DE102005013977B4

DE102005013977B4 - Abgasrückführsystem für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Einstellen der Abgasrückführrate in einem Gasrückführsystem

Info

Publication number: DE102005013977B4
Application number: DE102005013977.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Vigild; Charles Tumelaire; Daniel Röttger; Evangelos Karvounis
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2005-03-26
Filing date: 2005-03-26
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2025-03-27
Also published as: US7261098B2; DE102005013977A1; US20060213490A1

Abstract

Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor, welcher ein Ansaugplenum (42), eine Abgasanlage (10) und eine mit dem Ansaugplenum (42) verbundenen Frischluftzufuhrleitung (34) umfasst, mit
- einer mit dem Ansaugplenum (42) verbundenen Abgasrückführleitung (50),
- einem im Ansaugplenum (42) angeordneten Sensor (74) zum Messen einer Messgröße im Ansaugplenum (42) und zum Ausgeben einer die Messgröße repräsentierenden Sensorgröße,
- einer mit dem Sensor (74) zum Empfang der Sensorgröße verbundenen Regeleinheit (70), welche zum Ausgeben einer Stellgröße auf der Basis der empfangenen Sensorgröße ausgebildet ist, und
- einem mit der Regeleinheit (70) verbundenen Stellglied,
- der im Ansaugplenum (42) angeordnete Sensor (74) ein Gaskonzentrationssensor ist, der dazu ausgestaltet ist, die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum (42) zu ermitteln und als Sensorgröße eine die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration repräsentierende Größe an die Regeleinheit (70) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Regeleinheit (70) dazu ausgelegt ist, den Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum mittels der Ausgabe der Stellgröße zu regeln und
- das Stellglied zum Einstellen des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum (42) auf der Basis der empfangenen Stellgröße ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für ein Kraftfahrzeug, ein mit einem Abgasrückführsystem ausgestattetes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Einstellen der Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem.
In einem Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor findet eine Rückführung eines Teils des durch den Abgaskrümmer strömenden Abgasmassenstroms in das Ansaugplenum des Motors statt. Im oder vor dem Ansaugplenum erfolgt eine Vermischung des rückgeführten Abgases mit Frischluft. Die Abgasrückführrate, d.h. der Anteil des Abgasmassenflusses am Gesamtfluss des dem Ansaugplenum zugeführten Abgas-Frischluft-Gemisches, wird mittels einem oder mehrerer Ventile und ggf. auch mittels der Turbinengeometrie eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie eingestellt. Die Entnahme des Abgases aus der Auspuffanlage erfolgt bei Fahrzeugen mit Turboladern häufig stromaufwärts zum Turbinenteil des Turboladers.
Ein Ziel, welches mit Abgasrückführsystemen erreicht werden soll, ist es, den Schadstoffausstoß von Motoren zu verringern. Dazu werden geeignete Steuerungen für das Abgasrückführsystem notwendig. Ein Abgasrückführsystem, in welchem die Abgasrückführrate auf der Basis des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors eingestellt wird, ist in US 5 927 075 A beschrieben.
Zur weiteren Verbesserung des Verhaltens von Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführung hinsichtlich ihres Schadstoffausstoßes ist in DE 101 30 471 A1 ein Abgasrückführsystem beschrieben, in welchem eine druckabhängige Regelung der Abgasrückführrate stattfindet.
Die DE 197 34 494 C1 , die DE 697 29 161 T2 und die DE 27 52 877 A1 beschreiben Abgasrückführvorrichtungen für Brennkraftmaschinen, in denen eine Regelung der Abgasrückführrate erfolgt.
Obwohl mit den Abgasrückführsystemen nach Stand der Technik bereits Fortschritte beim Verringern der Schadstoffemissionen erzielt werden konnten, besteht weiterer Verbesserungsbedarf. So kann es bei den Abgasrückführsystemen nach Stand der Technik beispielsweise zu einem stark pulsierenden Fluss der Abgasrückführung kommen. Das starke Pulsieren führt dabei zu einer schlechteren Qualität der Vermischung von Abgas und Frischluft und damit zu einem nicht optimalen Verhalten hinsichtlich des Schadstoffausstoßes.
Außerdem ist in Abgasrückführsystem nach Stand der Technik das Messen des Massenflusses des rückgeführten Abgases schwierig.
Eine starke Wechselwirkung zwischen der Dynamik der Abgasrückführung und der Dynamik des Ladedrucks im Abgasturbolader führt zu Schwierigkeiten beim Anwenden konventioneller dezentralisierter Regelungsalgorithmen zum Regeln des Abgasmassenstroms bzw. des Ladedruckes.
Schließlich hängt die Temperatur im Ansaugplenum vom Ladedruck und dem Abgasmassenfluss ab und ist somit nicht unabhängig von diesen beiden Parametern einzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Abgasrückführsystem für Kraftfahrzeuge zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Probleme wenigstens teilweise vermindert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einem verbesserten Abgasrückführsystem zur Verfügung zu stellen.
Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Einstellen der Abgasrückführrate in einem Abgasrückführsystem zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Abgasrückführsystem nach Anspruch 1, die zweite Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 und dritte Aufgabe durch ein Verfahren zum Einstellen der Abgasrückführrate nach Anspruch 10 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugplenum, einer Abgasanlage und einer mit dem Ansaugplenum verbundenen Frischluftzufuhrleitung umfasst:

eine mit dem Ansaugplenum verbundene Abgasrückführleitung,
wenigstens einen im Ansaugplenum angeordneten Sensor zum Messen einer Messgröße im Ansaugplenum und zum Ausgeben einer die Messgröße repräsentierenden Sensorgröße,
eine mit dem Sensor zum Empfang der Sensorgröße verbundene Regeleinheit, welche zum Ausgeben einer Stellgröße auf der Basis der empfangenen Sensorgröße ausgebildet ist und
wenigstens ein mit der Regeleinheit verbundenes Stellglied zum Einstellen des Mischungsverhältnisses von Abgas zu Frischluft im Ansaugplenum auf der Basis der empfangenen Stellgröße. Im erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem ist der im Ansaugplenum angeordnete Sensor als Gaskonzentrationssensor ausgebildet. Er ist außerdem dazu ausgestaltet, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum zu ermitteln und als Sensorgröße eine die Sauerstoffkonzentration bzw. die Kohlendioxidkonzentration repräsentierende Größe an die Regeleinheit auszugeben. Die Regeleinheit ist dazu ausgelegt, den Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum zu regeln.

Das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem ermöglicht das Abschätzen der Sauerstoffkonzentration oder Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum, wodurch eine Regelung des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum möglich wird.
Statt auf der Basis der im Ansaugplenum gemessenen Sauerstoff bzw. Kohlendioxidkonzentration alleine kann die Stellgröße auch auf der Basis der im Ansaugplenum gemessenen/geschätzten Sauerstoff- oder Kohlendioxidkonzentration zusammen mit einer in der Abgasanlage gemessenen Sauerstoff- oder Kohlendioxidkonzentration erfolgen. In diesem Fall ist das Abgasrückführsystem auch mit einem Gaskonzentrationssensor zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration oder der Kohlendioxidkonzentration ausgestattet, der in der Abgasanlage angeordnet ist, beispielsweise im Auspuffkrümmer.
Zum Einstellen des Mischungsverhältnisses von Abgas zu Frischluft kann ein Turbolader mit veränderter Turbinengeometrie und/oder ein Abgasrückführventil in der Abgasrückführleitung und/oder ein Drosselventil in der Frischluftzufuhrleitung dienen. Entsprechend ist das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem in einer Ausgestaltung der Erfindung mit einem Abgasrückführventil in der Abgasrückführleitung und einem Stellglied zu Beeinflussen der Ventilstellung des Abgasrückführventils ausgestattet. Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem mit einem Turbolader mit veränderbarer Turbinengeometrie und einem Stellglied zum Beeinflussen der Turbinengeometrie ausgestattet sein. Als weitere Alternative oder weiter zusätzlich kann das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem ein Drosselventil in der Frischluftzufuhrleitung sowie ein Stellglied zum Beeinflussen der Ventilstellung des Drosselventils aufweisen.
Die Erfindung eignet sich zum Einsatz in Abgasrückführsystemen mit Hochdruck-Abgasrückführleitung sowie in Systemen mit Niederdruck-Abgasrückführleitung. Selbstverständlich kann die Erfindung auch in Abgasrückführsystemen Verwendung finden, die sowohl mit einer Hochdruck-Abgasrückführleitung als auch mit einer Niederdruck-Abgasrückführleitung ausgestattet sind.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor, welcher ein Ansaugplenum, eine Abgasanlage und eine mit dem Ansaugplenum verbundene Frischluftzufuhrleitung umfasst, sowie ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Regeln des Mischungsverhältnisses von Abgas zu Frischluft in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors erfolgt ein Messen der Sauerstoffkonzentration oder der Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum des Verbrennungsmotors, ein Ausgeben einer Stellgröße zum Einstellen des Mischungsverhältnisses mittels eines Stellgliedes und ein Ermitteln der Stellgröße auf der Basis der gemessenen Sauerstoffkonzentration bzw. der gemessenen Kohlendioxidkonzentration. Das Regeln des Mischungsverhältnisses ist durch ein Regeln des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum realisiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Mischungsverhältnis im Ansaugplenum in einem stabilen stationären Zustand zu halten. Zusätzlich kann in das Ermitteln der Stellgröße auch das Ergebnis einer Messung der Sauerstoffkonzentration bzw. der Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanlage eingehen.
Das Regelungsverfahren kann insbesondere im Hinblick auf Übergänge zwischen verschiedenen Betriebszuständen des Motors weiter verbessert werden, wenn die offene Querschnittfläche des Abgasrückführventils, welche dem rückzuführenden Abgasmassenstrom zur Verfügung steht, hinreichend genau bekannt ist. Zu diesem Zweck kann das Verfahren ein Messen dieser effektiven zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche umfassen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

1 zeigt ein Abgasrückführsystem nach Stand der Technik.
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem, welches sowohl eine Hochdruck-Abgasrückführleitung als auch eine Niederdruck-Abgasrückführleitung umfasst.

Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, erfolgt zuerst mit Bezug auf 1 eine Beschreibung eines Abgasrückführsystems (AGR-Systems) nach Stand der Technik. 1 ist dabei lediglich eine schematische Darstellung, in der keine Rücksicht auf die realen Abmessungen oder die reale Geometrie des Systems genommen worden ist.
Das AGR-System nach Stand der Technik umfasst eine Abgasanlage 10 und eine Frischluftzufuhr 30. Die Abgasanlage 10 dient zum Abführen der im Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) entstehenden Abgase über einen Auspuff 12 ins Freie. In der Abgasanlage sind vom Motor ausgehend in Strömungsrichtung zum Auspuff der Abgaskrümmer 14, der Turbinenteil 15 eines Abgasturboladers, ein Abgasnachbehandlungssystem 16 sowie ein Schalldämpfer 18 angeordnet. Das in 1 dargestellte AGR-System findet in einem Fahrzeug mit einem Dieselmotor als Verbrennungsmotor Verwendung. Entsprechend umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 16 einen Katalysator und einen Rußfilter. AGR-Systeme, auch das noch zu beschreibende erfindungsgemäße AGR-System, können außer in Verbindung mit Dieselmotoren jedoch auch in Verbindung mit anderen Motoren zur Anwendung kommen. Denkbar sind beispielsweise auch Ottomotoren, Gasmotoren oder Hybridmotoren. In diesem Fall umfasst das Abgasnachbehandlungssystem keinen Rußfilter.
Die Frischluftzufuhr 30 umfasst eine Ansaugvorrichtung, die in 1 durch einen Luftfilter 32 angedeutet ist. Vom Luftfilter 32 ausgehend strömt die Frischluft zum Verbrennungsmotor (nicht dargestellt). In Strömungsrichtung sind in der Frischluftzufuhrleitung 34 der Frischluftzufuhr 30 ein Verdichter 36, ein optionaler Ladeluftkühler 38 sowie ein Drosselventil 40 angeordnet. Die Frischluftzufuhrleitung 34 mündet in ein Ansaugplenum 42, von welchem aus die Frischluft dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Der in der Frischluftzufuhrleitung 34 angeordnete Verdichter 36 ist Teil des Abgasturboladers und wird vom Turbinenteil 15 angetrieben. Er dient dazu, die angesaugte Luft auf einen höheren Druck zu verdichten. Die verdichtete Frischluft wird anschließend mittels des Ladeluftkühlers 38 gekühlt, was die thermische Belastung des Motors, die Abgastemperatur und damit die NO_x-Emission sowie den Kraftstoffverbrauch günstig beeinflusst. Bei Ottomotoren erhöht die Ladeluftkühlung außerdem die Klopffestigkeit des Motors. Der dem Ansaugplenum 42 schließlich zugeführte Frischluftmassenstrom kann über das Drosselventil 40 eingestellt werden.
Im in 1 dargestellten Abgasrückführsystem ist die Abgasanlage 10 über eine Abgasrückführleitung 50 (AGR-Leitung) mit der Frischluftzufuhr 30 verbunden. Ein Teil des Abgasmassenstroms wird stromaufwärts zur Turbine 15 aus der Abgasanlage 10 abgezweigt und dem Frischluftmassenstrom in der Frischluftzufuhr 30 im Bereich zwischen dem Drosselventil 40 und dem Ansaugplenum 42 zugeführt. Der dem Frischluftmassenstrom zugeführte Abgasmassenstrom kann dabei mittels eines in unmittelbarer Nähe zum Einmündungspunkt 51 der AGR-Leitung 50 in die Frischluftzufuhr 30 angeordneten AGR-Ventils 52 eingestellt werden. Die in 1 dargestellte AGR-Leitung 50 ist eine sogenannte Hochdruck-AGR-Leitung, da der rückgeführte Abgasmassenstrom stromaufwärts zum Turbinenteil 15 abgezweigt wird. Mit anderen Worten, der rückgeführte Abgasmassenstrom wird abgezweigt, bevor der unter hohem Druck stehende Abgasmassenstrom in der Turbine 15 unter Arbeitsleistung entspannt.
Im Betrieb des AGR-Systems wird der der Frischluftzufuhr 30 zugeführte Teil des Abgasmassenstroms mit dem Frischluftmassenstrom gemischt und dem Motor zugeführt. Das Mischungsverhältnis zwischen Abgas und Frischluft wird dabei durch geeignete Einstellung des Abgasrückführventils 52, des Drosselventils 40 sowie der Turbinengeometrie bei Turboladern mit variabler Turbinengeometrie gesteuert. Die Mischung selbst findet im zwischen dem Drosselventil 40 und dem Ansaugplenum 42 gelegenen Abschnitt der Frischluftzufuhrleitung 34 statt. Im Stand der Technik werden die Stellgrößen für das Abgasrückführventil, das Drosselventil und die Geometrie der Turbinen beispielsweise auf der Basis des Betriebszustandes des Motors ermittelt, wie dies in US 5,927,075 beschrieben ist. In DE 101 30 471 A1 findet dagegen die Steuerung des Abgasrückführsystems auf der Basis von Drücken im Abgasrückführsystem statt.
Ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem ist in 2 dargestellt. Elemente, die dem mit Bezug auf 1 beschriebene Abgasrückführsystem entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem unterscheidet sich vom in 1 dargestellten Abgasrückführsystem im Wesentlichen dadurch, dass es eine Regeleinheit 70 und eine Reihe mit der Regeleinheit 70 verbundenen Sensoren 72, 74, 76 aufweist. Die Regeleinheit 70 ist zur Ausgabe von Stellsignalen mit der Turbine 15, dem Drosselventil 40 sowie einem Abgasrückführventil 54 verbunden. Das Abgasrückführventil 54 des erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems unterscheidet sich vom Abgasrückführsystem 52 des Abgasrückführsystems nach Stand der Technik dadurch, dass das nicht in unmittelbarer Nähe zum Einmündungspunkt 51 der AGR-Leitung 50 in die Frischluftzufuhrleitung 34, sondern in unmittelbarer Nähe zum Auspuffkrümmer 14 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung entspricht die Gaszusammensetzung im Bereich des AGR-Ventils 56 unmittelbar nach Öffnen des Ventils der Gaszusammensetzung im Abgaskrümmer 14. Dies gilt solange der Abstand zwischen dem AGR-Ventil und dem Auspuff vernachlässigt werden kann.
Der Sensor 72 misst die Temperatur im Ansaugplenum, der Sensor 74 die Sauerstoffkonzentration (O₂-Konzentration) oder die Kohlendioxidkonzentration (CO₂-Konzentration) im Ansaugplenum und der Sensor 56 den Druck in der Frischluftzufuhrleitung 34 zwischen dem Drosselventil 40 und der Einmündung 51 der AGR-Leitung 50.
Die Regeleinheit 70 ist dazu ausgelegt, den Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum zu regeln. Die Regelung erfolgt mittels der Ausgabe der Stellgrößen an das AGR-Ventil 54, das Drosselventil 40 und die Turbinenschaufeln im Turbinenteil 15 des Abgasturboladers. Es sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, dass jedes einzelne der genannten Elemente dazu genutzt werden kann, den Inertgasmassenanteil zu regeln. Insbesondere einer Regelung alleine mit dem AGR-Ventil ist grundsätzlich möglich.
Die Stellsignale für das AGR-Ventil 54, das Drosselventil 40 und die Geometrie der Turbinenschaufeln 15 berechnet die Regeleinheit 70 auf der Basis der später beschriebenen Berechnungsstruktur des Inertgasanteils, F, und verfügbaren Sensorsignalen. Falls ein Gassensorsignal im Saugrohr zur Verfügung steht, ist eine geschlossene-Schleife-Reglung der Saugrohr-Sauerstoffkonzentration gewährleistet. Dieses Signal kann entweder die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum wiedergeben. Die Sauerstoffkonzentration und die Kohlendioxidkonzentration sind direkt mit dem Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum 42 verbunden. So erhöht sich beispielsweise bei Rückführung von Abgas der Inertgasmassenanteil im Abgas-Frischluftgemisch um einen Anteil der direkt mit dem Sauerstoffanteil bzw. dem Kohlendioxidanteil im rückgeführten Abgas zusammenhängt.
Der Anteil F des bei der Verbrennung in Kohlendioxid umgesetzten Anteils des ursprünglich in der Frischluft enthaltenen Sauerstoffs in einem gegebenen Volumen, d.h. die Gaszusammensetzung in diesem Volumen, ist näherungsweise durch die Formel $F = \frac{m_{b}}{m} \approx (1 - \frac{O_{2} %}{21 %})$
gegeben, wobei m_b der bei der Verbrennung in Kohlendioxid umgesetzte Massenanteil des ursprünglich in der Frischluft enthaltenen Sauerstoffs, m die Gesamtmasse des im betrachteten Volumen befindlichen Gases und O₂% der Sauerstoffanteil in diesem Volumen ist. Im Abgas ist dieser Sauerstoffanteil geringer als der 21%ige Sauerstoffanteil in der Frischluft, da ein Teil des Sauerstoffs bereits im Verbrennungsprozess verbraucht worden ist. Außer durch die Sauerstoffkonzentration im Volumen kann der Anteil F auch durch die Differenz des Kohlendioxidkonzentration CO₂% im Volumen und der Kohlendioxidkonzentration CO₂%_Air der Frischluft gemäß der Formel $F = C O_{2} % - C O_{2} %_{A i r}$
ausgedrückt werden.
Der Anteil F_MAN der verbrannten Masse im Einlassplenum bezogen auf den Anteil der verbrannten Masse im Abgaskrümmer F_EXH gibt im Wesentlichen die Abgasrückführrate AGR_Rate wieder und entspricht der Luftzahl λ_EXH im Abgaskrümmer bezogen auf die Luftzahl λ_MAN im Ansaugplenum. Die Luftzahl λ gibt dabei das Verhältnis von zugeführter Luftmasse zum Luftbedarf bei stöchiometrischer Verbrennung wieder. Es gilt die Formel für stationäre Bendingungen: $A G R_{R a t e} = \frac{C O_{2} %_{M A N} - C O_{2} %_{A I R}}{C O_{2} %_{E X H} - C O_{2} %_{A I R}} \approx \frac{λ_{E X H}}{λ_{M A N}} \approx \frac{F_{M A N}}{F_{E X H}} = \frac{(1 - \frac{O_{2} %_{M A N}}{21 %})}{(1 - \frac{O_{2} %_{E X H}}{21 %})} .$
Die Abgasrückführrate AGR_Rate eignet sich zum Einstellen des gewünschten Inertgasmassenanteils, welcher im Wesentlichen durch den Stickstoff- und den Kohlendioxidanteil des Gasgemisches im Ansaugplenum gegeben ist. Mit Hilfe der Ausgabe der Stellgrößen an das AGR-Ventil 54 und/oder das Drosselventil 40 und/oder die Turbine 15 lässt sich daher der Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum auf einen gewünschten Sollwert regeln.
Im Folgenden soll nun noch auf das Einstellen des Inertgasverhältnisses im Ansaugplenum mittels des AGR-Ventils 54 eingegangen werden. Die Abgasrückführleitung 50 bietet in der Regel zwischen dem AGR-Ventil und dem Einmündungspunkt 51 in die Frischluftzufuhrleitung 34 einen vernachlässigbaren Flusswiderstand. Dies hat zur Folge, dass der Massenfluss am Einmündungspunkt 51 weitgehend dem Massenfluss am AGR-Ventil 54 entspricht. Der Massenfluss am AGR-Ventil kann daher anhand der Information über die Gaszusammensetzung im Ansaugplenum 42 ermittelt werden. Alternativ ist es auch möglich, zum Ermitteln des Massenflusses durch das AGR-Ventil 54 sowohl Information über die Gaszusammensetzung F_MAN im Ansaugplenum als auch über die Gaszusammensetzung F_EXH in der Abgasanlage heranzuziehen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn auch die Ventilstellung des AGR-Ventils 54 gemessen wird, um eine geeignete Kenngröße für die effektive Fläche, die für den Fluss durch das AGR-Ventil 54 zur Verfügung steht, zu erhalten. Dadurch kann die Leistung des AGR-Regelungssystems beim Übergang zwischen verschiedenen Betriebszuständen des Vebrennungsmotors verbessert werden. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass das Messen der Ventilstellung zwar hilfreich aber nicht notwendig ist, da die Rückkopplungsinformation, welche der Gaszusammensetzungssensor 74 liefert, bereits ausreicht, um eine Regelung zu gewährleisten. Der Gaszusammensetzungssensor 72 reicht insbesondere aus, um eine stabile Regelung bei einem stationären Zustand des Inertgases im Ansaugplenum zu gewährleisten.
Die Gaszusammensetzung F_AGR, _valve (Anteil an verbrannter Masse) am AGR-Ventil 54 nimmt ohne wesentliche Zeitverzögerung die Gaszusammensetzung des Abgases F_EXH an, solange der Abstand zwischen dem AGR-Ventil 54 und dem Auspuff vernachlässigt werden kann. Die Gaszusammensetzung F_AGR,in an der Einmündung 51 der Abgasrückführleitung 50 in die Frischluftzufuhrleitung 34 erreicht jedoch nicht notwendigerweise ohne wesentliche Zeitverzögerung die Gaszusammensetzung F_EXH des Abgases, da erst ein Gastransport vom AGR-Ventil 54 bis zum Einmündungspunkt 51 stattfinden muss. Der Anteil an verbrannter Masse am Einmündungspunkt 51 zum Zeitpunkt t entspricht daher in der Regel dem Anteil an verbrannter Masse im Bereich des AGR-Ventils 54 zu einem Zeitpunkt t', welcher um eine Verzögerungszeit t_d früher liegt, d.h. es gilt: F_AGR,in(t) = F_AGR,valve(t-t_d ) . Die Verzögerungszeit t_d kann dabei mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden $t_{d} = \frac{m_{A G R, i n}}{{\dot{m}}_{A G R, v a l v e}} = \frac{V_{A G R} P_{A G R}}{R T_{A G R, m e a n}} \cdot \frac{1}{{\dot{m}}_{A G R, v a l v e}}$
wobei V_AGR das Volumen des Abgasrückführsystems, d.h. der Abgasrückführleitungen einschließlich eines eventuell vorhandenen Abgaskühlers zwischen dem AGR-Ventil und der Einmündung 51 in die Frischluftzufuhrleitung 34, m_AGR die in diesem Volumen befindliche Gasmasse bezeichnen. P_AGR, T_AGR, und R bezeichnen den Druck im Abgasrückführsystem, den Mittelwert der Temperatur des rückgeführten Abgases und die Gaskonstante.
Unter Verwendung der oben dargestellten Formeln lässt sich der Fluss der verbrannten Gasmasse ṁ_b,_MAN, welcher in das Ansaugplenum erfolgt durch die folgende Gleichung modellieren: ${\dot{m}}_{b, M A N} = F_{A G R, i n} (t) \cdot {\dot{m}}_{A G R, i n} \approx F_{A G R, v a l v e} (t - t_{d}) \cdot {\dot{m}}_{A G R, m} \approx F_{A G R, v a l v e} (t - t_{d}) \cdot {\dot{m}}_{A G R, v a l v e}$
Die Änderungsrate des Anteils der verbrannten Gasmasse im Ansaugplenum, F_MAN, kann dann durch eine Differentialgleichung angenähert werden, die auf eine einfachen Füllungs- und Leerungsanalogie für die Gasaustauschprozedur im Ansaugplenum basiert, bspw. durch die Formel: $\begin{array}{l} \frac{d F_{M A N}}{d t} = \frac{d}{d t} (\frac{m_{b, M A N}}{m_{T}}) = \frac{d m_{b, M A N}}{d t} \frac{1}{m_{T}} - F_{M A N} \frac{d m_{b, M A N}}{d t} \frac{m_{T}}{m_{T}} \\ = \frac{R \cdot T_{M A N}}{P_{M A N} \cdot V_{M A N}} [(F_{A G R} - F_{M A N}) \cdot {\dot{m}}_{A G R} - F_{M A N} \cdot {\dot{m}}_{A I R}] \\ \approx \frac{R \cdot T_{M A N}}{P_{M A N} \cdot V_{M A N}} [(F_{E X H} (t - t_{d}) - F_{M A N} (t)) \cdot {\dot{m}}_{A G R, v a l v e} (t) - F_{M A N} (t) \cdot {\dot{m}}_{A I R} (t)] \end{array}$
Hierbei bezeichnet m_b,MAN und m_T die verbrannte Gasmasse m Ansaugplenum und die Gesamtgasmasse im Ansaugplenum.
Vorteilhafterweise kann der Regler auch die Reaktionszeit des Gaszusammensetzungssensors, der ein Lambdasensor, ein Sauerstoffsensor oder ein Kohlendioxidsensor sein kann, berücksichtigen. Der Sensor hat typischerweise eine Zeitkonstante τ_sensor, die mit der Gesamtzeitkonstante des Abgasrückführsystems vergleichbar ist. Eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung ist normalerweise ausreichend, um das Ausgabesignal F_MAN,mess des Sensors zu modellieren. Diese lineare Differentialgleichung hat typischerweise die Form $\frac{d F_{M A N, m e s s}}{d t} = \frac{1}{τ_{s e n s o r}} (F_{M A N} - F_{M A N, m e s s}) .$
Das verwendete Sensormodell kann natürlich auch ausgefeilter sein und eine Differentialgleichung höherer Ordnung umfassen, falls dies notwendig ist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem ist in 3 dargestellt. Das Abgasrückführsystem in 3 unterscheidet sich vom Abgasrückführsystem in 2 lediglich dadurch, dass zusätzliche zur Hochdruck-Abgasrückführleitung 50 noch eine Niederdruck-Abgasrückführleitung 80 vorhanden ist. In der Niederdruck-Abgasrückführung 80 wird ein Teil des Abgasmassenstroms stromabwärts vom Abgasnachbehandlungssystem 16 abgezweigt und der Frischluftzufuhr 30 stromaufwärts zum Verdichter 36 zugeführt. In unmittelbarer Nähe zum Einmündungspunkt 81 der Niederdruck-Abgasrückführleitung 80 in die Frischluftzufuhr 30 ist ein Abgasrückführventil 82 angeordnet, mit dem sich einstellen lässt, wie viel Abgas der Frischluftzufuhr 30 über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 80 zugeführt wird. Das Abgasrückführventil 80 ist wie das Abgasrückführventil 54 der Hochdruck-Abgasrückführleitung 50 zum Empfang eines Stellsignals mit der Regeleinheit 70 verbunden.

Claims

Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor, welcher ein Ansaugplenum (42), eine Abgasanlage (10) und eine mit dem Ansaugplenum (42) verbundenen Frischluftzufuhrleitung (34) umfasst, mit - einer mit dem Ansaugplenum (42) verbundenen Abgasrückführleitung (50), - einem im Ansaugplenum (42) angeordneten Sensor (74) zum Messen einer Messgröße im Ansaugplenum (42) und zum Ausgeben einer die Messgröße repräsentierenden Sensorgröße, - einer mit dem Sensor (74) zum Empfang der Sensorgröße verbundenen Regeleinheit (70), welche zum Ausgeben einer Stellgröße auf der Basis der empfangenen Sensorgröße ausgebildet ist, und - einem mit der Regeleinheit (70) verbundenen Stellglied, - der im Ansaugplenum (42) angeordnete Sensor (74) ein Gaskonzentrationssensor ist, der dazu ausgestaltet ist, die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum (42) zu ermitteln und als Sensorgröße eine die Luftzahl, die Sauerstoffkonzentration oder die Kohlendioxidkonzentration repräsentierende Größe an die Regeleinheit (70) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass - die Regeleinheit (70) dazu ausgelegt ist, den Inertgasmassenanteil im Ansaugplenum mittels der Ausgabe der Stellgröße zu regeln und - das Stellglied zum Einstellen des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum (42) auf der Basis der empfangenen Stellgröße ausgebildet ist.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gaskonzentrationssensor zum Erfassen der Luftzahl, der Sauerstoff-konzentration oder der Kohlendioxidkonzentration, der in der Abgasanlage angeordnet ist.
Abgasrückführsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführventil (54) in der Abgasrückführleitung und ein Stellglied zum Beeinflussen der Ventilstellung des Abgasrückführventils (54) vorhanden sind.
Abgasrückführsystem nach einem der Ansprühe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zu Ermitteln der Ventilstellung des Abgasrückführventils (54) vorhanden ist.
Abgasrückführsystem nach einem der Ansprühe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbolader (15, 16) mit veränderbarer Turbinengeometrie und ein Stellglied zum Beeinflussen der Turbinengeometrie vorhanden sind.
Abgasrückführsystem nach einem der Ansprühe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drosselventil (40) in der Frischluftzufuhrleitung (34) und ein Stellglied zum Beeinflussen der Ventilstellung des Drosselventils (40) vorhanden sind.
Abgasrückführsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruck-Abgasrückführleitung (50) vorhanden ist.
Abgasrückführsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruck-Abgasrückführleitung (80) vorhanden ist.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, welcher ein Ansaugplenum (42), eine Abgasanlage (10) und eine mit dem Ansaugplenum (42) verbundene Frischluftzufuhrleitung (34) umfasst, und einem Abgasrückführsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zum Regeln des Mischungsverhältnisses von Abgas zu Frischluft in einem Abgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors, in dem ein Messen der Luftzahl, der Sauerstoffkonzentration oder der Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum des Verbrennungsmotors, ein Ausgeben einer Stellgröße zum Einstellen des Mischungsverhältnisses mittels eines Stellgliedes und ein Ermitteln der Stellgröße auf der Basis der gemessenen Luftzahl, der gemessenen Sauerstoffkonzentration bzw. der gemessenen Kohlendioxidkonzentration erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln des Mischungsverhältnisses durch ein Regeln des Inertgasmassenanteils im Ansaugplenum realisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, in welchem außerdem ein Messen der Luftzahl, der Sauerstoffkonzentration oder der Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanlage erfolgt, das Ermitteln der Stellgröße auf der Basis der gemessenen Luftzahl, der gemessenen Sauerstoffkonzentration bzw. der gemessenen Kohlendioxidkonzentration im Ansaugplenum sowie der gemessenen Sauerstoffkonzentration bzw. der gemessenen Kohlendioxidkonzentration in der Abgasanlage erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem ein Messen der für den Massenstrom des rückgeführten Abgases im Abgasrückführventil effektiv zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche erfolgt.