DE10162970B4

DE10162970B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10162970B4
Application number: DE10162970.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Jeschke Jens; Dr.-Ing. Nitzke Hans-Georg; Dipl.-Ing. Gloger Jürgen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: FR2833998B1; DE10162970A1; FR2833998A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brennraum (19) auftretende Brennraumdruck erfasst und davon abhängig eine Dichte des Gasgemisches bestimmt und aus der Dichte des Gasgemisches ein dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführter Gasmassenstrom (mELS) des Gasgemisches abgeleitet wird, und dass in Abhängigkeit von dem erfassten Brennraumdruck eine Temperatur (TELS_in) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas und eine infolge einer Verbrennung des Gasgemisches in dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) auftretende Temperaturänderung des Gasgemisches bestimmt wird, um davon abhängig eine Abgasrückführrate zu bestimmen, welche ein Verhältnis zwischen dem Abgasrückfuhrmassenstrom (mAGR) des Abgases und dem Gasmassenstrom (mELS) beschreibt, und dass in Abhängigkeit von dem Gasmassenstrom (mELS) und der Abgasrückführrate der Abgasrückführmassenstrom (mAGR) bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors.
Für eine insbesondere emissionsoptimale Regelung eines Verbrennungsmotors, z. B. eines aufgeladenen Dieselmotors, ist die genaue Kenntnis einer möglichst großen Anzahl von Betriebsparametern des Motorsystems von entscheidender Bedeutung. Ein derartiger Betriebsparameter ist bei einem Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung beispielsweise der Abgasrückführmassenstrom, d. h. der Massenstrom des von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases, welches über eine Abgasrückführleitung einer Mischstelle zugeführt wird, wo das Abgas mit angesaugter Frischluft gemischt wird, um das daraus resultierende Frischluft/Abgasgemisch den Brennräumen des Verbrennungsmotors zuzuführen.
In diesem Zusammenhang offenbart die DE 4 443 517 A1 eine Einrichtung zur Lasterfassung bei einer Brennkraftmaschine, bei welcher der Zylinderdruck in wenigstens einem Zylinder mit Hilfe eines Drucksensors ermittelt wird. Die Last wird dann entweder aus der Differenz von Druckwerten bei zwei verschiedenen Kurbelwellenwinkeln oder der Differenz von zwei verschiedenen Integralwerten gebildet, wobei die beiden Integralwerte durch Integration des Drucksignals während der Kompressions- und während der Ansaugphase ermittelt werden.
Die DE 19 963 358 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Luftsystem. Mittels wenigstens eines Modells wird wenigstens eine Größe, welche das Luftsystem charakterisiert, ausgehend von wenigstens einer Stellgröße und/oder wenigstens einer Messgröße, welche den Zustand der Umgebungsluft charakterisiert, bestimmt. Als Messgröße werden wenigstens eine Drehzahlgröße, welche die Drehzahl der Brennkraftmaschine charakterisiert, eine Umgebungstemperatur und/oder ein Umgebungsdruck verwendet.
Die DE 19 844 637 C1 betrifft eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, in welchem eine Drosselklappe angeordnet ist. Die Steuereinrichtung umfasst einen Beobachter, der ein dynamisches Modell des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine umfasst, und einen Regler, dessen Regel- und Führungsgröße der Saugrohrdruck in dem Ansaugtrakt ist, dessen Regelparameter von Größen abhängen, die der Beobachter ermittelt, und der ein Stellsignal zum Steuern der Drosselklappe erzeugt.
Derzeit ist der Abgasrückführmassenstrom nicht exakt messbar. Empirisch oder physikalisch basierte Modelle, mit denen der Abgasrückführmassenstrom aus anderen Betriebsparametern des Motorsystems abgeleitet werden kann, weisen eine unzureichende Genauigkeit auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, womit einerseits eine möglichst genaue Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms möglich ist und andererseits hierzu lediglich Betriebsparameter verwendet werden, welche entweder einfach mit Hilfe entsprechender Sensoren erfasst werden können oder in dem entsprechenden Motormanagementsystem ohnehin bereits vorliegen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruches 14 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 24 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäß wird der Brennraumdruckverlauf in den Brennräumen bzw. Zylindern des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Kurbelwellenposition erfasst, um davon abhängig sowie unter Auswertung weiterer ohnehin bekannter oder leicht ermittelbarer bzw. ableitbarer Zustandsgrößen den Abgasrückführmassenstrom zu bestimmen.
Hierzu werden verschiedene Ausführungsbeispiele vorgestellt, wobei jeweils eine separate Messung des Abgasrückführmassenstroms entfallen kann und eine einfache Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms mit Hilfe der entsprechenden Modelle möglich ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher anhand der beigefügten Zeichnung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert.
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Echtzeitsimulators zur Simulierung des Gasstroms in einem Kraftfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung, und
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Zylinder- bzw. Brennraumdruckerfassung in einem Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 mit vier Brennräumen bzw. Zylindern dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Abgasturbolader (ATL) gekoppelt, welcher eine Turbine 2 und einen Verdichter 7 umfasst, wobei die Turbine 2 und der Verdichter 7 auf einer gemeinsamen Welle 14, der so genannten Turboladerwelle, angebracht sind. Die Turbine 2 nutzt die im Abgas des Verbrennungsmotors 1 enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters 7, welcher über ein Luftfilter 6 Frischluft ansaugt und vorverdichtete Luft in die einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors 1 drückt. Der durch die Turbine 2, den Verdichter 7 und die Turboladerwelle 14 gebildete Abgasturbolader ist nur durch den Luft- und Abgasmassenstrom strömungstechnisch mit dem Verbrennungsmotor 1 gekoppelt.
Die von dem Verdichter 7 über den Luftfilter 6 angesaugte und vorverdichtete Luft wird über einen Ladeluftkühler (LLK) 8, welcher die Abgastemperatur und damit die NO_x-Emission sowie den Kraftstoffverbrauch reduziert, einem sogenannten Ersatzvolumen (ERS) 9 zugeführt. Durch die Reduktion der Abgastemperatur in dem Ladeluftkühler 8 wird die Luft durch Anreicherung von Sauerstoff verdichtet, ohne jedoch den Druck zu erhöhen. Den einzelnen Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 ist ein Einlass-Sammler (ELS) 10 vorgeschaltet. Das in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 erzeugte Abgas wird von einem Abgas-Sammler (ASA) 11 gesammelt und der Turbine 2 zugeführt. Der Turbine 2 ist in Abgasströmungsrichtung die Abgasanlage (APU) 12 des Kraftfahrzeugs nachgeschaltet, welche die Schadstoffanteile der beim Betrieb des Verbrennungsmotors 1 entstehenden Abgase abbaut und die verbleibenden Abgase so geräuscharm wie möglich ableitet. Ein Teil des in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 erzeugten Abgases wird von dem Abgas-Sammler 11 über eine Abgasrückführung (AGR) 22 mit einem Abgasrückführventil 23 an den Einlass-Sammler 10 zurückgeführt, wo das zurückgeführte Abgas mit der angesaugten Frischluft gemischt und das Frischluft/Abgasgemisch dem entsprechenden Brennraum des Verbrennungsmotors 1 zugeführt wird.
Des Weiteren ist in 1 ein Steuergerät 4 dargestellt, welches ein Bestandteil eines entsprechenden Motormanagementsystems des Kraftfahrzeugs ist. Von dem Steuergerät 4 werden verschiedene Größen oder Betriebsparameter des dargestellten Motorsystems überwacht, welche mit Hilfe entsprechender Sensoren erfasst und über eine Schnittstelle 3 dem Steuergerät 4 zugeführt werden. Dabei kann es sich insbesondere um den in den einzelnen Zylindern bzw. Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 auftretenden Brennraumdruck, um die von einem Kurbelwellensensor erfasste Stellung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 oder um die Abgastemperatur in der Abgasrückführleitung 22 oder in dem Auslass-Sammler 11 handeln. In 1 ist als weiteres Beispiel für von durch das Steuergerät 4 auszuwertenden Betriebsparametern die über den Luftfilter 6 mit Hilfe des Verdichters 7 angesaugte Frischluftmenge, die in dem Ersatzvolumen 9 vorhandene Lufttemperatur bzw. der entsprechende Luftdruck und die Turbinen- bzw. Turboladerwellendrehzahl angedeutet, welche allesamt über die Schnittstelle 3 dem Steuergerät 4 zugeführt sind. Die auf diese Weise von dem Steuergerät 4 erfassten Messgrößen werden ausgewertet, um davon abhängig verschiedene Stellsignale für das Motormanagementsystem zu erzeugen. Wie in 1 angedeutet ist, können die über die Schnittstelle 3 von dem Steuergerät 4 ausgegebenen Steuersignale beispielsweise das Tastverhältnis des in der Abgasrückführung 22 angeordneten Abgasrückführventils 23, die Leitschaufelverstellung 15 der Turbine 2 oder auch den Einspritzzeitpunkt sowie die Einspritzmenge des in die einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors 1 über ein Einspritzsystem 5 eingespritzten Luftkraftstoffgemisches steuern.
Mit den Bezugszeichen 13 sind in 1 jeweils in entsprechenden Luft- bzw. Gaspfaden angeordnete Ventile bezeichnet.
Wie nachfolgend näher erläutert wird, ist das Steuergerät 4 in der Lage, durch Auswertung bestimmter Messgrößen, welche bei bekannten Motormanagementsystemen zumindest teilweise ohnehin zur Verfügung stehen, den Abgasrückführmassenstrom, d. h. den Massenstrom des über die Abgasrückführung 22 zurückgeführten Abgases, zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird unter anderem der Brennraumdruckverlauf in den einzelnen Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 erfasst und ausgewertet, was nachfolgend näher unter Bezugnahme auf 2 erläutert werden soll.
In 2 ist ein Zylinder oder Brennraum 19 bzw. das entsprechende Zylindergehäuse des Verbrennungsmotors 1 dargestellt. Ein in dem Brennraum 19 befindlicher Kolben 20 wird über eine Kurbelwelle 21 des Verbrennungsmotors 1 angetrieben. Wird beispielsweise angenommen, dass der Verbrennungsmotor mit vier Takten arbeitet, erreichen die Kurbelwelle 21 und der Kolben 20 innerhalb eines Arbeitszyklus genau zweimal den so genannten oberen Totpunkt OT und den unteren Totpunkt UT, was zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle 21 entspricht. In der Kraftfahrzeugtechnik werden die Drehwinkel φ der Kurbelwelle 21 in Grad Kurbelwellenwinkel (°KW) angegeben.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Zylinderkopfs oder der Zylinderkopfdichtung ein Drucksensor 16 angeordnet, mit dessen Hilfe der in dem Brennraum 19 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 auftretende Brennraumdruck erfasst werden kann. Zu diesem Zweck umfasst der Drucksensor 16 beispielsweise eine Messmembran, welche abhängig von dem in dem Brennraum herrschenden Brennraumdruck unterschiedlich gedehnt bzw. verformt wird, wobei das Ausmaß der Dehnung bzw. Verformung dieser Messmembran als Maß für den in dem Brennraum 19 augenblicklich herrschenden Brennraumdruck von dem Steuergerät 4 ausgewertet wird.
Der auf diese Weise in dem Brennraum 19 herrschende Brennraumdruck wird zu der augenblicklichen Stellung der Kurbelwelle 21, d. h. zu dem augenblicklichen Drehwinkel φ der Kurbelwelle 21, in Beziehung gesetzt. Zu diesem Zweck ist ein Kurbelwellensensor 17 vorgesehen, welcher kontinuierlich die augenblickliche Stellung der Kurbelwelle 21 erfasst und diese dem Steuergerät 4 zuführt. Auf diese Weise kann das Steuergerät 4 den Verlauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit von dem Drehwinkel φ der Kurbelwelle 21 ermitteln.
Die auf diese Weise erfassten Zylinder- oder Brennraumdrucksignale können durch ständige Auswertung zur Anpassung und Optimierung der Regelung des Abgasrückführmassenstroms über die Lebensdauer des Verbrennungsmotors verwendet werden. Dabei kann insbesondere eine Strategie zur Anpassung der globalen Abgasrückführung an den jeweiligen Motorzustand zur Anwendung kommen, welche neben den Verbrennungsparametern auch den Zielkonflikt zwischen Emission und Kraftstoffverbrauch einerseits und Motordrehmoment andererseits berücksichtigt. Eine wesentliche Zustandsgröße, welche hierbei u. a. kontinuierlich auszuwerten ist, ist der über die Abgasrückführleitung 22 fließende Abgasrückführmassenstrom, wobei im Folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms aus bereits vorhandenen Informationen oder Zustandsgrößen vorgestellt werden.
Dabei sollen nachfolgend zunächst einige Grundgleichungen eines dabei zur Anwendung kommenden neuartigen Gasdynamikmodells beschrieben werden.
Der von dem Verbrennungsmotor angesaugte Gasmassenstrom (Zylinderfüllung) m_ELS lässt sich gut durch den Ansatz (1) m_ELS = a₀(n_mot) + a₁(n_mot)·ρ_ELS beschreiben, wobei a₀ und a₁ von der Motordrehzahl n_mot abhängige Koeffizienten darstellen und ρ_ELS die Dichte des Gases im Einlass-Sammler 10 ist.
Aus dem idealen Gasgesetz folgt zudem:
Dabei bezeichnet T_ELS die Temperatur des von dem Verbrennungsmotor 1 aus dem Einlass-Sammler 10 angesaugten Gasmassenstroms, d. h. die Mischungstemperatur des Einlass-Sammlers 10, und R stellt die Gaskonstante dar. Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, dass der Ladedruck p_ELS und die Mischungstemperatur T_ELS die Dichte im Einlass-Sammler 10 und damit die Motorfüllung (vgl. Gleichung (1)) bestimmen.
Für die Massenstrombilanz bezüglich des Verhältnisses zwischen dem von dem Verbrennungsmotor 1 angesaugten Gasmassenstrom m_ELS, dem von dem Einlass-Sammler 10 angesaugten Frischluftmassenstrom m_{ELS_in} und dem Abgasrückführmassenstrom m_AGR gilt im stationären Fall bzw. für ein kleines Saugstutzenvolumen: (3) m_ELS = m_{ELS_in} + m_AGR
Für die entsprechenden stationären Temperaturen dieser Massenströme gilt unter der Annahme, dass die spezifische Wärmekapazität für die Frischluft und das Abgas identisch ist: (4) m_ELS·T_ELS = m_{ELS_in}·T_{ELS_in} + m_AGR·T_AGR
Für die Eintrittstemperatur des zurückgeführten Abgases in den Einlass-Sammler 10 kann folgender Ansatz verwendet werden: (5) T_AGR = η_AGR·T_ASA = η_AGR·(T_ELS + ΔT_mot)
Der in der Formel (5) verwendete Verminderungsfaktor η_AGR charakterisiert die Kühlung der Abgasrückführleitung 22. Mit dem Parameter ΔT_mot wird die Temperaturerhöhung zwischen der Temperatur T_ELS des Einlass-Sammlers 10 und der Temperatur T_ASA des Auslass-Sammlers 11 in Folge der Verbrennung durch den Verbrennungsmotor 1 beschrieben.
Die Abgasrückführrate r_AGR definiert das Verhältnis zwischen dem Abgasrückführmassenstrom m_AGR und dem von dem Verbrennungsmotor 1 aus dem Einlass-Sammler 10 angesaugten Gasmassenstrom m_ELS:
Damit ergeben sich folgende Zusammenhänge:
Die letzte Gleichung beschreibt die Abgasrückführrate allein durch Verknüpfung der beteiligten Temperaturen, wobei sich die Mischungstemperatur, d. h., die Temperatur des von dem Verbrennungsmotor 1 angesaugten Gasgemisches, wie folgt ausdrücken lässt:
Die Mischungstemperatur T_ELS wird somit durch die Abgasrückführrate r_AGR und die Temperatur T_AGR des rückgeführten Abgases, jedoch auch durch den Ladedruck (über die Eingangstemperatur T_{ELS_in} des Einlass-Sammlers 10) bestimmt.
Aus dem auf zuvor beschriebene Weise ermittelten Brennraumdruck kann beispielsweise auf den Ladedruck p_ELS, d. h. den Druck, mit dem das Frischluft/Abgasgemisch von dem Einlass-Sammler 10 dem Brennraum des Verbrennungsmotors 1 zugeführt wird, und den Abgasgegendruck p_ASA, mit dem das Abgas von dem Auslass-Sammler 11 über die Abgasrückführung 22 zu dem Einlass-Sammler 10 zurückgeführt wird, geschlossen werden.
Der Druck p_ELS im Einlass-Sammler 10 lässt sich aus verschiedenen Ladedruckersatzwerten bestimmen. Das qualitativ beste Modell ergibt sich jedoch, wenn der Ladedruck p_ELS aus dem Zylinderdruckkennwert p_–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –15°KW abgeleitet wird: (9) p_ELS = f(p_–15°KW)
Auch die Dichte des Gasgemisches im Einlass-Sammler 10 kann modelliert werden, wobei das hierfür gewählte Modell von der Verknüpfung der Druckwerte des Kompressionsverlaufs des Verbrennungsmotors bestimmt wird: (10) ρ_ELS = f(M_imin, p_–65°KW, p_–15°KW, p_miHD)
Zur Bestimmung der Dichte ρ_ELS wird somit ein Modell verwendet, welches die Zylinderdrücke p_–65°KW und p_–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –65°KW und = –15°KW, einen indizierten Mitteldruck p_miHD während der Hochdruckphase in dem Brennraum des Verbrennungsmotors und ein Minimum des momentanen indizierten Moments M_imin des Verbrennungsmotors auswertet.
Die Ladetemperatur lässt sich aufgrund der hohen Abgasrückführraten im Motorbetriebsbereich schwerer modellieren, so dass in das entsprechende Modell zur Modellierung der Ladetemperatur T_ELS der von dem Heißfilm-Luftmassenmesser ermittelte Frischluftmassenstrom m_{ELS_in} in mit einfließen muss: (11) T_ELS = f(p_–15°KW, p_miHD, m_{ELS_in})
Die Temperatur T_{ELS_in} vor dem Einlass-Sammler 10 wird im Wesentlichen durch die Charakteristik des Verdichters 7 und des Ladeluftkühlers 8 bestimmt. Daher lässt sie sich abhängig von der Motordrehzahl n_mot, dem Ladedruck p_ELS und der Umgebungstemperatur T₀ darstellen: (12) T_{ELS_in} – T₀ = f(n_mot, p_ELS) = f(n_mot, p_–15°KW)
Bei aktiver Abgasrückführung lässt sich der Temperaturanstieg im Einlass-Sammler 10 durch das zurückgeführte Abgas nachbilden: (13) T_ELS – T_{ELS_in}= f(ρ_ELS, p_–15°KW, p_miHD)
Die Modellierung des Abgasgegendrucks p_ASA, mit dem das Abgas von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen wird, wird durch die starken Druckpulsationen im Auslass-Sammler 11 erschwert. Hinzu kommt, dass eine Betrachtung des Brennraumdrucks sehr stark vom Thermoschockverhalten der Sensoren bestimmt wird. Qualitativ gute Ergebnisse können jedoch erhalten werden, wenn zur Bestimmung des Abgasgegendrucks p_ASA ein Modell verwendet wird, welches den Abgasgegendruck p_ASA aus dem Zylinderdruck p_151°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = 151°KW, aus dem Zylinderdruck p_–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –15°KW, aus dem indizierten Mitteldruck p_miHD während der Hochdruckphase in dem Brennraum des Verbrennungsmotors und der Temperatur T_151°KW in dem Auslass-Sammler 11 bei der Kurbelwellenstellung φ = 151°KW ableitet, wobei die Temperatur T_151°KW vorzugsweise in Form einer auf die Temperatur in dem Einlass-Sammler 10 bezogenen relativen Temperaturänderung ausgewertet wird: (14) p_ASA =f(p_151°KW, p_–15°KW, p_miHD, T_151°KW)
Die Temperaturerhöhung des Gasgemisches durch den Verbrennungsmotor 1 und die darin ablaufende Verbrennung kann in Abhängigkeit von p_151°KW, T_151°KW und p_–15°KW modelliert werden: (15) T_ASA – T_ELS = f(p_151°KW, p_–15°KW, T_151°KW)
Auch der Frischluftmassenstrom m_{ELS_in}, d. h. die in den Einlass-Sammler 10 strömende Frischluftmenge, kann als Alternative zu einer Messung durch den bereits erwähnten Heißfilm-Luftmassenmesser wie folgt modelliert werden: (16) m_{ELS_in} = f(n_mot, p_–15°KW, p_miHD)
Die zuvor beschriebenen Modelle können jeweils in Form von Kennfeldern realisiert sein, so dass z. B. das in 1 gezeigte Steuergerät 4 in Abhängigkeit von den jeweils angegebenen und bekannten Zustandsgrößen einen geeigneten Wert für die jeweils gesuchte Zustandsgröße aus einer gespeicherten Tabelle ausliest. Die dabei zuvor angegebenen Kurbelwellenstellungen sind selbstverständlich beispielhaft zu verstehen, wobei jeweils diejenigen Kurbelwellenstellungen angegeben ist, für die mit den entsprechenden Modellen sehr gute bzw. die besten Ergebnisse erzielt werden konnten.
Können nunmehr die thermodynamischen Zusammenhänge während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 bestimmt werden, kann eine Regelungsstrategie entwickelt werden, welche sowohl die Abgasrückführung als auch den Ladedruck in dynamischen Motorbetriebsphasen regeln kann. Dies geschieht vorteilhafter Weise durch Vorgabe einer Zylinderfüllung bzw. einer Dichte im Einlass-Sammler 10 und davon abhängige Regelung des Ladedrucks und der Abgasrückführrate. Der Vorteil gegenüber anderen modellbasierten Ansätzen besteht zum einen in der Unabhängigkeit der modellierten Größen von den in dem Motormanagementsystem verwendeten Stellelementen, deren Modelle in die Regelungsstrategie mit einfließen können. Zum anderen werden die einzelnen Massenströme durch deren entsprechenden Temperaturen ersetzt, was die Grundlage für einen Verzicht auf den üblicherweise zum Erfassen des Frischluftmassenstroms m_{ELS_in} im Ansaugtrakt vorgesehenen Heißfilm-Luftmassenmesser bedeutet.
Eine wesentliche Rolle bei dieser Regelungsstrategie spielt dabei der Abgasrückführmassenstrom m_AGR. Dieser kann allgemein ohne Einsatz eines separaten Sensors dadurch bestimmt werden, dass zunächst die Zylinderfüllung des Verbrennungsmotors 1 bzw. der von dem Verbrennungsmotor 1 angesaugte Gasmassenstrom m_ELS und der Frischluftmassenstrom m_{ELS_in} (unmittelbar oder indirekt über die Abgasrückführrate) bestimmt werden, um anschließend durch Differenzbildung (vgl. Gleichung (3)) den Abgasrückführmassenstrom m_AGR ableiten zu können. Hierzu sind verschiedene Vorgehensweisen denkbar.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise mit einem Heißfilm-Luftmassenmesser der über den Verdichter 7 angesaugte Frischluftmassenstrom m_{ELS_in} gemessen und in Abhängigkeit davon sowie in Abhängigkeit von den entsprechenden Brennraumdruckdaten über Gleichung (11) die Lade- oder Einlasstemperatur T_ELS abgeleitet. Ebenso können über Gleichung (9) aus den Brennraumdruckdaten der Ladedruck p_ELS und daraus wiederum über Gleichung (2) die Dichte ρ_ELS im Einlass-Sammler 10 bestimmt werden.
Über die Gleichungen (12) bzw. (15) werden aus den entsprechenden Brennraumdruck- und Brennraumtemperaturdaten einerseits die (auf die Umgebungstemperatur T₀ bezogene) Einlass-Sammler-Eingangstemperatur T_{ELS_in} und andererseits die Temperaturerhöhung T_ALS – T_ELS = ΔT_mot des Abgases durch die Verbrennung ermittelt. Über die Gleichungen (7) und (1) können dann die Abgasrückführrate r_AGR und der vom Motor angesaugte Gasmassenstrom (d. h. die Zylinderfüllung) m_ELS bestimmt werden, um davon abhängig den Abgasrückführmassenstrom m_AGR zu bestimmen (Gleichung (6) oder Gleichung (3)). Da bei diesem Ausführungsbeispiel neben dem Gasmassenstrom m_ELS auch der Frischluftmassenstrom m_{ELS_in} unmittelbar bekannt ist, kann die Modellstruktur in stationären Phasen überprüft werden.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Dichte ρ_ELS im Einlass-Sammler 10 direkt über die Gleichung (10) in Abhängigkeit von den Zylinderdrücken p_–65°KW und p_–15°KW bei einer Kurbelwellenstellung von φ = –65°KW und φ = –15°KW, dem indizierten Mitteldruck p_miHD während der Hochdruckphase in dem Brennraum des Verbrennungsmotors und dem minimalen indizierten Moment M_imin ermittelt. Der Ladedruck p_ELS wird wieder über Gleichung (9) bestimmt, wobei dann über die Gleichung (2) die Mischungstemperatur T_ELS im Einlass-Sammler 10 bestimmt werden kann.
Die übrige Modellierung entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, d. h. über die Gleichungen (12) bzw. (15) werden aus den entsprechenden Brennraumdruck- und Brennraumtemperaturdaten einerseits die Einlass-Sammler-Eingangstemperatur T_{ELS_in} und andererseits die Temperaturerhöhung T_ALS – T_ELS = ΔT_mot des Abgases durch die Verbrennung ermittelt. Über die Gleichungen (7) und (1) kann dann die Abgasrückführrate r_AGR bestimmt werden, um davon abhängig den Abgasrückführmassenstrom m_AGR zu bestimmen (Gleichung (6) oder Gleichung (3)). Aufgrund der Kenntnis der Zylinderfüllung bzw. des Gasmassenstroms m_ELS können alle Massenströme bestimmt werden.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Temperaturerhöhung T_ELS – T_{ELS_in} im Einlass-Sammler 10 direkt über Gleichung (13) in Abhängigkeit von der Dichte ρ_ELS und den Zylinder- bzw. Brennraumdrücken p_–15°KW und p_miHD bestimmt. Die Bestimmung der Dichte ρ_ELS erfolgt analog zu dem zweiten Ausführungsbeispiel über Gleichung (10), wobei über Gleichung (1) wiederum der Gasmassenstrom m_ELS ermittelt werden kann.
Aufgrund der nunmehr vorliegenden Information über die Temperaturerhöhung T_ELS – T_{ELS_in} im Einlass-Sammler 10 kann die Abgasrückführrate r_AGR über Gleichung (7) bestimmt werden, wobei hierzu wieder über die Gleichungen (12) bzw. (15) aus den entsprechenden Brennraumdruck- und Brennraumtemperaturdaten einerseits die Einlass-Sammler-Eingangstemperatur T_{ELS_in} und andererseits die Temperaturerhöhung T_ALS – T_ELS = ΔT_mot des Abgases durch die Verbrennung ermittelt werden. Über die Gleichungen (7) und (1) kann dann die Abgasrückführrate r_AGR bestimmt werden, um davon abhängig den Abgasrückführmassenstrom m_AGR zu bestimmen (Gleichung (6) oder Gleichung (3)). Das in Form der Gleichung (10) verwendete Modell der Dichte ρ_ELS ermöglicht, dass über die Gleichungen (1) ff. der Bezug zu den resultierenden Massen hergestellt werden kann.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel kann das Steuergerät 4 mit Hilfe des Ladedrucks p_ELS und des Abgasgegendrucks p_ASA sowie eines Modells der effektiven Querschnittsfläche des Abgasrückführventils 23 abhängig von dessen Ansteuertastverhältnis den Abgasrückführmassenstrom m_AGR gemäß folgender Beziehung ableiten:
Dabei bezeichnet A_AGR die effektive Querschnittsfläche des Abgasrückführventils 23, welches in der Abgasrückführung 22 des Motorsystems angeordnet ist. Die effektive Querschnittsfläche A_AGR des Abgasrückführventils 23 hängt vom Tastverhältnis D_AGR des Stromes ab, mit dem das Abgasrückführventil 23 angesteuert wird. T_AGR beschreibt die Temperatur des Abgasrückführmassenstroms, welcher über die Gleichung (5) aus der Temperatur T_ASA des Auslass-Sammlers 11 abgeleitet werden kann.
Das Abgasrückführventil 23 wird als Drossel mit einem variablen Querschnitt für den so genannten unterkritischen Fall dargestellt, wobei Ψ_AGR die Durchflussfunktion beschreibt, welche wie folgt dargestellt werden kann:
Ψ_MAX bezeichnet den maximalen Wert der Durchflussfunktion der Drossel im überkritischen Strömungsfall. Π_krit bezeichnet das kritische Druckverhältnis, welches in Abhängigkeit von dem Isentropenexponenten κ folgendermaßen definiert ist:
Für den maximalen Wert der Durchflussfunktion Ψ_MAX gilt:
Aus Formel (18) ist ersichtlich, dass die Durchflussfunktion der Drosselstelle von dem Differenzdruck p_ASA – p_ELS bzw. dem (auf den Abgasgegendruck p_ASA) bezogenen relativen Differenzdruck abhängt. Wie bereits erwähnt worden ist, gilt das obige Drosselmodell für den unterkritischen Fall, d. h. für:
Auf diese Weise kann mit Hilfe des Ladedrucks p_ELS und des Abgasgegendrucks p_ASA sowie eines Modells der effektiven Querschnittsfläche des Abgasrückführventils 23 abhängig von dem Ansteuertastverhältnis des Abgasrückführventils auf den Abgasrückführmassenstrom m_AGR geschlossen werden.
Durch die Zündreihenfolge bzw. die unterschiedlichen Ventilöffnungszeiten der einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors 1 ist auch der zeitliche Versatz der Brennraumdruckverläufe der einzelnen Brennräume bekannt. Aufbauend auf dieser Kenntnis kann eine zeitliche Auflösung des Differenzdrucks über dem Abgasrückführventil 23 berechnet werden, so dass sich für jeden Brennraum mit dem zuvor beschriebenen Drosselmodell ein zylinder- bzw. brennraumselektiver Abgasrückführmassenstrom bestimmen lässt. Dies gilt selbstverständlich auch für die anderen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms.
Selbstverständlich kann zur Realisierung des zuvor beschriebenen Modells der Ladedruck p_ELS und/oder der Abgasgegendruck p_ASA auch direkt mit Hilfe entsprechender Sensoren erfasst werden. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn diese Druckwerte wie zuvor beschrieben aus dem Brennraumdruckverlauf abgeleitet werden, um unnötige Sensoren und damit unnötige Kosten zu vermeiden. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass der zylinderselektive Abgasrückführmassenstrom auch aus der Kenntnis der Gasgemischmasse, mit welcher der jeweilige Brennraum geladen wird, und der angesaugten Frischluftmasse, welche üblicherweise mit Hilfe eines Heißfilmluftmassenmessers vor dem Verdichter 7 gemessen wird, ermittelt werden kann, da die Summe aus der angesaugten Frischluftmasse und der brennraumselektiven Abgasrückführmasse der Masse des in dem jeweiligen Brennraum enthaltenen Gasgemisches entspricht.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brennraum (19) auftretende Brennraumdruck erfasst und davon abhängig eine Dichte des Gasgemisches bestimmt und aus der Dichte des Gasgemisches ein dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführter Gasmassenstrom (m_ELS) des Gasgemisches abgeleitet wird, und dass in Abhängigkeit von dem erfassten Brennraumdruck eine Temperatur (T_{ELS_in}) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas und eine infolge einer Verbrennung des Gasgemisches in dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) auftretende Temperaturänderung des Gasgemisches bestimmt wird, um davon abhängig eine Abgasrückführrate zu bestimmen, welche ein Verhältnis zwischen dem Abgasrückfuhrmassenstrom (m_AGR) des Abgases und dem Gasmassenstrom (m_ELS) beschreibt, und dass in Abhängigkeit von dem Gasmassenstrom (m_ELS) und der Abgasrückführrate der Abgasrückführmassenstrom (m_AGR) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom (m_ELS) in Abhängigkeit von der Dichte des Gasgemisches und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom m_ELS in Abhängigkeit von der Dichte ρ_ELS des Gasgemisches und der Drehzahl n_mot des Verbrennungsmotors (1) wie folgt bestimmt wird: m_ELS = a₀(n_mot) + a₁(n_mot)·ρ_ELS, wobei a₀ und a₁ von der Drehzahl n_mot des Verbrennungsmotors abhängige Koeffizienten darstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_{ELS_In}) der Frischluft aus einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) aus dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturänderung des Gasgemisches aus einer bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Temperatur und mindestens einem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate in Abhängigkeit von der Temperatur (T_{ELS_In}) der Frischluft, in Abhängigkeit von der Temperaturänderung des Gasgemisches und in Abhängigkeit von einer Temperatur (T_ELS) des dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführrate r_AGR in Abhängigkeit von der Temperatur T_{ELS_in} der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas, in Abhängigkeit von der Temperaturänderung ΔT_mot des Gasgemisches und in Abhängigkeit von der Temperatur T_ELS des Gasgemisches wie folgt bestimmt wird:
wobei η_AGR ein die Kühlung der Abgasrückführung (22) bezeichnender Faktor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frischluftmassenstrom (m_{ELS_In}) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas erfasst und daraus sowie unter Berücksichtigung des Brennraumdrucks die Temperatur (T_ELS) des dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Gasgemisches in Abhängigkeit von dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Gasgemisches aus dem bei mindestens einer Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck und einem minimalen indizierten Moment des Verbrennungsmotors (1) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_ELS) des dem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführten Gasgemisches aus einem Druck, mit dem das Gasgemisch dem Verbrennungsmotor (1) zugeführt wird, und der Dichte des Gasgemisches bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, mit dem das Gasgemisch dem Verbrennungsmotor (1) zugeführt wird, aus dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur (T_ELS) des dem Brennraum (19) zugeführten Gasgemisches und der Temperatur (T_{ELS_In}) der Frischluft vor der Mischung mit dem Abgas in Abhängigkeit von mindestens einem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdruck abgeleitet und davon abhängig die Abgasrückführrate bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) mit einem Abgasrückführventil (23) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Brennraum (19) auftretende Brennraumdruck erfasst und davon abhängig ein erster Druck, mit dem das Gasgemisch dem Brennraum (19) zugeführt wird, und ein zweiter Druck, mit dem das Abgas von dem Brennraum (19) ausgestoßen wird, abgeleitet werden, dass ein Tastverhältnis, mit dem das Abgasrückführventil (23) angesteuert wird, erfasst wird, und dass der Abgasrückführmassenstrom (m_AGR) des über die Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgases aus dem ersten Druck, dem zweiten Druck und dem Tastverhältnis, mit dem das Abgasrückführventil (23) angesteuert wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom aus der Differenz zwischen dem zweiten Druck und dem ersten Druck bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom mit Hilfe eines Modells bestimmt wird, welcher die effektive Querschnittsfläche des Abgasrückführventils (23) in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis, mit dem das Abgasrückführventil (23) angesteuert wird, nachbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck aus dem bei einer bestimmten Kurbelwellenposition in dem Brennraum auftretenden Brennraumdruck abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck aus bei mindestens zwei unterschiedlichen Kurbelwellenpositionen in dem Brennraum (19) auftretenden Brennraumdrücken abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom mit Hilfe eines Modells bestimmt wird, welcher das Abgasrückführventil (23) als Drossel mit einem variablen Querschnitt modelliert.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modell eine Durchflussfunktion Ψ_AGR verwendet wird, welche wie folgt von dem ersten Druck p_ELS und dem zweiten Druck p_ASA abhängt:
wobei K₁, K₂ und K₃ konstante Faktoren bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 19 und Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom aus dem Produkt der Durchflussfunktion der Drossel mit einer von dem Tastverhältnis des Abgasrückführventils (23) abhängigen effektiven Querschnittsfläche der Drossel abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführmassenstrom m_AGR aus der Durchflussfunktion Ψ_AGR und der von dem Testverhältnis des Abgasrückführventils (23) abhängigen effektiven Querschnittsfläche A_AGR wie folgt abgeleitet wird:
wobei p_ASA den zweiten Druck, K₄ eine Konstante, R eine Gaskonstante und T_AGR die Temperatur des Abgases in der Abgasrückführung (22) bezeichnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) mehrere Brennräume (19) aufweist, wobei unter Berücksichtigung der Zündreihenfolge der einzelnen Brennräume (19) aus dem mit dem Verfahren bestimmten Abgasrückführmassenstroms für jeden Brennraum (19) ein brennraumspezifischer Abgasrückführmassenstrom abgeleitet wird.
Vorrichtung zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms eines Verbrennungsmotors, wobei Frischluft mit einem über eine Abgasrückführung (22) zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors (1) gemischt und das daraus resultierende Gasgemisch mindestens einem Brennraum (19) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Brennraumdruckerfassungsmittel (16) zum Erfassen des in dem Brennraum auftretenden Brennraumdrucks umfasst, und dass die Vorrichtung Auswertungsmittel (4) zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms (m_AGR) durch Auswertung des von den Brennraumdruckerfassungsmitteln (16) erfassten Brennraumdrucks gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–23 umfasst.