgasrückführungsrate vor. Die Abgasrückführungsrate kann schnell auf den jeweils erforderlichen Wert eingestellt bzw. eingeregelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung ist auch unempfindlich gegen Störgrößen. Verschmutzungen an den Differenzdrucksonden treten im wesentlichen gleichmäßig auf. Dadurch hervorgerufene Meßfehler heben sich über die oben beschriebene Quotientenbildung zumindest näherungsweise auf.
In vorteilhafter Weiterbildung sind die beiden Differenzdrucksonden an Orten zumindest näherungsweise gleicher Gasdichte in der Abgasleitung bzw. in der Abgasrückführungsleitung angeordnet . Das oben beschriebene Herauskürzen der Gasdichte beider Abgasteilströme kann dabei ohne Korrekturfaktoren oder dgl . vorgenommen werden. Eine präzise rechnerische Bestimmung der Abgasrückführungsrate aus den beiden gemessenen Differenzdruck- bzw. Staudruckwerten kann mit einfachen Mitteln erfolgen.
Die beiden Differenzdrucksonden sind dabei zweckmäßig mit geringem Abstand zur Abzweigung angeordnet. Es ist sichergestellt, daß unterschiedliche Abkühlungseffekte oder dgl. in den beiden Abgasteilströmen unter allen Betriebsbedingungen und bei wechselnden Abgasrückführungsraten vernachlässigbar gering sind.
Die beiden Differenzdrucksonden weisen vorteilhaft bezogen auf den jeweiligen Strömungsweg in der Abgasleitung bzw. Abgasrückführungsleitung einen zumindest näherungsweise gleichen Abstand zur Abzweigung auf. Änderungen der Gasdichte hervorgerufen beispielsweise durch Abkühlung entlang des Strδmungsweges sind dabei in beiden Teilströmen zumindest näherungsweise gleich. Beide Differenzdruck- bzw. Staudruckmessungen beruhen auf einer zumindest näherungsweise gleichen Gasdichte, wodurch die berechnete Abgasrückführungsrate ohne Berücksichtigung der Gasdichte entsprechend genau ist .
Bei einer Ausbildung der Anordnung, bei der in der Abgasleitung stromab der Abzweigung ein Abgasturbolader vorgesehen ist, ist die Differenzdrucksonde zweckmäßig in Strömungsrichtung zwischen der Abzweigung und dem Abgasturbolader angeordnet. Hinsichtlich der Druckmessung unerwünschte Wechselwirkungen des Abgasturboladers mit der Gasdichte am Meßort sind ebenso wie eine möglicherweise daraus folgende verfälschte Bestimmung der Abgasrückführungsrate vermieden.
Die jeweilige Differenzdrucksonde ist vorteilhaft als Staudrucksonde zur Ermittlung des Staudruckes mittels Messung eines Gesamtdruckes und eines statischen Druckes im jeweiligen Abgasteilstrom ausgebildet. Es wird der Differenzdruck zwischen dem gemessenen Gesamtdruck und dem statischen Druck gebildet, wobei der Differenzdruck dem Staudruck entspricht. Der entstehende Meßwert des Staudruckes ist unabhängig von Schwankungen des statischen Umgebungsdruckes. Die daraus ableitbare Abgasrückführungsrate ist auch unter wechselnden klimatischen Umgebungsbedingungen präzise ermittelbar.
Die in oben beschriebener Weise ermittelte
Abgasrückführungsrate wird zweckmäßig unter Berücksichtigung eines Kraftstoffanteiles im Abgasstrom korrigiert. Entsprechende Korrekturfaktoren dazu sind vorteilhaft in einem Kennfeld insbesondere in einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine gespeichert . Eine Anpassung insbesondere über in Form eines Kennfeldes gespeicherter Korrekturfaktoren hat sich als hinreichend genau herausgestellt. Auf eine Messung des Kraftstoffanteiles im Abgasstrom bzw. im rückgeführten Abgasteilstrom und den damit verbundenen meßtechnischen Aufwand kann verzichtet werden. Die schnelle, für dynamische Veränderungen geeignete Bestimmung der Abgasrückführungsrate über die Staudruckmessung ist nicht beeinträchtigt .
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 in einem schematischen Blockschaltbild eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung und einer Abgasrückführungsleitung mit je einer Staudrucksonde;
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung die Anordnung nach Fig. 1 im Bereich der Abzweigung in der Abgasleitung;
Fig. 3 eine Schematische Schnittdarstellung der Abgasleitung nach Fig. 2 mit einer Prinzipdarstellung der dort angeordneten Staudrucksonde;
Fig. 4 eine beispielhafte Darstellung eines Kennfeldes von Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung eines Kraftstoffanteiles im Abgasstrom bei der Ermittlung der Abgasrückführungsrate .
Fig. 1 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Brennkraftmaschine 1 und ein daran angeordnetes Motorsteuergerät 8. Von der Brennkraftmaschine 1 führt eine Abgasleitung 2, durch die ein gesamter Abgasstrom rriges abgeleitet wird. In der Abgasleitung 2 ist eine Abzweigung 3 vorgesehen, an der eine Abgasrückführungsleitung 4 von der Abgasleitung 2 abzweigt. Durch die Abzweigung 3 ist die Abgasleitung 2 in ein erstes Teilstück 10 und ein zweites Teilstück 11 aufgeteilt.
Im Betrieb wird der Brennkraftmaschine 1 ein Luftmassenstrom mL und ein Brennstoffmassenstrom mB zugeführt . Durch Verbrennung des Brennstoffmassenstromes mB mit dem Luftmassenstrom mL entsteht der gesamte Abgasstrom geS der zumindest durch das erste Teilstück 10 der Abgasleitung 2 abgeleitet wird. Der gesamte Abgasstrom πiges kann bedarfsweise an der Abzweigung 3 in einen abgeleiteten Abgasteilstrom ^Abgs und einen rückgeführten Abgasteilstrom mAGR aufgeteilt werden. Der abgeleitete Abgasteilstrom ma^gas wird dabei durch das zweite Teilstück 11 der Abgasleitung 2 ins Freie gefördert, während der rückgeführte Abgasteilstrom mAGR über die Abgasrückführungsleitung 4 dem Luftmassenstrom mL zugeführt wird.
Zur Bestimmung einer jeweils aktuellen Abgasrückführungsrate AGR beispielsweise entsprechend unten beschriebener Gleichungen werden die beiden Volumenströme des abgeleiteten Abgasteilstromes m.Abgas und des rückgeführten Abgasteilstrom mAGR bestimmt . Die beiden Volumenströme können durch eine beliebige geeignete Anordnung bestimmt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft stromab der Abzweigung 3 sowohl im zweiten Teilstück 11 der Abgasleitung 2 als auch in der Abgasrückführungsleitung 4 je eine Differenzdrucksonde 5, 6 angeordnet, wobei beide Differenzdrucksonden 5, 6 einen nur geringen Abstand zur Abzweigung 3 aufweisen. Es kann auch eine Ausführung zweckmäßig sein, bei der eine der beiden Differenzdrucksonden 5, 6 im ersten Teilstück 10 stromauf der Abzweigung 3 angeordnet ist, und wobei die jeweils verbleibende Differendrucksonde 6, 5 stromab der Abzweigung 3 im zweiten Teilstück 11 oder in der Abgasrückführungsleitung 4 vorgesehen ist. Dabei lassen sich durch Umrechnung der beiden ermittelten Druckwerte die beiden Volumenstromwerte im zweiten Teilstück 11 der Abgasleitung 2 und in der Abgasrückführungsleitung 4 bestimmen.
In der Abgasleitung 2 ist stromab der Abzweigung 3 ein Abgasturbolader 12 vorgesehen. Die Differenzdrucksonde 5 ist in Strömungsrichtung zwischen der Abzweigung 3 und dem Abgasturbolader 12 angeordnet .
Die beiden Differenzdrucksonden 5, 6 sind über Meßleitungen 9 mit dem Motorsteuergerät 8 verbunden. Mittels der Differenzdrucksonde 5 wird ein Staudruck ΔpAbgas im zweiten Teilstück 11 der Abgasleitung 2 und mittels der Differenzdrucksonde 6 ein Staudruck ΔpAGR des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR in der Abgasrückführungsleitung 4 gemessen. Die ermittelten Meßwerte werden dem Motorsteuergerät 8 über die jeweiligen Meßleitungen 9 zugeführt, wobei die Abgasrückführungsrate AGR beispielsweise entsprechend unten beschriebener Gleichungen im Motorsteuergerät 8 ermittelt wird.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht die Abgasleitung 2 nach Fig. 1 im Bereich der Abzweigung 3. Die beiden Differenzdrucksonden 5, 6 ragen entsprechend ihrer Zuordnung in das zweite Teilstück 11 bzw. in die
Abgasrückführungsleitung 4 hinein, wobei sie bezogen auf den jeweiligen Strδmungsweg in der Abgasleitung 2 bzw. in der Abgasrückführungsleitung 4 einen zumindest n herungsweise gleichen Abstand zur Abzweigung 3 aufweisen. Die Positionierung der Differenzdrucksonden 5, 6 ist dabei so gewählt, daß an ihrem Meßort bei unterschiedlichen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 1 (Fig. 1) eine Gasdichte pAGR des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR zumindest näherungsweise gleich einer Gasdichte abgas des abgeleiteten Abgasteilstromes mAgaΞ ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht der
Differenzdrucksonde 5 und der Abgasleitung 2 als Beispiel für eine Anordnung gemäß Fig. 1 und 2. Die Abgasleitung 2 weist einen Strδmungsquerschnitt A auf, der von dem abgeleiteten Abgasteilstrom m^gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit u durchströmt ist. Der Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit u über den Strömungsquerschnitt A ist schematisch durch eine einhüllende Kurve 19 angedeutet. Die Differenzdrucksonde 5 durchgreift die Abgasleitung 2 über ihren vollen Strömungsquerschnitt A und weist eine Anzahl über den Strömungsquerschnitt A verteilter Meßöffnungen 16, 17 auf. Die verteilte Anordnung der Meßöffnungen 16, 17 ist zum Ausgleich des nichtlinearen Verlaufs des durch die Kurve 19 angedeuteten Strömungsprofiles vorgesehen.
Die Differenzdrucksonde 5 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel als Staudrucksonde 7 ausgeführt, wobei sie insbesondere innerhalb der Abgasleitung 2 in zwei mittels einer Trennwand 15 voneinander getrennte Meßräume 13, 14 aufgeteilt ist. Der Meßraum 13 ist auf seiner der Strömungsgeschwindigkeit u zugewandten Seite mit den Meßöffnungen 16 versehen, in dessen Folge sich im Meßraum 13 ein Gesamtdruck pges des abgeleiteten Abgasteilstromes m^gas einstellt. Die Meßδffnungen 17 sind auf der der Strömungsgeschwindigkeit u abgewandten Seite des Meßraumes 14 angeordnet. Über die Meßöffnungen 17 stellt sich im Meßraum 14 ein statischer Druck pstat des Abgasteilstromes
Figure imgf000012_0001
ein. Abweichend von der tatsächlichen Ausführung sind zur Verdeutlichung des Meßprinzips die beiden Meßräume 13, 14 über ein U-förmiges Teilstück miteinander verbunden, in dem sich eine Flüssigkeit befindet. Durch die Differenz zwischen dem Gesamtdruck pges und dem statischen Druck pstat bildet sich in der Flüssigkeit eine Flüssigkeitssäule 18 aus, deren Höhe H ein Maß für den Differenzdruck Δp ist. Der Differenzdruck Δp entspricht dem Staudruck A ^gas des abgeleiteten Abgasteilstromes m^gas. Der Staudruck ΔpÄbgas ist in Verbindung mit dem bekannten und konstanten Strömungsquerschnitt A der Abgasleitung 2 ein Maß für den die Abgasleitung 2 durchströmenden Volumenstrom.
Die Differenzdrucksonde 6 in der Abgasrückführungsleitung 4 (Fig. 2) ist in analoger Weise aufgebaut. Die Differenzdrucksonden 5, 6 können bedarfsweise auch als Prandtlsches Staurohr, als Venturirohr, als Meßblende oder dgl. ausgeführt sein, wobei in vereinfachter Ausfuhrungsform auf eine Messung des statischen Druckes verzichtet werden kann.
Der Wert des Differenzdruckes (=Staudruck) Δp kann entsprechend dem Prinzip nach Fig. 3 direkt in der Differenzdrucksonde 5, 6 gebildet und an das Motorsteuergerät 8 (Fig. 1) übermittelt werden. Es kann auch zweckmäßig sein, die einzelnen Meßwerte für den Gesamtdruck Pges und des statischen Druck pstat über die Meßleitungen 9 (Fig. 1) dem Motorsteuergerät 8 zuzuleiten, wo dann aus der Differenz beider Druckwerte pges, Pstat der Differenzdruck Δp gebildet wird.
Die Bestimmung der Abgasrückführungsrate AGR erfolgt entsprechend der nachfolgenden Rechenschritte. Dabei gelten folgende Definitionen:
A: Strömungsquerschnitt; p: Gasdichte; u: Gasstromgeschwindigkeit; ζ: Widerstandsbeiwert der Staudrucksonde (Konstante) .
Der Massenstrom eines Gasstromes berechnet sich aus : m = p * A *u (Gleichung 1)
Für den mit der Staudrucksonde (5, 6) gemessenen Differenzdruck (=Staudruck) Δp gilt: r * p * U2 Ap = -— (Gleichung 2) Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich der Massenstrom zu
m = p * A* \—— (Gleichung 3) ς * p
Bei gleicher Gasdichte p im abgeleiteten Abgasteilstrom m^gas und im rückgeführten Abgasteilstrom mAGR wird eine unkorrigierte Abgasrückführungsrate AGR* aus Gleichung 3 wie folgt bestimmt, wobei die Gasdichte p des abgeleiteten Abgasteilstromes mÄbgas und des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR herausgekürzt ist:
._,_,* Wl-AaR AGR = AGR (Gleichung 4) m Abgas
Figure imgf000014_0001
Der rechte Teil der Gleichung 4 entspricht dabei einem Quotienten aus den beiden Volumenströmen des abgeleiteten Abgasteilstromes m^gas und des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR. Sofern also die beiden Differenzdrucksonden 5, 6 entsprechend Fig. 1 an Orten zumindest näherungsweise gleicher Gasdichte p angeordnet sind, ist die unkorrigierte Abgasrückführungsrate AGR* nach Gleichung 4 unabhängig von der Gasdichte p. Die Gasdichte p braucht nicht beispielsweise durch Messung der Temperatur und des Absolutdruckes im Abgasstrom bestimmt zu werden. Geringfügige
Dichteunterschiede zwischen dem abgeleiteten Abgasteilstrom ^Äbgas und im rückgeführten Abgasteilstrom mAGR führen zu keiner erheblichen Verfälschung des Berechnungsergebnisses. Die unkorrigierte Abgasrückführungsrate AGR* läßt sich unter Berücksichtigung eines Kraftstoffanteils im Abgasstrom mges wie folgt in eine korrigierte Abgasrückführungsrate AGR überleiten.
Dazu sind Korrekturfaktoren f in einem Kennfeld beispielsweise nach Fig. 4 im Motorsteuergerät 8 (Fig. 1) gespeichert. Fig. 4 zeigt ein Kennfeld mit Korrekturfaktoren f in Abhängigkeit eines Motormomentes M und einer Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 stehen Meßwerte des Motormomentes M sowie der Drehzahl n laufend zur Verfügung. Abhängig davon wird aus dem Kennfeld der Korrekturfaktor f bestimmt. Ein typischer Wert des Korrekturfaktors f liegt im Bereich von 1.025 bis 1.045. Aus den Definitionen
AGR = mAGR/mZyι πiÄbgas = mL + mB
Figure imgf000015_0001
mB: Brennstoffmassenstrom mL: Luftmassenstrom mZyι : Zylinderfüllung
ergibt sich : m AGR AGR *f (Gleichung 5 ) \m Abgas + m AGR .
Figure imgf000015_0002
Die korrigierte Abgasrate AGR berechnet sich demnach wie folgt : AGR = η (Gleichung 6 ) (l + AGR )* f
Auch die korrigierte Abgasrate AGR ist unabhängig von der Gasdichte p; es kann auf eine Messung von Temperatur und Absolutdruck im Abgasstrom verzichtet werden.
Die Auswertung der Messungen mittels der Differenzdrucksonden 5, 6, die Bestimmung des relevanten Korrekturfaktors f sowie die entsprechenden Berechnungen der unkorrigierten und korrigierten Abgasrückführungsrate AGR* , AGR werden im Motorsteuergerät 8 vorgenommen. Abhängig vom Meß- und Berechnungsergebnis wird über das Motorsteuergerät 8 mittels geeigneter, nicht näher dargestellter Stelleinrichtungen eine Anpassung der Abgasrückführungsrate AGR durchgeführt .
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Anordnung sind beispielhaft an einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasleitung 2 und einer Abgasrückführungsleitung 4 gezeigt, können aber auch in entsprechender Weise bei einer Brennkraftmaschine mit zwei oder mehr Abgasleitungen 2 und Abgasrückführungsleitungen 4 zur Anwendung kommen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate (AGR) bei einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine (1) mindestens eine Abgasleitung (2) mit einer Abzweigung (3) und eine an der Abzweigung (3) von der Abgasleitung (2) abzweigende Abgasrückführungsleitung (4) aufweist und wobei ein durch die Abgasleitung
(2) geführter Abgasstrom (mges) bedarfsweise an der Abzweigung in einen abgeleiteten Abgasteilstrom (rriAbgas) und einen rückgeführten Abgasteilstrom (mAGR) aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeweiliger Volumenstrom des abgeleiteten Abgasteilstromes (πiAbgas) und des rückgeführten Abgasteilstromes (mAGR) ermittelt wird, und wobei die Abgasrückführungsrate (AGR) durch Quotientenbildung der beiden Volumenströme bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Volumenströme durch Differenzdruckmessung und insbesondere durch
Messung des jeweiligen Staudruckes (Ap^gas ΔpAGR) im abgeleiteten Abgasteilstrom (rriÄbgas) und im rückgeführten Abgasteilstrom (mAGR) ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Abgasrückführungsrate (AGR) unter Berücksichtigung eines Kraftstoffanteiles im Abgasstrom (mges) korrigiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffanteil im Abgasstrom (mges) aus einem gespeicherten Kennfeld ermittelt wird.
5. Anordnung zur Abgasrückführung bei einer Brennkraftmaschine (1) insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Brennkraftmaschine (1) mindestens eine Abgasleitung (2) mit einer Abzweigung (3) und eine an der Abzweigung (3) von der Abgasleitung (2) abzweigende Abgasrückführungsleitung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Differenzdrucksonden (5, 6) vorgesehen sind, von denen mindestens eine Differenzdrucksonde (5, 6) stromab der Abzweigung (3) in der 'Abgasleitung (2) und/oder in der Abgasrückführungsleitung (4) angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß stromab der Abzweigung (3) in der Abgasleitung (2) und in der Abgasrückführungsleitung (4) je eine Differenzdrucksonde (5, 6) angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Differenzdrucksonden (5, 6) an Orten zumindest näherungsweise gleicher Gasdichte (p) angeordnet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Differenzdrucksonden (5, 6) mit geringem Abstand zur Abzweigung (3) angeordnet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Differenzdrucksonden (5, 6) bezogen auf den jeweiligen Strömungsweg in der Abgasleitung (2) bzw. Abgasrückführungsleitung (4) einen zumindest näherungsweise gleichen Abstand zur Abzweigung (3) aufweisen.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (2) stromab der Abzweigung (3) ein Abgasturbolader (12) vorgesehen ist, wobei die Differenzdrucksonde (5) in Strömungsrichtung zwischen der Abzweigung (3) und dem Abgasturbolader (12) angeordnet ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzdrucksonde (5, 6) als Staudrucksonde (7) zur Ermittlung des Staudruckes (ΔpÄgas ΔpAGR) mittels Messung eines Gesamtdruckes (pges) und eines statischen Druckes (pstat) im abgeleiteten Abgasteilstrom
Figure imgf000019_0001
bzw. im rückgeführten Abgasteilstrom (mAGR) ausgebildet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate (AGR) unter Berücksichtigung eines Kraftstoffanteiles im Abgasstrom (mges) Korrekturfaktoren (f) in einem Kennfeld insbesondere in einem Motorsteuergerät (8) gespeichert sind.
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