DE102012200055B4

DE102012200055B4 - Abgasrückführungssystem und Verfahren zur Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102012200055B4
Application number: DE102012200055.0A
Authority: DE
Inventors: Simon Petrovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-03
Filing date: 2012-01-03
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: DE102012200055A1

Abstract

Abgasrückführungssystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor (1) eines Kraftfahrzeuges, mit einem Geschwindigkeitssensor (17) zum Erfassen einer Drehzahl (TSS) des Turboladers (6) und einem Abgasrückführungsventil (13), welches in unmittelbarer Abhängigkeit von dem Meßergebnis des Geschwindigkeitssensors (17) steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführungssystem und ein Verfahren zur Abgasrückführung. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Abgasrückführungssystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Abgasrückführung für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges gerichtet, bei dem die Rate der Abgasrückführung basierend auf der Drehzahl des Turboladers geregelt wird.
Die Abgasrückführung oder EGR (Exhaust Gas Recirculation) dient dazu, Stickoxid-Emissionen, die bei der Verbrennung entstehen, zu minimieren. Dabei wird das bereits verbrannte Abgas dem dem Motor zugeführten Frischluftstrom zugeführt und das dabei entstehende Gemisch im Motor unter Zuführung von Kraftstoff verbrannt.
Immer strenger werdende gesetzliche Anforderungen erfordern die Reduzierung von NOx-Emissionen und eine Verbesserung des Steuersystems der Abgasrückführung.
In dem Dokument DE 10 2009 027 137 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Strömungsrate einer Abgasrückführung in einem Verbrennungsmotor mit einem Turbolader beschrieben. Die Turbolader-Drehzahl wird gemessen und basierend darauf ein Schätzwert der aktuellen EGR-Strömungsrate ermittelt. Die Regelung der Strömungsrate erfolgt unter Heranziehung des Schätzwertes.
Die derzeitigen Steuerungen basieren auf dem Luftmassenstrom oder MAF (Mass Airflow), bei denen vorwärtsgekoppelte Sollwerte für das Abgasrückführungsventil unter Berücksichtigung des derzeitigen Betriebspunkts des Motors, üblicherweise Geschwindigkeit und Last bzw. angegebenes Drehmoment, erzeugt werden. Teilweise werden einige modellbasierte Anpassungen umfaßt, in denen das theoretische Strömungsfeld des Abgasrückführungsventils gesteuert wird. Dieser Ansatz weist jedoch Probleme mit der Stabilität auf, da ein Druckverhältnis über den Zylinder gemessen oder geschätzt werden muß und weil nachteilige Auswirkungen bedingt durch Fluktuationen durch Pumpen des Motors, Empfindlichkeiten um ein Druckverhältnis von Eins und durch Verunreinigungen mit Feinstaub oder Festkörpern vorhanden sind.
Des Weiteren sind Sensoren für den Luftmassenstrom Haltbarkeitsproblemen unterworfen, die zu einem großen Versatz bei der Messung führen können. Diese Haltbarkeitsprobleme treten insbesondere bei langen Perioden von Stadtfahrten auf.
Eine weiter entwickelte Steuerung für die Abgasrückführung, die für EURO VI+ Anwendungen entwickelt wurde, verwendet einen in dem Ansaugkrümmer angeordneten Sauerstoffsensor, der auch FMAN Sensor genannt wird, um die Sauerstoffkonzentration zu regulieren. Damit soll eine optimale Verbrennung in den Zylindern des Motors erzielt werden. Dieses Verfahren ist jedoch teuer und erfordert einen beträchtlichen Aufwand einer Überarbeitung von bestehenden Sauerstoffsensoren. So erfordern die Stabilität des Heizkreises und die dynamischen Eigenschaften der Pumpzellen einen sich ständig ändernden Faktor für die Druckkorrektur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 3 beziehungsweise 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Abgasrückführungssystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges einen Geschwindigkeitssensor zum Erfassen einer Drehzahl des Turboladers und ein Abgasrückführungsventil, welches in Abhängigkeit von dem Meßergebnis des Geschwindigkeitssensors steuerbar ist. Durch die Verwendung der Geschwindigkeit oder Drehzahl des Turboladers, welche relativ einfach zu bestimmen sind, kann auf die schwierige und unzuverlässige Bestimmung des Luftmassenstroms verzichtet werden. Die Erfindung beruht darauf, dass bei einer erhöhten Abgasrückführung die Enthalpie an dem Turbolader sinkt und entsprechend seine Geschwindigkeit abfällt, was für eine Abschätzung der EGR-Strömungsrate benutzt wird. Das Abgasrückführungssystem erlaubt einen optimierten Motorbetrieb, was den Kraftstoffverbrauch senkt. Zudem wird die Verzögerung der Regelung verringert.
Das Abgasrückführungssystem kann eine Steuerung zur Verarbeitung des Meßergebnisses und zur Ansteuerung des Abgasrückführungsventils aufweisen. Die Steuerung kann Werte oder Kennlinien zum Beispiel an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors anpassen. Die Steuerung kann in bestehende Steuerungen wie die Motorsteuerung oder die Steuerung der Abgasnachbehandlung integriert sein oder es kann eine einzelne Steuerung vorgesehen sein. Mittels der Steuerung kann das Abgasrückführungssystem einfach an neue Umstände des Motors oder gesetzliche Vorschriften angepaßt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges einen Turbolader und ein wie zuvor beschriebenes Abgasrückführungssystem. Der Verbrennungsmotor hat die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor für das Abgasrückführungssystem beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Abgasrückführung für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges gerichtet, wobei eine Rate der Abgasrückführung basierend auf einer Messung einer Drehzahl des Turboladers geregelt wird. Das Verfahren hat die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor für das Abgasrückführungssystem beschrieben.
Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen:

– Messen einer Drehzahl des Turboladers,
– Erzeugen eines Drehzahl-Sollwertes unter Berücksichtigung einer Drehzahl des Verbrennungsmotors,
– Erzeugen eines Drehzahl-Sollwert-Fehlers aus dem gemessenen Drehzahl-Wert und dem Drehzahl-Sollwert,
– Erzeugen eines vorwärtsgekoppelten Abgasrückführungsventil-Sollwerts unter Berücksichtigung einer Geschwindigkeit des Turboladers,
– Steuern des Abgasrückführungsventils unter Berücksichtigung des Drehzahl-Sollwert-Fehlers und des vorwärtsgekoppelten Abgasrückführungsventil-Sollwerts.

Durch die Verwendung der Geschwindigkeit oder Drehzahl des Turboladers, welche relativ einfach zu bestimmen ist, kann auf die schwierige und unzuverlässige Bestimmung des Luftmassenstroms verzichtet werden. So kann ein stabiles Verfahren geschaffen werden, das zudem den Kraftstoffverbrauch des Motors senkt.
Beim Erzeugen des Drehzahl-Sollwertes kann ein Drehmoment-Sollwert und/oder ein Treibstoff-Massenstrom berücksichtigt werden. Durch die zusätzliche Verarbeitung eines oder mehrerer zusätzlicher Werte kann das Verfahren genauer und robuster realisiert werden.
Beim Erzeugen des vorwärtsgekoppelten Abgasrückführungsventil-Sollwerts kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden. Durch die zusätzliche Verarbeitung eines oder mehrerer zusätzlicher Werte kann das Verfahren genauer und robuster realisiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben, in denen zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Motors mit Abgasrückführungssystem gemäß der Erfindung.
2 ein Blockschaltbild des Abgasrückführungssystems gemäß der Erfindung.
3 ein Diagramm mit Betriebsbereichen der Abgasrückführung gemäß der Erfindung.
4 ein Diagramm mit Sollwerten der Abgasrückführung gemäß der Erfindung.
Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein. Die Zeichnungen und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Abgasrückführungssystem 2. Der Verbrennungsmotor 1 hat einen Motorblock 3 mit sechs Zylindern 4. Den Zylindern 4 wird Frischluft oder Zuluft zugeführt, die zunächst einen Luftfilter 5 passiert und anschließend von einem Turbolader 6 verdichtet wird. Ein Ladeluftkühler 7 kühlt die bei der Verdichtung erwärmte Luft ab, bevor sie den Zylindern 4 zugeführt wird. Eine von dem Benutzer des Kraftfahrzeugs bedienbare Gasfunktion bzw. Gaspedal 8 bestimmt die Menge an zugeführter Luft und auch die Menge an zugeführtem Kraftstoff. Eine Kraftstoffeinspritzung 9 ist schematisch dargestellt.
In den Zylindern 4 wird das Luft-Kraftstoffgemisch verbrannt, wodurch eine Welle 10 des Motors 1 in Rotation versetzt wird. Die Geschwindigkeit oder Drehzahl des Motors 1, die zum Beispiel eine Welle 10 gemessen werden kann, ist mit N bezeichnet. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird aus den Zylindern herausgeführt und treibt eine abgasseitige Turbine 11 des Turboladers 6 an. Stromabwärts des Turboladers 6 ist ein Abgasnachbehandlungssystem 12 angeordnet.
Das Abgasrückführungssystem 2 zweigt stromaufwärts des Turboladers 6 ab. Die Rate der Abgasrückführung wird über ein Abgasrückführungsventil (EGRV, Exhaust Gas Recirculation Valve) 13 gesteuert. Stromabwärts des Abgasrückführungsventils 13 ist ein Abgasrückführungskühler 14 angeordnet, der das warme rückgeführte Abgas auf eine Temperatur abkühlt, die für eine gute Vermischung mit der zugeführten Frischluft geeignet ist. Zwischen dem Abgasrückführungskühler 14 und der Gasfunktion 8 werden das rückgeführte Abgas und die zugeführte Frischluft vermischt. Dieses Gemisch wird dann den Zylindern 4 zugeführt.
Für die Steuerung des Abgasrückführungssystems 2 oder genauer ausgedrückt für die Steuerung der Position des Abgasrückführungsventils 13 sind verschiedene Sensoren vorgesehen, deren Meßergebnisse oder Meßwerte von einer Steuerung 15 verarbeitet werden, welche dann in Abhängigkeit der Meßergebnisse das Abgasrückführungsventil 13 steuert.
Ein Geschwindigkeitssensor 16 zum Erfassen der Geschwindigkeit des Turboladers 6 erfaßt die Geschwindigkeit oder Drehzahl des Turboladers 6 und gibt das Meßergebnis NT oder TSS an die Steuerung 15 weiter.
Ein Geschwindigkeitssensor 17 erfaßt die Geschwindigkeit oder Drehzahl des Motors 1 und gibt das Meßergebnis N an die Steuerung 15 weiter. Dazu ist der Geschwindigkeitssensor 17 mit der Steuerung 15 verbunden.
Weitere Parameter, wie ein Soll-Drehmoment TQI_SP oder ein Treibstoff-Massenstrom MF können von weiteren Sensoren und/oder Steuerungen der Steuerung 15 zugeführt werden. Sollwerte oder Vergleichs- bzw. Referenzwerte oder -schwellen können auch in einem Kalibrierungsbetriebszustand gewonnen und/oder angepaßt werden.
Anhand von 2 wird nun die Funktionsweise des Abgasrückführungssystems 2 bzw. der Steuerung 15 näher beschrieben. In einem ersten Block 18 wird ein Drehzahl-Sollwert TSS_SP erzeugt. Dazu werden als Eingangsgrößen die Geschwindigkeit N des Motors 1 und gegeben falls ein Soll-Drehmoment TQI_SP oder ein Treibstoff-Massenstrom MF berücksichtigt. Der Drehzahl-Sollwert TSS_SP kann mit Hilfe des in 3 dargestellten Diagramms ermittelt werden. In 3 sind die beiden angegebenen Eingangsgrößen gegeneinander aufgetragen. Für den Drehzahl-Sollwert TSS_SP sind verschiedene Bereiche aufgetragen, die sich durch die Höhe der Drehzahl unterscheiden. Zudem ist das Diagramm in einen Abgasrückführungsbereich (EGR region) und in einen Bereich, in dem keine Abgasrückführung stattfindet (Non-EGR region) unterteilt. Abhängig von der jeweiligen Drehzahl des Motors N und dem jeweiligen Drehmoment-Sollwert TQI_SP (Indicated Torque Setpoint) kann mittels des Diagramms der Drehzahl-Sollwert TSS_SP bestimmt werden.
Gemäß dem Diagramm aus 3, genauer gesagt in Abhängigkeit von dem EGR bzw. dem Nicht-EGR Bereich, kann die Steuerung auf einen bestimmten TSS Sollwert unterschiedlich ausgelegt sein. Im EGR Bereich kann die Steuerung mittels des Abgasrückführungsventils 13 durchgeführt werden, während in dem Nicht-EGR Bereich die Steuerung mittels der Stellung einer variablen Turbinengeometrie des Turboladers 6 (VNT, Variable Nozzle Turbocharger) erfolgen kann.
In einem Komparator 19 oder einem ähnlichen Block wird die gemessene Drehzahl TSS des Turboladers 6 mit dem in Block 18 berechneten Drehzahl-Sollwert TSS_SP verglichen. Als Ergebnis wird eine Regelabweichung oder eine Drehzahl-Sollwert-Abweichung TSS_SP_ERR ausgegeben, der in einem Steuerblock 20 aufbereitet und/oder verarbeitet wird.
In einem Block 21 wird ein vorwärtsgekoppelter Abgasrückführungsventil-Sollwert EGRV_FFWD_SP erzeugt. Als Eingangsgrößen dienen dafür die Geschwindigkeit oder Drehzahl N des Motors 1 und eine reduzierte Geschwindigkeit des Turboladers 6 NT_RED. Die reduzierte Geschwindigkeit berechnet sich aus der Geschwindigkeit NT oder TSS geteilt durch die Wurzel aus einer Temperatur T3, welche stromaufwärts der abgasseitigen Turbinenschaufel 11 zum Beispiel mit einem kombinierten Abgasdrucksensor gemessen werden kann, der Druck und Temperaturen mißt.
Der vorwärtsgekoppelte Abgasrückführungsventil-Sollwert EGRV_FFWD_SP kann zum Beispiel anhand des in 4 dargestellten Diagramms bestimmt werden. Die Kurven für die EGRV Sollwerte sind parametrisiert nach der reduzierten Geschwindigkeit des Turboladers 6 (x-Achse) und nach der Geschwindigkeit N des Motors 1 (Kurven). Auf der Y-Achse ist der Öffnungswinkel oder –grad des EGRV 13 aufgetragen. Es ist zu sehen, dass für eine feste Geschwindigkeit N eine Reduzierung der Geschwindigkeit TSS des Turboladers 6 zu einem höheren Öffnungsgrad des EGRV 13 führt.
In einem Komparator 22 oder einem ähnlichen Block werden die Drehzahl-Sollwert-Abweichung TSS_SP_ERR und der vorwärtsgekoppelte Abgasrückführungsventil-Sollwert EGRV_FFWD_SP zusammengeführt. Dieser zusammengeführte Wert EGRV_CL_SP ist die Stellgröße für das Abgasregelungsventil 13. Nach einer Verzögerung wirkt sich die Änderung des Abgasregelungsventils 13 auf die Drehzahl TSS des Turboladers 6 aus. Die Messung der Drehzahl TSS wird dann wieder zu dem Komparator 19 zurückgekoppelt. Die Steuerung des Abgasrückführungsventils 13 basierend auf der Drehzahl TSS des Turboladers 6 erlaubt eine schnell ansprechende Steuerung mit sehr geringer Verzögerung, was den Betrieb, Verbrauch und die Schadstoffemissionen verbessert.

Claims

Abgasrückführungssystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor (1) eines Kraftfahrzeuges, mit einem Geschwindigkeitssensor (17) zum Erfassen einer Drehzahl (TSS) des Turboladers (6) und einem Abgasrückführungsventil (13), welches in unmittelbarer Abhängigkeit von dem Meßergebnis des Geschwindigkeitssensors (17) steuerbar ist.
Abgasrückführungssystem nach Anspruch 1, aufweisend eine Steuerung (15) zur Verarbeitung des Mellergebnisses und zur Ansteuerung des Abgasrückführungsventils (13).
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, aufweisend einen Turbolader (6) und ein Abgasrückführungssystem (2) nach Anspruch 1 oder 2.
Verfahren zur Abgasrückführung für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor (1) eines Kraftfahrzeuges, wobei eine Rate der Abgasrückführung basierend auf einer Messung einer Drehzahl (TSS) des Turboladers (6) geregelt wird, wobei es die folgenden Schritte umfasst: – Messen einer Drehzahl (TSS) des Turboladers (6), – Erzeugen eines Drehzahl-Sollwertes (TSS_SP) unter Berücksichtigung einer Drehzahl (N) des Verbrennungsmotors (1), – Erzeugen einer Drehzahl-Sollwert-Abweichung (TSS_SP_ERR) aus dem gemessenen Drehzahl-Wert (TSS) und dem Drehzahl-Sollwert (TSS_SP), – Erzeugen eines vorwärtsgekoppelten Abgasrückführungsventil-Sollwerts (EGRV_FFWD_SP) unter Berücksichtigung einer Geschwindigkeit (NT_RED) des Turboladers (6), – Steuern des Abgasrückführungsventils (13) unter Berücksichtigung der Drehzahl-Sollwert-Abweichung (TSS_SP_ERR) und des vorwärtsgekoppelten Abgasrückführungsventil-Sollwerts (EGRV_FFWD_SP).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei beim Erzeugen des Drehzahl-Sollwertes (TSS_SP) ein Drehmoment-Sollwert (TQI_SP) und/oder ein Treibstoff-Massenstrom (MF) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei beim Erzeugen des vorwärtsgekoppelten Abgasrückführungsventil-Sollwerts (EGRV_FFWD_SP) die Drehzahl (N) des Verbrennungsmotors (1) berücksichtigt wird.