WO2016034370A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines abgasrückführventils einer aufgeladenen brennkraftmaschine mit abgasrückführung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendigen Ladedrucks einer einen Abgasturbolader aufweisenden Brennkraftmaschine, die einen Frischlufteingangskanal, einen ein Abgasrückführventil aufweisenden Abgasrückführkanal und einen Mischer aufweist. Dabei werden folgende Schritte durchgeführt : Erkennung eines Beschleunigungswunsches, nach Erkennung des Beschleunigungswunsches Vorgeben eines erhöhten Zielwertes für die Abgasrückführrate, Messen des momentanen Ist-Ladedrucks, Ermitteln einer Soll-Abgasrückführrate aus dem erhöhten Zielwert für die Abgasrückführrate, dem momentanen Soll-Ladedruck und dem momentanen Ist-Ladedruck, Ermitteln eines einer Stellgröße für das Abgasrückführventil entsprechenden Steuersignals unter Verwendung der ermittelten Soll-Abgasrückführrate und Zuführen des Steuersignals an das Abgasrückführventil zur Veränderung von dessen Öffnungszustand.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Abgasrück- führventils einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgas¬ rückführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Abgasrückführventils einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung.
Aus der DE 102005 060 350 B4 ist ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt, die mit unterschiedlichem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betreibbar ist. Dabei werden dem Verbrennungsvorgang ein Frischluftstrom und ein rückgeführter Abgasstrom gezielt zugemessen, wobei jeweils eine Messgröße für den Frischluftstrom und den rückgeführten Abgasstrom bestimmt wird. Die Messgrößen für den Frischluftstrom und für den rückgeführten Abgasstrom werden direkt durch einen Massen- und/oder Volumenstrommesser ermittelt. Bei einem Einsatz des Verfahrens in Turbomotoren werden diese im unteren Lastbereich entlang der Pumpgrenze des Verdichters betrieben.
Aus der DE 10 2007 042 577 B3 sind ein Verfahren zum Regeln eines Verbrennungsvorganges und ein Steuergerät bekannt. Bei diesem Verfahren werden Kraftstoff zur Verbrennung in die Brennkraftmaschine eingespritzt, Abgas in einen Ansaugkanal zu- rückgeführt, ein Zeitpunkt der Verbrennung erfasst, der erfasste Zeitpunkt mit einem Sollwert verglichen und abhängig vom Vergleichsergebnis die Einspritzung verändert, um die Ver¬ brennung in Richtung auf den Sollwert zu bewegen. Ein Teil der Änderung der Einspritzung wird in einen Adaptionswert für die Regelung der Abgasrückführung überführt, um die Verbrennung in Richtung auf den Sollwert zu bewegen. Aus der DE 10 2007 003 855 AI ist ein Verfahren zum Steuern der Abgasrückführung bei einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem ein Teil des Abgases von dem Abgastrakt über eine externe Leitung zu dem Saugrohr rückgeführt und der den Zylindern zugeführten Frischluft beigemischt wird. Ein weiterer Teil des Abgases wird über die Ventile intern dem Brennraum des Motors wieder zugeführt. Die intern rückgeführte Abgasmenge wird durch Steuern der Nockenphasen abhängig von der Motorlast und der Motordrehzahl eingestellt. Ein Sollwert für die interne Ab¬ gasrückführungsrate wird als Differenz zwischen dem Sollwert der Abgasrückführung und der externen Abgasrückführungsrate be¬ rechnet .
Bei derartigen Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung kann es bei Beschleunigungsvorgängen bei Motoren mit Lambda-1 Konzept, beispielsweise Benzinmotoren, zu einem Einbruch des Drehmoments kommen. Diese Probleme werden dadurch verursacht, dass durch die erfolgte Öffnung des Abgasrückführventils die Luftdichte vor dem Kompressor sinkt. Folglich gelangt solange zu wenig Luft in den jeweiligen Zylinder, bis der Ladedruck wieder auf einen ausreichenden Wert aufgebaut ist.
Es ist bekannt, diesen Aufbau des Ladedrucks auf einen aus¬ reichenden Wert durchzuführen, indem das Abgasrückführventil mittels eines rampenförmigen Ansteuersignais angesteuert wird. Ein derartiger Aufbau des Ladedrucks geschieht jedoch nur langsam und erfordert Applikationsaufwand.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruches notwendigen Ladedrucks einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung anzugeben, bei welchen der Ladedruckaufbau schneller und einfacher erfolgt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Vorrichtung mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendigen Ladedrucks einer einen Abgasturbolader aufweisenden Brennkraftmaschine, die einen Frischlufteingangskanal, einen ein Abgasrückführ- ventil aufweisenden Abgasrückführkanal und einen Mischer aufweist, werden folgende Schritte durchgeführt:
- Erkennung eines Beschleunigungswunsches,
- nach Erkennung des Beschleunigungswunsches Vorgeben eines erhöhten Zielwertes für die Abgasrückführrate,
- Messen des momentanen Ist-Ladedrucks,
- Ermitteln einer Soll-Abgasrückführrate aus dem erhöhten
Zielwert für die Abgasrückführrate, dem momentanen
Soll-Ladedruck und dem momentanen Ist-Ladedruck,
- Ermitteln eines einer Stellgröße für das Abgasrückführventil entsprechenden Steuersignals unter Verwendung der ermittelten Soll-Abgasrückführrate und
- Zuführen des Steuersignals an das Abgasrückführventil zur Veränderung von dessen Öffnungszustand.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendigen Ladedrucks einer Brennkraftmaschine enthält
- einen Abgasturbolader, welcher eine Turbine und einen mit der Turbine über eine Welle verbundenen Verdichter aufweist,
- einen an den Ausgang der Turbine angeschlossenen Abgaskanal,
- einen vom Abgaskanal abzweigenden Abgasrückführkanal , dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines Mischers verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Verdichters verbunden ist,
- ein im Abgasrückführkanal angeordnetes Abgasrückführventil ,
- einen Frischlufteingangskanal, dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang des Mischers verbunden ist, und
- eine zur Bereitstellung von Ansteuersignalen für das
Abgasrückführventil vorgesehene Steuereinheit, - wobei die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens mit den in einem der vorhergehenden Ansprüche angegebenen
Schritten ausgebildet ist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass der zur Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendige Ladedruck einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung schneller und einfacher erfolgt als beim Stand der Technik. Insbesondere erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Veränderung des Öffnungszustandes des Abgasrückführventils mit zumindest in etwa derselben Geschwindigkeit, mit welcher der zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendige Ladedruck aufgebaut wird. Die Veränderung des Öffnungszustandes des Abgasrückführventils ist folglich an die Geschwindigkeit des Aufbaus des Ladedrucks angepasst .
Diese Vorteile werden insbesondere dadurch erreicht, dass die Ermittlung der Soll-Abgasrückführrate unter Verwendung des momentanen Ist-Ladedrucks erfolgt. Steigt der momentane
Ist-Ladedruck schnell an, dann wird auch die Soll-Abgasrückführrate schnell erhöht. Steigt der momentane Ist-Ladedruck langsam an, dann wird auch die Soll-Abgasrückführrate langsam erhöht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine Blockdarstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmoment¬ einbruchs notwendigen Ladedrucks einer einen Abgas¬ turbolader aufweisenden Brennkraftmaschine mit Ab¬ gasrückführung und
Figur 2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendigen Ladedrucks einer einen Abgasturbolader aufweisenden Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung.
Die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung weist einen Frischlufteingangskanal 9 auf, in welchem ein Frischlufteingang 11, eine Luftreinigungsvorrichtung 12 und eine Eingangsklappe 13 enthalten sind. Des Weiteren weist die gezeigte Vorrichtung einen Abgaskanal 5 auf, der an den Ausgang 2b der Turbine 2 eines Abgasturboladers 1 angeschlossen ist. Der Abgaskanal 5 enthält einen Abgaska¬ talysator 17, einen Abzweig 18 und einen Dämpfer 19. Im Abzweig 18 zweigt ein Abgasrückführkanal 6 ab. Dieser weist einen Abgaskühler 20 und ein Abgasrückführventil 8 auf.
Der Ausgang des Abgasrückführventils 8 ist mit einem ersten Eingang 7a eines Mischers 7 verbunden. Der Ausgang der Eingangsklappe 13 des Frischlufteingangskanals 9 ist an den zweiten Eingang 7b des Mischers 7 angeschlossen.
Der Ausgang 7c des Mischers 7 ist mit dem Eingang 4a eines Verdichters 4 des Abgasturboladers verbunden. Der Verdichter 4 weist ein Verdichterrad auf, welches drehfest auf einer Welle 3 befestigt ist, mit welcher auch ein Turbinenrad der Turbine 2 drehfest verbunden ist.
Dem Eingang 2a der Turbine werden die Abgase einer Brennkraftmaschine 16 in Form eines Abgasstromes zugeführt. Dieser Abgasstrom treibt das Turbinenrad an. Dadurch wird auch die Welle 3 des Abgasturboladers 1 in Drehung versetzt. Diese Drehung der Welle wird auf das Verdichterrad übertragen.
Der Verdichter saugt das im Mischer 7 gebildete und dem Eingang 4a des Verdichters zugeführte Frischluft/Abgas-Gemisch an und verdichtet dieses. Das verdichtete Frischluft/Abgas-Gemisch wird am Ausgang 4b des Verdichters ausgegeben und über einen Ladeluftkühler 14 und eine Drosselklappe 15 der Brennkraft- maschine 16 zugeführt. Das in der Brennkraftmaschine gebildete Abgas wird - wie bereits oben ausgeführt wurde - an den Eingang 2a der Turbine 2 ausgegeben. Ferner weist die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung eine Steuereinheit 10 auf. Diese enthält eine Recheneinheit und mehrere Speichereinheiten, in denen Tabellen und Kennfelder abgespeichert sind. Der Steuereinheit 10 werden als Ein¬ gangssignale die Ausgangssignale einer Vielzahl von Sensoren zugeführt, welche der Steuereinheit Ist-Werte einer Vielzahl von Parametern zuführen. Dazu gehört unter anderem ein Sensor, der die Betätigungen des Fahrpedals detektiert. Anhand der Aus¬ gangssignale dieses Sensors erkennt die Steuereinheit 10 das Vorliegen eines Beschleunigungswunsches. Des Weiteren gehört dazu ein Sensor, der der Steuereinheit 10 Informationen über den Ist-Ladedruck bereitstellt. Dieser Sensor ist zwischen dem Ausgang des Verdichters 4 und der Brennkraftmaschine 16 vor¬ gesehen, beispielsweise zwischen dem Ladeluftkühler 14 und der Drosselklappe 15 oder zwischen dem Verdichter 4 und dem La- deluftkühler 14.
Die Steuereinheit 10 ermittelt unter Auswertung dieser Aus¬ gangssignale der Sensoren, der abgespeicherten Tabellen und der abgespeicherten Kennfelder Steuersignale, mittels welcher Komponenten der dargestellten Vorrichtung angesteuert werden.
Unter anderem ist die Steuereinheit 10 derart ausgebildet, dass sie Ansteuersignale sl für das Abgasrückführventil 8 ermittelt und an dieses ausgibt. Mittels dieser Ansteuersignale sl wird je nach momentanem Bedarf der Öffnungszustand des Abgasrückführ- ventils 8 verändert, um dem Mischer 7 mehr oder weniger Abgas zuzuführen. Insbesondere werden die Ansteuersignale sl für das Abgasrückführventil 8 so erzeugt, dass bei einem vom Fahrer durch Betätigung des Fahrpedals ausgelösten Beschleunigungsvorgang kein Drehmomenteinbruch auftritt.
Beim Vorliegen eines Beschleunigungswunsches wird die
Ziel-Abgasrückführrate erhöht. Dabei muss das Abgasrückführ- ventil 8 derart gesteuert werden, dass die durch eine Öffnung des Abgasrückführventils 8 verursachte Reduktion der Luftdichte durch einen Ladedruckaufbau kompensiert wird, um einen Dreh¬ momenteinbruch zu vermeiden.
Die Vorgabe des erhöhten Wertes für die Ziel-Abgasrückführrate erfolgt durch die Steuereinheit 10 in Abhängigkeit von der Soll-Luftmasse oder dem Soll-Drehmoment und der Drehzahl der Welle 3 des Abgasturboladers.
Durch das Öffnen des Abgasrückführventils 8 wird die Luftdichte entsprechend der Ist-Abgasrückführrate reduziert. Somit wird der Ist-Partialdruck P_lade_air_ist für Frischluft nach dem Verdichter 4 wie folgt bestimmt:
P_lade_air_ist = P_lade_ist (1 - eta_egr_ist) , (1) wobei P_lade_ist der Ist-Ladedruck, eta_egr_ist die Ist-Ab¬ gasrückführrate und P_lade_air_ist der Ist-Partialladedruck für Frischluft ist.
Kann bei einem Beschleunigungsvorgang der Ist-Partialladedruck für Frischluft dem Soll-Partialladedruck für Frischluft folgen, dann gibt es keinen Drehmomenteinbruch.
Abgeleitet aus der Gleichung (1) ergibt sich, dass die aktuelle Soll-Abgasrückführrate eta_egr_soll abhängig vom Ist-Ladedruck so bestimmt werden muss, dass die folgende Beziehung gilt: P_lade_ist (1 - eta_egr_soll ) = P_lade_air_soll . (2)
Zwischen dem Soll-Partialladedruck für Frischluft und dem Soll-Ladedruck und der Ziel-Abgasrückführrate eta_egr_soll_0 ergibt sich folgender Zusammenhang:
P_lade_air_soll = (1 - eta_egr_soll_0 ) · P lade soll. (3)
Setzt man die Gleichung (3) in die Gleichung (2) ein, dann folgt: eta_egr_soll=l- ( l-eta_egr_soll_0 ) · (P_lade_soll/P_lade_ist) . (4)
Der anhand der Gleichung (4) berechnete Wert gilt für den Fall, dass der Soll-Ladedruck größer ist als der Ist-Ladedruck. Sobald der Soll-Ladedruck kleiner oder gleich dem Ist-Ladedruck ist, wird die aktuelle Abgasrückführrate eta_egr_soll dem Zielwert eta_egr_soll_0 gleichgesetzt.
Der anhand der Gleichung (4) berechnete Wert wird nach oben auf eta_egr_soll_0 und nach unten auf Null begrenzt.
Aus dem aktuellen Sollwert für die Abgasrückführrate wird dann von der Recheneinheit der Steuereinheit 10 unter Verwendung einer in einer Speichereinheit der Steuereinheit 10 abgespeicherten Abgasrückführventilkennlinie die Stellgröße für die Abgas¬ rückführventilöffnung ermittelt und in Form der Steuersignale sl an das Abgasrückführventil 8 ausgegeben.
Die Berechnung und Ausgabe des Wertes für die Abgasrückführrate unter Verwendung der Gleichung (4) werden erst durchgeführt, wenn der Zielwert für die Abgasrückführrate eta_egr_soll_0 aus Soll-Luftmasse und Drehzahl um einen vorgegebenen Differenzwert DELTA größer ist als die Ist-Abgasrückführrate, d. h.: Eta_egr_soll_0 > eta_egr_ist + DELTA.
Der Wert DELTA liegt beispielsweise bei 4 ~6.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass das Abgasrückführventil 8 seinen Öffnungszustand nicht zu häufig verändert, d. h. sich nicht zu unruhig bewegt.
Andernfalls wird die aktuelle Abgasrückführrate eta_egr_soll direkt gleich dem Zielwert eta_egr_soll_0 gesetzt.
Nachfolgend wird anhand der Figur 2 ein Verfahren zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendigen Ladedrucks erläutert. Gemäß diesem Verfahren erfolgt in einem Schritt Sl eine Erkennung eines Beschleunigungswunsches des Fahrers, beispielsweise anhand der Ausgangssignale eines Sensors, der die Bewegungen des Fahrpedals erfasst. Anschließend erfolgt in einem Schritt S2 nach der Erfassung des Beschleu¬ nigungswunsches die Vorgabe eines erhöhten Zielwertes für die Abgasrückführrate durch die Steuereinheit 10. Danach erfolgt in einem Schritt S3 das Messen des momentanen Ist-Ladedrucks. In einem darauf folgenden Schritt S4 erfolgt ein Ermitteln einer Soll-Abgasrückführrate aus dem erhöhten Zielwert für die Abgasrückführrate, dem momentanen Soll-Ladedruck und dem momentanen Ist-Ladedruck durch die Steuereinheit 10. Anschließend erfolgt in einem Schritt S5 ein Ermitteln eines einer Stellgröße für das Abgasrückführventil entsprechenden Steuersignals unter Verwendung der ermittelten Soll-Abgasrückführrate . Schließlich erfolgt in einem Schritt S6 ein Zuführen des Steuersignals an das Abgasrückführventil zur Veränderung von dessen Öffnungszustand.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines Drehmomenteinbruchs notwendigen Ladedrucks einer einen Abgasturbolader aufweisenden Brennkraftmaschine, die einen Frisch- lufteingangskanal , einen ein Abgasrückführventil aufweisenden Abgasrückführkanal und einen Mischer aufweist, mit folgenden Schritten :
- Erkennung eines Beschleunigungswunsches,
- nach Erkennung des Beschleunigungswunsches Vorgeben eines erhöhten Zielwertes für die Abgasrückführrate,
- Messen des momentanen Ist-Ladedrucks,
- Ermitteln einer Soll-Abgasrückführrate aus dem erhöhten
Zielwert für die Abgasrückführrate, dem momentanen
Soll-Ladedruck und dem momentanen Ist-Ladedruck,
- Ermitteln eines einer Stellgröße für das Abgasrückführventil entsprechenden Steuersignals unter Verwendung der ermittelten Soll-Abgasrückführrate und
- Zuführen des Steuersignals an das Abgasrückführventil zur Veränderung von dessen Öffnungszustand.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Zielwert für die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von der momentanen Soll-Luftmasse und der momentanen Drehzahl der Welle des Abgasturboladers vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Abgasrückführrate gemäß der folgenden Beziehung be¬ rechnet wird:
eta_egr_soll = 1 - ( l-eta_egr_soll_0 ) · P_lade_soll/P_lade_ist ) , wobei
eta_egr_soll die Soll-Abgasrückführrate,
eta_egr_soll_0 der Zielwert für die Abgasrückführrate,
P_lade_soll der Sollwert für den Ladedruck und
P lade ist der momentane Istwert des Ladedruckes ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße für das Abgasrückführventil aus der berechneten Soll-Abgasrückführrate unter Verwendung einer abgespeicherten Kennlinie des Abgasrückführventils er- mittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Soll-Abgasrückführrate und die Ermittlung der Stellgröße für das Abgasrückführventil vorgenommen werden, wenn der vorgegebene Zielwert für die Abgasrückführrate die momentane Abgasrückführrate um einen vorgegebenen Differenzwert über¬ steigt .
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Abgasrückführrate gleich dem vorgegebenen Zielwert für die
Soll-Abgasrückführrate gesetzt wird, wenn der vorgegebene Zielwert für die Abgasrückführrate die momentane
Abgasrückführrate nicht um einen vorgegebenen Differenzwert übersteigt .
7. Vorrichtung zum Aufbau des zu einer Vermeidung eines
Drehmomenteinbruchs notwendigen Ladedrucks einer Brennkraft¬ maschine, welche
- einen Abgasturbolader (1), welcher eine Turbine (2) und einen mit der Turbine über eine Welle (3) verbundenen Verdichter (4) aufweist,
- einen an den Ausgang (2b) der Turbine (2) angeschlossenen Abgaskanal (5) ,
- einen vom Abgaskanal (5) abzweigenden Abgasrückführkanal (6), dessen Ausgang mit einem ersten Eingang (7a) eines Mischers (7) verbunden ist, dessen Ausgang (7c) mit einem Eingang (4a) des Verdichters (4) verbunden ist,
- einen im Abgasrückführkanal (6) angeordneten
Abgasrückführventil (8),
- einen Frischlufteingangskanal (9), dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang (7b) des Mischers (7) verbunden ist, und eine zur Bereitstellung von Ansteuersignalen (sl) für das Abgasrückführventil (8) vorgesehene Steuereinheit (10) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) zur Durchführung eines Verfahrens mit den in einem der vorhe gehenden Ansprüche angegebenen Schritten ausgebildet ist
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