WO2017182254A1 - Verfahren und vorrichtung zur einstellung des massenstromes eines abgasrückführventils - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for adjusting the mass flow of an exhaust gas recirculation valve of a turbocharger having an internal combustion engine.
  • a composition of the gas charge and a filling of the combustion chamber with the gas charge by a location of actuators such as throttle valves, exhaust gas recirculation valves, exhaust valves, etc. influenced. Both the composition and the amount of gas filling of the combustion chamber determine not only the injected fuel, the torque and the combustion products and thus the amounts of pollutants in the exhaust gas.
  • the majority of gasoline engines are operated with a stoichiometric combustion gas mixture. This, in combination with a three-way catalytic converter, effectively reduces the pollutants produced during combustion.
  • the amount of fuel to be injected is determined by the amount of air present in the combustion chamber. In the case of a diesel engine in nominal operation, the amount of air available limits the amount of fuel to be injected in order to limit the amount of exhaust particles.
  • the oxygen concentration is a significant parameter for the production of nitrogen oxides by the combustion.
  • a reduction in the oxygen concentration of the cylinder filling leads to a reduction in nitrogen oxide emissions.
  • This is realized by exhaust gas recirculation.
  • This exhaust gas recirculation can be done internally by the cylinder of the internal combustion engine or externally together with any existing cooling.
  • This external exhaust gas recirculation can be performed before and / or behind the compressor of a turbocharger internal combustion engine. Accordingly, it is called a low-pressure exhaust gas recirculation or high-pressure exhaust gas recirculation.
  • a determination of flow parameters of the gas flow flowing in the system takes place at different points of the gas flow as a function of a position of an actuator in the gas flow.
  • These flow parameters include temperature and / or pressure.
  • determining a position of the actuator that corresponds to a predetermined flow parameter in the cylinder controlling the actuator to the determined position, determining a deviation of the predetermined flow parameter from the flow parameter of the gas flow in the cylinder, and adjusting of the physical model based on the deviation, wherein the physical model includes a recycle of combusted gas into the cylinder, and further wherein the flow parameter comprises a gas composition or a gas amount of the gas stream in the cylinder.
  • the invention is based on the object, a method and a device for adjusting the through the exhaust gas recirculation valve indicate an internal combustion engine flowing mass flow, which work stably in operation of the internal combustion engine.
  • the claim 6 has a device for adjusting the mass flow of an exhaust gas recirculation valve to the object. According to the present invention, in a method for adjusting the mass flow of an exhaust gas recirculation valve mechanically coupled to a throttle valve of an internal combustion engine having a turbocharger, the following steps are carried out:
  • this coupled system consisting of throttle and down ⁇ gas recirculation valve to control stable in the presence of a throttle valve mechanically coupled exhaust gas recirculation valve.
  • the Dros ⁇ selklappe and the exhaust gas recirculation valve are characterized independently of one another, based on a model. This has the advantage that a direct determination of the mass flow flowing via the exhaust gas recirculation valve is possible and the activation is automatically adjusted when the setpoint changes. This is particularly advantageous in the presence of different operating modes of the internal combustion engine. Further advantageous features of the invention will become apparent from the following exemplary explanation with reference to FIGS.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an internal combustion engine equipped with an exhaust gas turbocharger, a low-pressure exhaust gas recirculation system and a high-pressure exhaust gas recirculation according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a block diagram of an internal combustion engine equipped with an exhaust gas turbocharger, a low-pressure exhaust gas recirculation and a high-pressure exhaust gas recirculation according to a second embodiment
  • Figure 3 is a diagram for illustrating the effective
  • Opening cross-sectional area of an exhaust gas recirculation valve as a function of the opening position of the exhaust gas recirculation valve and Figure 4 is a diagram for illustrating the effective
  • FIG. 1 shows a block diagram of an equipped with an exhaust gas turbocharger, a low-pressure exhaust gas recirculation and a high-pressure exhaust gas recirculation internal combustion engine according to a first embodiment.
  • This internal combustion engine 100 has a turbocharger 120, to which an exhaust turbine 130 and a compressor 125 belong.
  • the exhaust turbine 130 is supplied with exhaust gas provided from the cylinders 150 of the engine 100. This exhaust gas causes the turbine wheel of the exhaust gas turbine 130 to rotate. This rotation of the turbine wheel is transmitted via a shaft of the exhaust gas turbocharger to a compressor wheel of the compressor 125, which thereby also set in rotation becomes.
  • the compressor is provided for compressing a gas mixture, which consists of fresh air and a low ⁇ pressure exhaust gas recirculation 180 recirculated exhaust gas. The said fresh air is supplied to the compressor wheel via an air filter 110.
  • the exhaust gas discharged from the exhaust turbine 130 is discharged to the atmosphere via a catalyst 158, a particulate filter 160, an exhaust valve 162, and a muffler 164. Between the particulate filter 160 and the exhaust valve 162, a branch is provided, at which exhaust gas is branched off, which is supplied to the compressor 125 via the low-pressure exhaust gas recirculation 180. In this low-pressure exhaust gas recirculation 180, a radiator 184 and a low-pressure exhaust gas recirculation valve 186 are provided.
  • the compressed gas mixture is supplied from the output of the compressor 125 via a charge air cooler 135 and a throttle 140 to the cylinders 150 of the internal combustion engine 100.
  • the internal combustion engine 100 shown in FIG. 1 has a high-pressure exhaust gas recirculation 166. This is connected directly to an output of the cylinder 150 and is supplied via this outlet with high-pressure exhaust gas. This under high pressure exhaust gas is supplied via a radiator 170 and a high-pressure exhaust gas recirculation valve 172 to the input of the cylinder 150 to supply these cylinders recirculated exhaust gas ⁇ . Parallel to the radiator 170, a bypass damper 168 is disposed to bypass the radiator 170 as needed.
  • the internal combustion engine 100 shown in FIG. 1 has a control unit 188.
  • This control unit 188 is supplied with sensor signals se i, ..., sen provided by a plurality of sensors.
  • the control unit 188 determines by evaluating these sensor signals and a stored in a memory, not shown, work program and stored tables and maps and physical models control signals sl, ..., sn for the actuators of Internal combustion engine.
  • These actuators include the low-pressure exhaust gas recirculation valve 186 and the Down ⁇ gas flap 162.
  • the physical models include a model of the low-pressure exhaust gas recirculation valve 186, and a model of the exhaust valve 162, which forms a choke point.
  • the low-pressure exhaust gas recirculation valve 186 and the exhaust gas flap 162 are advantageously mechanically coupled together and can be controlled by means of the same control signal. This control is model-based, as will be explained below with reference to Figures 3 and 4.
  • FIG. 2 shows a block diagram of an engine equipped with an exhaust gas turbocharger, a low-pressure exhaust gas recirculation and a high-pressure exhaust gas recirculation engine according to a second embodiment.
  • This internal combustion engine 100 has a turbocharger 120, to which an exhaust turbine 130 and a compressor 125 belong.
  • the exhaust gas turbine 130 is supplied with exhaust gas, which of the
  • Cylinders 150 of the internal combustion engine 100 is provided.
  • This exhaust gas causes the turbine wheel of the exhaust gas turbine to rotate.
  • This rotation of the turbine wheel is transmitted via a shaft of the exhaust gas turbocharger to the compressor wheel of the compressor 125, which is thereby also set in rotation.
  • the compressor is provided for compressing a gas mixture, which consists of fresh air and a low ⁇ pressure exhaust gas recirculation 180 recirculated exhaust gas.
  • the said fresh air is supplied to the compressor wheel via an air filter 110 and a throttle valve 182.
  • the waste gas discharged from the exhaust ⁇ turbine 130 is discharged through a catalytic converter 158, a particulate filter 160 and a silencer 164 into the atmosphere.
  • a branch is provided, at which exhaust gas is branched off, which is supplied to the compressor 125 via the low-pressure exhaust gas recirculation 180.
  • this low pressure exhaust gas recirculation 180 are a radiator 184 and a low pressure exhaust gas recirculation valve 186 are provided.
  • the compressed gas mixture is supplied from the output of the compressor 125 via a charge air cooler 135 and a throttle 140 to the cylinders 150 of the internal combustion engine 100.
  • the internal combustion engine 100 shown in FIG. 2 has a high-pressure exhaust gas recirculation 166. This is connected directly to an output of the cylinder 150 and is supplied via this outlet with high-pressure exhaust gas. This high-pressure exhaust gas is recirculated via a cooler 170 and a high-pressure exhaust gas recirculation valve 172 to the input of Zy ⁇ linder 150 to supply these cylinders recirculated exhaust gas. Parallel to the radiator 170, a bypass damper 168 is disposed to bypass the radiator 170 as needed.
  • the internal combustion engine 100 shown in FIG. 2 has a control unit 188.
  • This control unit 188 is supplied with sensor signals se i, ..., sen provided by a plurality of sensors.
  • the control unit 188 determines by evaluating these sensor signals and a stored in a memory, not shown, work program and stored tables and maps and physical models control signals sl, ..., sn for the actuators of
  • actuators include, inter alia, the low-pressure exhaust gas recirculation valve 186 and the
  • Throttle 182 Physical models include a model of low pressure exhaust gas recirculation valve 186 and a model of throttle 182 that forms a throttle.
  • the low-pressure exhaust gas recirculation valve 186 and the throttle valve 182 are mechanically coupled to each other in an advantageous manner and can be controlled by means of the same control signal. This control is model-based.
  • Such a model-based control of a valve or a throttle uses the known relationship between the Gas mass flow and the position or position of the valve or the throttle with known gas properties such as temperature, pressure and gas composition before and after the valve or the throttle. For modeling, either the valve alone or the entire exhaust gas recirculation path can be considered together.
  • the throttle can be used to set a desired pressure drop across the exhaust gas recirculation valve or the exhaust gas recirculation path and the exhaust gas recirculation valve to set the desired exhaust gas recirculation mass flow.
  • the target position of the exhaust gas recirculation valve results in the case of a fresh air side throttling, as shown in Figure 2, from the following relationship:
  • SEGR the desired position of the exhaust gas recirculation valve
  • Opening cross section of the exhaust gas recirculation valve, ih EGR, SP is the mass flow through the exhaust gas recirculation valve and gEGR (SvorEGR / SnachEGR) is a function of the gas properties in front of and behind the exhaust gas recirculation valve.
  • the target position of the throttle valve 182 results in the case of a fresh air side throttling, as shown in Figure 2, from the following relationship:
  • T H R SP is the target mass flow through the throttle and gTHR (e VO rTHR / e na chTHR) a function of the gas properties in front of and behind the throttle.
  • gTHR e VO rTHR / e na chTHR
  • a THR the throttle effective opening area, S THR throttle position and
  • the throttle valve is either not closed at all or only very slightly closed.
  • the small opening of the exhaust gas recirculation valve leads to a large change in the recirculated exhaust gas mass flow.
  • the small closing of the throttle only leads to little or no change in the gas pressure after the throttle point.
  • the determination of the target position for the exhaust gas recirculation valve by means of said equation (1) is thus stable. In a very wide opening of the exhaust gas recirculation valve mass flow no substantial change is ER- solely by the change in the geometric cross-sectional area of the exhaust gas recirculation valve ⁇ aims.
  • the effective opening cross-sectional area of the exhaust gas recirculation valve and the throttle valve is illustrated depending on the common position or position of the valve.
  • FIG. 3 shows a diagram for illustrating the effective opening cross-sectional area Ol of the exhaust gas recirculation valve as a function of the opening position P of the exhaust gas recirculation valve.
  • FIG. 4 shows a diagram illustrating the effective opening cross-sectional area 02 of the mechanically coupled with the exhaust gas recirculation valve ⁇ throttle valve in dependence from ⁇ from the opening position P of the exhaust gas recirculation valve.
  • T GR, 8P AEGR ⁇ S EGR, SP) 9EGR ( e before EGR ⁇ e after EGR.) (4) determined by dissolution according to e na chEGR.
  • the pressure after the throttle valve is substantially identical to the pressure after the exhaust gas recirculation valve.
  • the function A EGR (S E GR, SP) is now replaced by a constant cross-sectional area A EG R, p-controiied, which is slightly below the maximum Cross-sectional area of the exhaust gas recirculation valve is selected and optionally determined engine operating point dependent.
  • Throttle and exhaust gas recirculation valve stable to control. It also helps to both flaps - the throttle and the From ⁇ gas recirculation valve - largely independently of each physical kaiisch model based characterizes. This has the advantage that a direct determination of the mass flow via the Ab ⁇ gas recirculation valve is possible and the control is automatically adjusted when a change in the setpoint. This is particularly advantageous for different operating modes of the internal combustion engine.
  • control unit is, sen sen sensor signals

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung des Massenstromes eines mit einer Drosselklappe mechanisch gekoppelten Abgasrückführventils einer einen Turbolader aufweisenden Brennkraftmaschine, bei welchen ein einer Sollöffnungsposition des Abgasrückführventils entsprechender erster Sollwert ermittelt, ein einer Sollöffnungsposition der Drosselklappe entsprechender zweiter Sollwert ermittelt, der erste Sollwert mit dem zweiten Sollwert verglichen wird, der Massenstrom des Abgasrückführventils durch eine Veränderung der Öffnungsposition des Abgasrückführventils eingestellt wird, wenn der erste Sollwert größer ist als der zweite Sollwert, und der Massenstrom des Abgasrückführungsventils durch eine Veränderung der Öffnungsposition der Drosselklappe eingestellt wird, wenn der zweite Sollwert größer ist als der erste Sollwert.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung des Massenstromes eines Abgasrückführventils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung des Massenstromes eines Abgasrückführventils einer einen Turbolader aufweisenden Brennkraftmaschine.
Zur Steuerung einer Brennkraftmaschine wird eine Zusammensetzung der Gasladung und eine Füllung des Verbrennungsraumes mit der Gasladung durch ein Stellen von Aktuatoren wie Drosselklappen, Abgasrückführventilen, Abgasklappen, etc., gezielt beeinflusst . Sowohl die Zusammensetzung als auch die Menge der Gasfüllung des Verbrennungsraumes bestimmen neben dem eingespritzten Kraftstoff das Drehmoment sowie die Verbrennungsprodukte und damit die Schadstoffmengen im Abgas. Die Mehrzahl von Benzinmotoren wird mit einem stöchiometrischen Verbrennungsgasgemisch betrieben. Dies erlaubt in Verbindung mit einem Dreiwegekatalysator eine effektive Reduktion der bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe . Die einzuspritzende Kraftstoffmenge wird hierbei durch die im Verbrennungsraum vorhandene Luftmenge bestimmt. Bei einem Dieselmotor im Nominalbetrieb stellt die vorhandene Luftmenge eine Limitierung für die einzuspritzende Kraftstoffmenge dar, um zu erreichen, dass die Menge der Abgaspartikel begrenzt bleibt.
Die Sauerstoffkonzentration ist ein maßgeblicher Parameter für die Erzeugung von Stickoxiden durch die Verbrennung. Eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration der Zylinderfüllung führt zu einer Verminderung der Stickoxidemissionen. In heutigen Dieselmotoren wird dies durch eine Abgasrückführung realisiert. Diese Abgasrückführung kann intern durch den Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen oder extern zusammen mit einer eventuell vorhandenen Kühlung. Diese externe Abgasrückführung kann vor und/oder hinter dem Verdichter eines Turboladers der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Entsprechend spricht man von einer Niederdruck-Abgasrückführung oder einer Hochdruck-Abgasrückführung .
Voraussetzung für eine Abgasrückführung ist stets, dass der Gasdruck an der Abzweigstelle höher ist als an der Einleitstelle. Dies ist insbesondere bei einer Niederdruck-Abgasrückführung nicht in allen Fällen ausreichend möglich. Aus diesem Grund werden zu einer Unterstützung der Abgasrückführung zusätzliche Drosselklappen eingebaut, um eine notwendige Erhöhung oder Absenkung des Gasdrucks an der Abzweigstelle oder der Ein¬ leitstelle zu ermöglichen. Aus der DE 10 2013 209 815 B3 sind ein Verfahren und ein System zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, welche mit einem Abgasturbolader ausgestattet ist und des Weiteren eine Hochdruck-Abgasrückführung und eine Niederdruck-Abgasrückführung aufweist. Dabei erfolgt auf Basis eines physikalischen Modells eine Bestimmung von Flussparametern des im System fließenden Gasstromes an unterschiedlichen Stellen des Gasstromes in Abhängigkeit von einer Stellung eines Stellgliedes im Gasstrom. Zu diesen Flussparametern gehören eine Temperatur und/oder ein Druck. Es erfolgt auf der Basis des invertierten physikalischen Modells ein Bestimmen einer Stellung des Stellgliedes, die zu einem vorbestimmten Flussparameter im Zylinder korrespondiert, ein Steuern des Stellgliedes in die bestimmte Stellung, ein Bestimmen einer Abweichung des vorbestimmten Flussparameters vom Flussparameter des Gasstroms im Zylinder und ein Abgleichen des physikalischen Modells auf der Basis der Abweichung, wobei das physikalische Modell eine Rückführung verbrannten Gases in den Zylinder umfasst und wobei des Weiteren der Flussparameter eine Gaszusammensetzung oder eine Gasmenge des Gasstroms im Zylinder umfasst. Durch diese Maßnahmen soll eine direktere oder genauere Steuerung der Brennkraftmaschine erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung des durch das Abgasrückführventil einer Brennkraftmaschine fließenden Massenstroms anzugeben, welche im Betrieb der Brennkraftmaschine stabil arbeiten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Der Anspruch 6 hat eine Vorrichtung zur Einstellung des Massenstroms eines Abgasrückführventils zum Gegenstand. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden bei einem Verfahren zur Einstellung des Massenstromes eines mit einer Drosselklappe mechanisch gekoppelten Abgasrückführventils einer einen Turbolader aufweisenden Brennkraftmaschine folgende Schritte ausgeführt :
- Ermittlung eines einer Sollöffnungsposition des Abgasrück- führventils entsprechenden ersten Sollwertes,
- Ermittlung eines einer Sollöffnungsposition der Drosselklappe entsprechenden zweiten Sollwertes,
- Vergleichen des ersten Sollwertes mit dem zweiten Sollwert, - Einstellung des Massenstromes des Abgasrückführventils durch eine Veränderung der Öffnungsposition des Abgasrückführventils, wenn der erste Sollwert größer ist als der zweite Sollwert und
- Einstellung des Massenstroms des Abgasrückführungsventils durch eine Veränderung der Öffnungsposition der Drosselklappe, wenn der zweite Sollwert größer ist als der erste Sollwert.
Durch diese Vorgehensweise gelingt es beim Vorliegen eines mit einer Drosselklappe mechanisch gekoppelten Abgasrückführventils dieses gekoppelte System bestehend aus Drosselklappe und Ab¬ gasrückführventil stabil anzusteuern. Dabei werden die Dros¬ selklappe und das Abgasrückführventil unabhängig voneinander modellbasiert charakterisiert. Dies hat den Vorteil, dass eine direkte Bestimmung des über das Abgasrückführventil fließenden Massenstroms möglich ist und die Ansteuerung bei einer Veränderung des Sollwertes automatisch angepasst wird. Dies ist insbesondere beim Vorliegen unterschiedlicher Betriebsarten der Brennkraftmaschine von Vorteil. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt: Figur 1 eine Blockdarstellung einer mit einem Abgasturbolader, einer Niederdruck-Abgasrückführung und einer Hochdruck-Abgasrückführung ausgestatteten Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 2 eine Blockdarstellung einer mit einem Abgasturbolader, einer Niederdruck-Abgasrückführung und einer Hochdruck-Abgasrückführung ausgestatteten Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der effektiven
Öffnungsquerschnittsfläche eines Abgasrückführventils in Abhängigkeit von der Öffnungsposition des Abgasrückführventils und Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der effektiven
Öffnungsquerschnittsfläche einer mit dem Abgasrück- führventil mechanisch gekoppelten Drosselklappe in Abhängigkeit von der Öffnungsposition des Abgasrück- führventils .
Die Figur 1 zeigt eine Blockdarstellung einer mit einem Abgasturbolader, einer Niederdruck-Abgasrückführung und einer Hochdruck-Abgasrückführung ausgestatteten Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Diese Brennkraftmaschine 100 weist einen Turbolader 120 auf, zu welchem eine Abgasturbine 130 und ein Verdichter 125 gehören. Die Abgasturbine 130 wird mit Abgas versorgt, welches von den Zylindern 150 der Brennkraftmaschine 100 bereitgestellt wird. Durch dieses Abgas wird das Turbinenrad der Abgasturbine 130 in Drehung versetzt. Diese Drehung des Turbinenrades wird über eine Welle des Abgasturboladers an ein Verdichterrad des Verdichters 125 übertragen, welches dadurch ebenfalls in Drehung versetzt wird. Das Verdichterrad ist zur Verdichtung eines Gasgemisches vorgesehen, welches aus Frischluft und über eine Nieder¬ druck-Abgasrückführung 180 rückgeführtem Abgas besteht. Die genannte Frischluft wird dem Verdichterrad über ein Luftfilter 110 zugeführt. Das von der Abgasturbine 130 ausgegebene Abgas wird über einen Katalysator 158, ein Partikelfilter 160, eine Abgasklappe 162 und einen Schalldämpfer 164 an die Umgebung abgegeben . Zwischen dem Partikelfilter 160 und der Abgasklappe 162 ist ein Abzweig vorgesehen, an welchem Abgas abgezweigt wird, welches über die Niederdruck-Abgasrückführung 180 dem Verdichter 125 zugeführt wird. In dieser Niederdruck-Abgasrückführung 180 sind ein Kühler 184 und ein Niederdruck-Abgasrückführventil 186 vorgesehen.
Das verdichtete Gasgemisch wird vom Ausgang des Verdichters 125 über einen Ladeluftkühler 135 und eine Drossel 140 den Zylindern 150 der Brennkraftmaschine 100 zugeführt.
Des Weiteren weist die in der Figur 1 gezeigte Brennkraftmaschine 100 eine Hochdruck-Abgasrückführung 166 auf. Diese ist direkt an einen Ausgang der Zylinder 150 angeschlossen und wird über diesen Ausgang mit unter hohem Druck stehendem Abgas versorgt. Dieses unter hohem Druck stehende Abgas wird über einen Kühler 170 und ein Hochdruck-Abgasrückführventil 172 dem Eingang der Zylinder 150 zugeleitet, um diesen Zylindern rückgeführtes Abgas zu¬ zuführen. Parallel zum Kühler 170 ist eine Bypassklappe 168 angeordnet, um den Kühler 170 bei Bedarf umgehen zu können.
Ferner weist die in der Figur 1 dargestellte Brennkraftmaschine 100 eine Steuereinheit 188 auf. Dieser Steuereinheit 188 werden von einer Vielzahl von Sensoren bereitgestellte Sensorsignale se i , ... , sen zugeführt. Die Steuereinheit 188 ermittelt unter Auswertung dieser Sensorsignale und eines in einem nicht dargestellten Speicher abgespeicherten Arbeitsprogrammes sowie abgespeicherten Tabellen und Kennfeldern sowie physikalischen Modellen Steuersignale sl,...,sn für die Stellglieder der Brennkraftmaschine. Zu diesen Stellgliedern gehören unter anderem das Niederdruck-Abgasrückführventil 186 und die Ab¬ gasklappe 162. Zu den physikalischen Modellen gehören ein Modell des Niederdruck-Abgasrückführventils 186 und ein Modell der Abgasklappe 162, welche eine Drosselstelle bildet.
Das Niederdruck-Abgasrückführventil 186 und die Abgasklappe 162 sind in vorteilhafter Weise mechanisch miteinander gekoppelt und können mittels desselben Steuersignals angesteuert werden. Diese Ansteuerung erfolgt modellbasiert, wie es noch unten anhand der Figuren 3 und 4 näher erläutert wird.
Die Figur 2 zeigt eine Blockdarstellung einer mit einem Abgasturbolader, einer Niederdruck-Abgasrückführung und einer Hochdruck-Abgasrückführung ausgestatteten Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Diese Brennkraftmaschine 100 weist einen Turbolader 120 auf, zu welchem eine Abgasturbine 130 und ein Verdichter 125 gehören. Die Abgasturbine 130 wird mit Abgas versorgt, welches von den
Zylindern 150 der Brennkraftmaschine 100 bereitgestellt wird. Durch dieses Abgas wird das Turbinenrad der Abgasturbine in Drehung versetzt. Diese Drehung des Turbinenrades wird über eine Welle des Abgasturboladers an das Verdichterrad des Verdichters 125 übertragen, welches dadurch ebenfalls in Drehung versetzt wird. Das Verdichterrad ist zur Verdichtung eines Gasgemisches vorgesehen, welches aus Frischluft und über eine Nieder¬ druck-Abgasrückführung 180 rückgeführtem Abgas besteht. Die genannte Frischluft wird dem Verdichterrad über ein Luftfilter 110 und eine Drosselklappe 182 zugeführt. Das von der Abgas¬ turbine 130 ausgegebene Abgas wird über einen Katalysator 158, ein Partikelfilter 160 und einen Schalldämpfer 164 an die Umgebung abgegeben. Zwischen dem Partikelfilter 160 und dem Schalldämpfer 164 ist ein Abzweig vorgesehen, an welchem Abgas abgezweigt wird, welches über die Niederdruck-Abgasrückführung 180 dem Verdichter 125 zugeführt wird. In dieser Niederdruck-Abgasrückführung 180 sind ein Kühler 184 und ein Niederdruck-Abgasrückführventil 186 vorgesehen .
Das verdichtete Gasgemisch wird vom Ausgang des Verdichters 125 über einen Ladeluftkühler 135 und eine Drossel 140 den Zylindern 150 der Brennkraftmaschine 100 zugeführt.
Des Weiteren weist die in der Figur 2 gezeigte Brennkraftmaschine 100 eine Hochdruck-Abgasrückführung 166 auf. Diese ist direkt an einen Ausgang der Zylinder 150 angeschlossen und wird über diesen Ausgang mit unter hohem Druck stehendem Abgas versorgt. Dieses unter hohem Druck stehende Abgas wird über einen Kühler 170 und ein Hochdruck-Abgasrückführventil 172 an den Eingang der Zy¬ linder 150 zurückgeführt, um diesen Zylindern rückgeführtes Abgas zuzuführen. Parallel zum Kühler 170 ist eine Bypassklappe 168 angeordnet, um den Kühler 170 bei Bedarf umgehen zu können.
Ferner weist die in der Figur 2 dargestellte Brennkraftmaschine 100 eine Steuereinheit 188 auf. Dieser Steuereinheit 188 werden von einer Vielzahl von Sensoren bereitgestellte Sensorsignale se i , ... , sen zugeführt. Die Steuereinheit 188 ermittelt unter Auswertung dieser Sensorsignale und eines in einem nicht dargestellten Speicher abgespeicherten Arbeitsprogrammes sowie abgespeicherten Tabellen und Kennfeldern sowie physikalischen Modellen Steuersignale sl,...,sn für die Stellglieder der
Brennkraftmaschine 100. Zu diesen Stellgliedern gehören unter anderem das Niederdruck-Abgasrückführventil 186 und die
Drosselklappe 182. Zu den physikalischen Modellen gehören ein Modell des Niederdruck-Abgasrückführventils 186 und ein Modell der Drosselklappe 182, welche eine Drosselstelle bildet.
Das Niederdruck-Abgasrückführventil 186 und die Drosselklappe 182 sind in vorteilhafter Weise mechanisch miteinander gekoppelt und können mittels desselben Steuersignals angesteuert werden. Diese Ansteuerung erfolgt modellbasiert.
Eine derartige modellbasierte Ansteuerung eines Ventils oder einer Drossel nutzt den bekannten Zusammenhang zwischen dem Gasmassenstrom und der Position bzw. Stellung des Ventils bzw. der Drossel bei bekannten Gaseigenschaften wie Temperatur, Druck und Gaszusammensetzung vor und nach dem Ventil bzw. der Drossel. Zur Modellierung kann entweder das Ventil alleine oder die gesamte Abgasrückführstrecke gemeinsam betrachtet werden . Inder Regel faktorisiert die Abhängigkeit des Gasmassenstroms in eine Abhängigkeit von den Gaseigenschaften vor und nach dem Ventil und einer Abhängigkeit von der Stellung des Ventils selbst, so dass das Modell durch eine Gleichung der Form m = A(s)'g(evor,enach) gegeben ist, wobei m der Abgasmassenstrom, A(s) der effektive Öffnungsquerschnitt und g (eVOr, enach) eine Funktion der Gasei- genschaften vor und hinter dem Ventil sind. Dies gilt sowohl für die Drossel als auch für das Abgasrückführventil . Bei einer separaten Ansteuerung des Abgasrückführventils und der Drossel kann die Drossel zur Einstellung eines gewünschten Druckabfalls über das Abgasrückführventil oder die Abgasrückführstrecke benutzt werden und das Abgasrückführventil zur Einstellung des gewünschten Abgasrückführmassenstromes .
Die Sollstellung des Abgasrückführventils ergibt sich für den Fall einer frischluftseitigen Drosselung, wie sie in der Figur 2 gezeigt ist, aus der folgenden Beziehung:
-1 / mEGR.SP
>EGR.SP— Assi?
QEGR (ßwoT EGR» enach EGRV (1)
Dabei ist
SEGR,SP die Sollstellung des Abgasrückführventils ,
AEGR_1 die inverse Funktion für den effektiven
Öffnungsquerschnitt des Abgasrückführventils , ih EGR, SP der Sollmassenstrom durch das Abgasrückführventil und gEGR (SvorEGR/ SnachEGR) eine Funktion der Gaseigenschaften vor und hinter dem Abgasrückführventil . Die Sollstellung der Drosselklappe 182 ergibt sich für den Fall einer frischluftseitigen Drosselung, wie sie in der Figur 2 gezeigt ist, aus der folgenden Beziehung:
-1
= A THR
3τ Ρ.(βνοι THR* enach THR.SP)/ . ( 2 )
Dabei ist
STHR,SP die Sollstellung der Drosselklappe,
ATHR_1 die inverse Funktion für den effektiven
Öffnungsquerschnitt der Drosselklappe,
THR, SP der Sollmassenstrom durch die Drosselklappe und gTHR (eVOrTHR/ enachTHR) eine Funktion der Gaseigenschaften vor und hinter der Drosselklappe. Im Falle einer gemeinsamen Ansteuerung des Abgasrückführventils und der Drosselklappe ergibt sich aufgrund der mechanischen Kopplung des Abgasrückführventils mit der Drosselklappe bereits aus der Sollstellung des Abgasrückführventils die Sollstellung der Drosselklappe und umgekehrt. Wird die Sollstellung des Abgasrückführventils mittels der vorgenannten Gleichung (1) bestimmt, dann ist damit bereits die Sollstellung der Dros¬ selklappe festgelegt. Da aber bei frischluftseitiger Drosselung in der Regel durch eine Veränderung der Stellung der Drosselklappe auch der Gasdruck hinter der Drosselklappe verändert wird, ergibt sich für den Gaszustand enachEGR ein neuer Wert. Diese Art der Ansteuerung führt daher in der Regel zu einem nicht gewünschten, instabilen Ansteuerverhalten, da enachEGR von SEGR abhängt. Im Prinzip müsste man SEGR,SP aus der Lösung der Gleichung
Figure imgf000012_0001
bestimmen . Hierbei ist die Abhängigkeit von enachEGR ( SEGR, SP) durch die Gleichungen
M THR = A- HR ( STHR) *gthr ( SvorTHR/ SnachTHR) Und STHR = SEGR gegeben. Dabei ist
m THR der Gasmassenstrom durch die Drosselklappe,
ATHR der effektive Öffnungsquerschnitt der Drosselklappe, STHR die Stellung der Drosselklappe und
SEGR die Stellung des Abgasrückführventils .
Da sich die implizite Gleichung (3) nicht in eine explizite Gleichung für die Sollposition umstellen lässt, wäre ein aufwendiges iteratives Lösungsverfahren notwendig, um die
Gleichung (3) zu lösen und damit die Sollposition zu bestimmen.
Um dies zu umgehen wird folgender Zusammenhang genutzt: Bei einer nur geringen Öffnung des Abgasrückführventils wird die Dros- seiklappe entweder gar nicht oder nur sehr wenig geschlossen. Die geringe Öffnung des Abgasrückführventils führt zu einer großen Veränderung des rückgeführten Abgasmassenstroms. Das geringe Schließen der Drosselklappe führt nur zu einer geringen oder gar keiner Veränderung des Gasdrucks nach der Drosselstelle. Die Bestimmung der Sollposition für das Abgasrückführventil mittels der genannten Gleichung (1) ist damit stabil. Bei einer sehr weiten Öffnung des Abgasrückführventils wird allein durch die Veränderung der geometrischen Querschnittsfläche des Abgas¬ rückführventils keine wesentliche Massenstromveränderung er- zielt. Hingegen ist durch die mechanische Kopplung des Ab- gasrückführventils mit der Drosselklappe die Drosselklappe fast geschlossen, was zu einer starken Veränderung des Drucks nach der Drosselstelle führt. Im Falle einer abgasseitigen Drosselung, wie sie in der Figur 1 veranschaulicht ist, tritt diese starke Veränderung des Drucks vor der Drosselstelle auf. Eine Ein¬ stellung des rückgeführten Abgasmassenstroms erfolgt in diesem Fall durch eine Veränderung der Öffnungsposition der Drosselklappe und nicht durch eine Veränderung der Öffnungsposition des Abgasrückführventils .
Nachfolgend wird die effektive Öffnungsquerschnittsfläche des Abgasrückführventils und der Drosselklappe abhängig von der gemeinsamen Position oder Stellung des Ventils veranschaulicht.
Die Figur 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der effektiven Öffnungsquerschnittsfläche Ol des Abgasrückführventils in Abhängigkeit von der Öffnungsposition P des Abgasrück- führventils .
Die Figur 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der effektiven Öffnungsquerschnittsfläche 02 der mit dem Abgas¬ rückführventil mechanisch gekoppelten Drosselklappe in Ab¬ hängigkeit von der Öffnungsposition P des Abgasrückführventils .
Es ist ersichtlich, dass bei geschlossenem Abgasrückführventil die Drosselklappe geöffnet ist und umgekehrt.
Nun wird der Drucksollwert in enach THR,S aus der Gleichung (2 ) über die Beziehung
T GR,8P = AEGR {SEGR,SP)9EGR (evor EGR< enach EGR.) ( 4 ) durch Auflösen nach enachEGR bestimmt. Bei frischluftseitiger Drosselung - wie sie in der Figur 2 gezeigt ist - ist der Druck nach der Drosselklappe im Wesentlichen identisch mit dem Druck nach dem Abgasrückführventil . Dabei wird nun allerdings die Funktion AEGR ( SEGR, SP) durch eine konstante Querschnittsfläche AEGR,p-controiied ersetzt, die etwas unterhalb der maximalen Querschnittsfläche des Abgasrückführventils gewählt wird und gegebenenfalls motorbetriebspunktabhängig bestimmt wird. Ein so bestimmter Druck in enachTHR, SP wird nun zur Bestimmung von STHR, SP nach Gleichung (2) genutzt. Gleichzeitig wird mit Gleichung (1) der Sollwert für die Stellung des Abgasrückführventils bestimmt. Der tatsächliche gültige Sollwert für die gemeinsame Position von Abgasrückführventil und Drosselklappe wird nun aber durch das Maximum von den so berechneten Sollwerten STHR,SP und SEGR,SP be¬ stimmt. Damit wird eine eindeutige Berechnungsvorschrift für die gemeinsame Stellung von Abgasrückführventil und Drosselklappe definiert, die folgende Eigenschaften besitzt:
Für einen geringen rückgeführten Sollmassenstrom ergibt sich aus Gleichung (1) eine Sollposition mit einer Querschnittsfläche des Abgasrückführventils kleiner als AEGR,p-controiied · Die Sollposition für die Drosselklappe, die über den Drucksollwert nach der Drossel und dem Abgasrückführventil bei Annahme eines weit geöffneten Abgasrückführventils AEGR,p-controiied bestimmt wird, ist nun geringer als die über Gleichung (1) bestimmte Sollposition. Das System aus Abgasrückführventil und Drosselklappe befindet sich in einem Betriebsbereich, in dem der Massenstrom über das Abgasrückführventil im Wesentlichen durch die Querschnitts¬ fläche des Abgasrückführventils eingestellt werden kann. Ergibt sich hingegen für einen höheren rückgeführten Sollmassenstrom aus Gleichung (1) eine Sollposition, die einer Querschnittsfläche größer als AEGR,p-controiied entspricht, so wird die über Gleichung (2) bestimmte Sollposition eine höhere Sollposition STHR,SP ergeben, da ja von einer geringeren Quer- schnittsfläche AEGR,p-controiied für die Drucksollwertbestimmung ausgegangen wurde. Somit wird nun der Massenstrom über das Abgasrückführventil im Wesentlichen durch den geforderten Druckabfall über die Drosselstelle bestimmt. Mit diesem Verfahren gelingt es, das gekoppelte System aus
Drosselklappe und Abgasrückführventil stabil anzusteuern. Es werden dabei beide Klappen - die Drosselklappe und das Ab¬ gasrückführventil - weitgehend unabhängig voneinander physi- kaiisch modellbasiert charakterisiert. Dies hat den Vorteil, dass eine direkte Bestimmung des Massenstroms über das Ab¬ gasrückführventil möglich ist und die Ansteuerung bei einer Veränderung des Sollwertes automatisch angepasst wird. Dies ist insbesondere bei unterschiedlichen Betriebsarten des Verbrennungsmotors von Vorteil.
Demnach werden beim erfindungsgemäßen Verfahren zwei unterschiedliche Bereiche verwendet, um den rückzuführenden Soll¬ massenstrom in eine geeignete Ventilstellung umzusetzen, nämlich ein Massenstromansteuerbereich, bei welchem sich die Sollposition direkt aus dem Modell des Abgasrückführventils ergibt (Gleichung 1), und ein Druckansteuerbereich, bei dem zunächst anhand des Modells des Abgasrückführventils nach Gleichung 4 ein Drucksollwert nach dem Abgasrückführventil bestimmt wird, und dann aus dem Modell der Drosselklappe (Gleichung 2) eine Sollposition für die Drosselklappe bestimmt wird. Der notwendige Wechsel zwischen diesen beiden Bereichen erfolgt durch die oben beschriebene Auswahl des Maximums der Querschnittsfläche.
Bezugs zeichenliste
100 Brennkraftmaschine
110 Luftfilter
120 Turbolader
125 Verdichter
130 Abgasturbine
135 Ladeluftkühler
140 Drossel
150 Zylinder
158 Katalysator
160 Partikelfilter
162 Abgasklappe
164 Schalldämpfer
166 Hochdruck-Abgasrückführung
168 Bypassklappe
170 Kühler
172 Hochdruck-Abgasrückführventil
180 Niederdruck-Abgasrückführung
182 Drosselklappe
184 Kühler
186 Niederdruck-Abgasrückführventil
188 Steuereinheit sei,..., sen Sensorsignale
sl,...,sn Steuersignale

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Einstellung des Massenstromes eines mit einer Drosselklappe mechanisch gekoppelten Abgasrückführventils einer einen Turbolader aufweisenden Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten :
- Ermittlung eines einer Sollöffnungsposition des Abgasrück- führventils entsprechenden ersten Sollwertes,
- Ermittlung eines einer Sollöffnungsposition der Drosselklappe entsprechenden zweiten Sollwertes,
- Vergleichen des ersten Sollwertes mit dem zweiten Sollwert,
- Einstellung des Massenstromes des Abgasrückführventils durch eine Veränderung der Öffnungsposition des Abgasrückführ- ventils, wenn der erste Sollwert größer ist als der zweite
Sollwert und
- Einstellung des Massenstroms des Abgasrückführungsventils durch eine Veränderung der Öffnungsposition der Drosselklappe, wenn der zweite Sollwert größer ist als der erste Sollwert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der Sollöffnungsposition des Abgasrückführventils ent¬ sprechende erste Sollwert nach der folgenden Beziehung ermittelt wird :
Figure imgf000017_0001
wobei SEGR,SP die Sollstellung des Abgasrückführventils , AEGR _1 di inverse Funktion für den effektiven Öffnungsquerschnitt des Abgasrückführventils , m EGR, SP der Sollmassenström durch das Abgasrückführventil und gEGR (eVOrEGR/ enachEGR) eine Funktion der Gaseigenschaften vor und hinter dem Abgasrückführventil ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der Sollöffnungsposition der Drosselklappe entsprechende zweite Sollwert nach der folgenden Beziehung ermittelt wird:
Figure imgf000018_0001
wobei STHR,SP die Sollstellung der Drosselklappe, ATHR _1 die inverse Funktion für den effektiven Öffnungsquerschnitt der Drossel- klappe, m THR, SP der Sollmassenstrom durch die Drosselklappe und gTHR (eVOrTHR/ enachTHR) eine Funktion der Gaseigenschaften vor und hinter der Drosselklappe ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des zweiten Sollwertes zunächst anhand des Modells des Abgasrückführventils ein Drucksollwert bestimmt wird und danach anhand des Modells der Drosselklappe die Sollposition der Drosselklappe bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des zweiten Sollwertes zunächst unter Verwendung der Beziehung
MEGR.SP —
Figure imgf000018_0002
EGR-enach EGR) der Drucksollwert nach dem Abgasrückführventil bestimmt wird und der bestimmte Drucksollwert zur Bestimmung des zweiten Soll¬ wertes verwendet wird.
6. Vorrichtung zur Einstellung des Massenstromes eines mit einer Drosselklappe mechanisch gekoppelten Abgasrückführventils einer einen Turbolader aufweisenden Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (188) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu steuern.
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