DE102021102457B3

DE102021102457B3 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie entsprechende Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102021102457B3
Application number: DE102021102457.9A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2041-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Antriebseinrichtung (1) über ein Abgas erzeugendes Antriebsaggregat (2), einen Abgastrakt (6) zur Abführung des von dem Antriebsaggregat (2) erzeugten Abgases in Richtung einer Außenumgebung sowie eine Abgasrückführeinrichtung (7) zu Rückführung von Abgas aus dem Abgastrakt (6) in das Antriebsaggregat (2) verfügt und das Antriebsaggregat (2) mit einem Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mit einem bestimmten Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Dabei ist vorgesehen, dass aus einem vor einer Änderung eines Kraftstoffdurchsatzes des dem Antriebsaggregat (2) zugeführten Kraftstoffs vorliegenden ersten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs, einem nach der Änderung vorliegenden zweiten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und einem nach der Änderung mittels einer in dem Abgastrakt (6) angeordneten Lambdasonde (9) gemessenen, den Restsauerstoffgehalt in dem Abgas beschreibenden Messwert ein Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas ermittelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Antriebseinrichtung über ein Abgas erzeugendes Antriebsaggregat, einen Abgastrakt zur Abführung des von dem Antriebsaggregat erzeugten Abgases in Richtung einer Außenumgebung sowie eine Abgasrückführeinrichtung zur Rückführung von Abgas aus dem Abgastrakt in das Abgasaggregat verfügt und das Antriebsaggregat mit einem Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mit einem bestimmten Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2015 207 252 A1 bekannt. Diese beschreibt ein Verfahren zur modellbasierten Optimierung, insbesondere Kalibrierung, einer technischen Einrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine. Das Verfahren weist folgende Arbeitsschritte auf: Erfassen von wenigstens einem ersten Parameter in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung, welcher eine physikalische Größe charakterisiert; erstes Bestimmen wenigstens eines zweiten Parameters in Bezug auf die zu optimierende technische Einrichtung durch mindestens ein erstes physikalisches Modell, welches mindestens einen bekannten physikalischen Zusammenhang charakterisiert, und für welches der wenigsten eine erste Parameter ein Eingangsparameter ist; zweites Bestimmen wenigstens eines dritten Parameters durch wenigstens ein erstes empirisches Modell, welches auf Messungen an einer Mehrzahl von bereits bekannten technischen Einrichtungen derselben Gattung, insbesondere Brennkraftmaschinen, beruht und für welches zumindest der wenigstens eine zweite Parameter ein Eingangsparameter ist, wobei der wenigstens eine dritte Parameter geeignet ist, um die zu optimierende technische Einrichtung zu charakterisieren und/oder um auf dessen Grundlage eine Veränderung der zu optimierenden technischen Einrichtung vorzunehmen, insbesondere eine Steuerung der zu optimierenden technischen Einrichtung einzustellen; und Ausgeben des wenigstens einen dritten Parameters.
Weiterhin beschreibt die Druckschrift US 10 330 034 B2 eine Einrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Abgasrückführrate basierend auf einer Stellung eines Abgasrückführventils, korrigiert unter Verwendung einer mittels eines Sensors gemessenen Abgaszusammensetzung.
Die Druckschrift DE 198 49 272 A1 wird ein Verfahren zur Diagnose eines Abgasrückführsystems eines Verbrennungsprozesses vorgeschlagen. Dabei ist vorgesehen, durch eine gezielte Veränderung des Frischluft/Kraftstoff-Verhältnisses und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des AGR-Systems eine vorausbestimmte Veränderung der Abgasluftzahl Lambda zu erreichen, die zu Diagnosezwecken ausgewertet wird. Insbesondere wird bei einer einstufigen sprungförmigen Änderung des Frischluft/Kraftstoff-Verhältnisses ein mehrstufiger Verlauf der Abgasluftzahl bei funktionierendem AGR-System erwartet.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Druckschrift US 4 640 257 A bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere auf möglichst einfache Art und Weise eine präzise Ermittlung eines Anteils des zurückgeführten Abgases an dem dem Antriebsaggregat zugeführten Frischgas ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass aus einem vor einer Änderung eines Kraftstoffdurchsatzes des dem Antriebsaggregat zugeführten Kraftstoffs vorliegenden ersten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs, einem nach der Änderung vorliegenden zweiten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und einem nach der Änderung mittels einer in dem Abgastrakt angeordneten Lambdasonde gemessenen, den Restsauerstoffgehalt in dem Abgas beschreibenden Messwert ein Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas ermittelt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Antriebseinrichtung ist zum Antreiben des Kraftfahrzeugs vorgesehen und ausgestaltet und dient insoweit dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Die Antriebseinrichtung ist vorzugsweise Bestandteil des Kraftfahrzeugs, kann jedoch selbstverständlich auch separat von diesem vorliegen und dient in diesem Fall allein dem Bereitstellen des Antriebsdrehmoments.
Das Antriebsdrehmoment wird von der Antriebseinrichtung mithilfe des Antriebsaggregats bereitgestellt. Dieses wird mit dem Kraftstoff-Frischgas-Gemisch betrieben, welches dem Antriebsaggregat zugeführt oder erst in dem Antriebsaggregat erzeugt wird. In jedem Fall werden dem Antriebsaggregat Frischgas und Kraftstoff zugeführt, beispielsweise separat voneinander oder gemeinsam, wobei das Frischgas zumindest zeitweise und zumindest teilweise Frischluft aus einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung enthält. Das Antriebsaggregat liegt insbesondere als Brennkraftmaschine vor, besonders bevorzugt als Diesel-Brennkraftmaschine oder als Otto-Brennkraftmaschine.
Während des Betriebs des Antriebsaggregats fällt Abgas an, welches dem Abgastrakt zugeführt und über diesen in Richtung der Außenumgebung abgeführt wird. Der Abgastrakt kann - optional - eine Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweisen. Diese ist bevorzugt als Fahrzeugkatalysator ausgestaltet, dient also einem katalytischen Umsetzen von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen in ungefährlichere Produkte. Der Fahrzeugkatalysator liegt insbesondere als Drei-Wege-Katalysator oder als Speicherkatalysator vor.
Das von dem Antriebsaggregat erzeugte Abgas wird zumindest zeitweise zumindest teilweise in das Antriebsaggregat zurückgeführt, sodass das dem Antriebsaggregat zugeführte Frischgas zumindest teilweise als Abgas vorliegt. Das Frischgas weist insoweit zumindest zeitweise Frischluft und zumindest zeitweise Abgas auf, jeweils in beliebigen Anteilen. Eine solche Vorgehensweise wird als Abgasrückführung bezeichnet und mithilfe der Abgasrückführeinrichtung durchgeführt. Mithilfe der Abgasrückführeinrichtung wird das von dem Antriebsaggregat in den Abgastrakt ausgestoßene Abgas also zumindest zeitweise zumindest teilweise dem Frischgas zugeschlagen und dieses dem Antriebsaggregat zugeführt, sodass das bereits aus dem Antriebsaggregat ausgestoßene Abgas erneut dem Antriebsaggregat zugeführt wird. Die Abgasrückführeinrichtung ist insoweit eine externe Abgasrückführung.
In anderen Worten verfügt die Antriebseinrichtung über einen Frischgastrakt zur Zuführung von Frischgas zu dem Antriebsaggregat, über das Antriebsaggregat selbst sowie über den Abgastrakt zur Abführung des Abgases von dem Antriebsaggregat. Vorzugsweise ist der Frischgastrakt über mindestens ein Einlassventil an einen Brennraum des Antriebsaggregats strömungstechnisch angeschlossen, der Abgastrakt über wenigstens ein Auslassventil. Bei geöffnetem Einlassventil strömt Frischgas aus dem Frischgastrakt in den Brennraum ein und bei geöffnetem Auslassventil strömt Abgas aus dem Brennraum in den Abgastrakt aus. Der Frischgastrakt und der Abgastrakt sind über eine Abgasrückführleitung strömungstechnisch aneinander angeschlossen, über welche zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt zumindest zeitweise in den Frischgastrakt zurückgeführt wird.
Das zum Betreiben des Antriebsaggregats verwendete Kraftstoff-Frischgas-Gemisch weist das bestimmte Verbrennungsluftverhältnis auf. Das bestimmte Verbrennungsluftverhältnis beschreibt hierbei das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff relativ zum stöchiometrisch idealen Verhältnis. Bei einem Verbrennungsluftverhältnis von eins ist das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch insoweit stöchiometrisch, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von kleiner als eins liegt Luftmangel und bei einem Verbrennungsluftverhältnis von größer als eins liegt Luftüberschuss vor.
Bevorzugt wird das Verbrennungsluftverhältnis anhand zweier Messwerte eingestellt, nämlich anhand eines ersten Messwerts und eines zweiten Messwerts. Die Messwerte werden mithilfe von Lambdasonden ermittelt. Genauer gesagt wird der erste Messwert mithilfe einer ersten Lambdasonde gemessen, die dem Abgastrakt zugeordnet ist, also bezüglich des Abgases stromabwärts des Antriebsaggregats vorliegt. Beispielsweise ist die erste Lambdasonde strömungstechnisch zwischen dem Antriebsaggregat und der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet. Der zweite Messwert wird hingegen mithilfe einer zweiten Lambdasonde gemessen, welche stromabwärts der ersten Lambdasonde vorliegt, insbesondere stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, also strömungstechnisch nach der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Vorzugsweise ist also die Abgasnachbehandlungseinrichtung strömungstechnisch zwischen der ersten Lambdasonde und der zweiten Lambdasonde angeordnet.
Der erste Messwert beschreibt den Restsauerstoffgehalt des Abgases stromabwärts des Antriebsaggregats, insbesondere stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung, und der zweite Messwert den Restsauerstoffgehalt des Abgases stromabwärts der ersten Lambdasonde, vorzugsweise stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Der erste Messwert liegt bevorzugt in Form eines Lambdawerts vor, also als Verbrennungsluftverhältnis. Der zweite Messwert ist beispielsweise eine von der zweiten Lambdasonde gelieferte elektrische Spannung.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass als erste Lambdasonde eine Breitbandlambdasonde und als zweite Lambdasonde eine Sprunglambdasonde verwendet wird. Die Breitbandlambdasonde setzt sich bevorzugt aus mehreren Messzellen zusammen, nämlich einer Pumpzelle und einer Nernstzelle. Durch einen solchen Aufbau ist mittels der Breitbandlambdasonde eine genaue Messung des Restsauerstoffgehalts des Abgases auch abseits eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses möglich. Die Sprunglambdasonde weist hingegen bevorzugt lediglich eine einzige Nernstzelle auf. Sie kann insoweit auch als Nernstsonde oder Spannungssprungsonde bezeichnet werden. Die Breitbandlambdasonde hat den Vorteil eines großen Messbereichs, die Sprunglambdasonde den Vorteil einer höheren Genauigkeit. Durch eine Kombination von Breitbandlambdasonde und Sprunglambdasonde können entsprechend eine hohe Genauigkeit einer Lambdaregelung und somit eine hohe Effizienz erzielt werden.
Bevorzugt wird der erste Messwert durch das Einstellen des Verbrennungsluftverhältnisses auf einen Sollwert geregelt. Dieser Vorgang wird auch als Lambdaregelung bezeichnet. Der Sollwert wird hierbei besonders bevorzugt anhand des zweiten Messwerts festgelegt. Um einen effizienten Betrieb des Antriebsaggregats zu erzielen, wird, sobald der zweite Messwert einen Schwellenwert erreicht, dass Verbrennungsluftverhältnis innerhalb einer ersten Zeitspanne um einen Differenzwert in eine bestimmte Richtung verstellt. Anschließend wird über eine zweite Zeitspanne hinweg das Verbrennungsluftverhältnis mit einer bestimmten Geschwindigkeit in dieselbe Richtung verstellt. Der Schwellenwert kann im Übrigen auch als Lambdaschwellenwert oder Regelschwellenwert bezeichnet werden.
Es ist also vorzugsweise vorgesehen, dass Verbrennungsluftverhältnis während der beiden Zeitspannen auf unterschiedliche Art und Weise einzustellen. Bevorzugt schließt sich hierbei die zweite Zeitspanne unmittelbar an die erste Zeitspanne an. Während der ersten Zeitspanne wird das Verbrennungsluftverhältnis um den Differenzwert verändert. Die erste Zeitspanne hat eine bestimmte Zeitdauer, besonders bevorzugt ist diese deutlich geringer als eine Zeitdauer der zweiten Zeitspanne. Insbesondere erfolgt das Verstellen des Verbrennungsluftverhältnisses um den Differenzwert instantan oder im Wesentlichen instantan, so dass die erste Zeitspanne sehr kurz, insbesondere infinitesimal kurz, ist.
Das Verstellen des Verbrennungsluftverhältnisses innerhalb der zweiten Zeitspanne erfolgt hingegen über einen längeren Zeitraum hinweg. Hierbei ist es nicht vorgesehen, das Verbrennungsluftverhältnis unmittelbar um einen bestimmten Wert zu verändern, sondern vielmehr erfolgt das Verstellen des Verbrennungsluftverhältnisses mit der bestimmten Geschwindigkeit. Unter der Geschwindigkeit ist insbesondere ein Gradient des Verbrennungsluftverhältnisses über der Zeit zu verstehen. Beispielsweise sind sowohl der Differenzwert als auch die Geschwindigkeit fest hinterlegte Werte.
Das Verstellen des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgt insbesondere durch Verstellen des bereits erwähnten Sollwerts. Es ist also vorgesehen, bei dem Erreichen des Schwellenwerts durch den zweiten Messwert den Sollwert innerhalb der ersten Zeitspanne um den Differenzwert in die bestimmte Richtung und anschließend über die zweite Zeitspanne hinweg mit der Geschwindigkeit in dieselbe Richtung zu verstehen. Anschließend wird im Rahmen der erläuterten Lambdaregelung der erste Messwert auf den Sollwert geregelt, nämlich durch Einstellen des Verbrennungsluftverhältnisses.
Grundsätzlich hängt die Richtung, in die das Verbrennungsluftverhältnis verstellt wird, von der Richtung ab, in welcher der zweite Messwert den Schwellenwert erreicht. Erreicht der zweite Messwert den Schwellenwert in einer ersten Richtung, beispielsweise von unten, so wird das Verbrennungsluftverhältnis in einer ersten bestimmten Richtung verstellt. Erreicht hingegen der zweite Messwert den Schwellenwert aus einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung, beispielsweise von oben, so wird das Verbrennungsluftverhältnis in eine der ersten bestimmten Richtung entgegengesetzte zweite bestimmte Richtung verstellt. Hierdurch ist eine sogenannte Eigenfrequenzregelung des Verbrennungsluftverhältnisses realisiert. Der hierzu notwendige Schwellenwert kann grundsätzlich auf beliebige Art und Weise gewählt werden, beispielsweise entspricht er einem Verbrennungsluftverhältnis von eins oder zumindest nahezu eins beziehungsweise einer entsprechenden Spannung der zweiten Lambdasonde.
Mithilfe der bereits beschriebenen Abgasrückführung können effektiv Rohemissionen des Antriebsaggregats deutlich verringert werden. Bei der Durchführung der Abgasrückführung ist es notwendig, den Anteil des zurückgeführten Abgases, die sogenannte Abgasrückführrate, möglichst genau bestimmen zu können. Eine direkte Messung der Abgasrückführrate ist jedoch aufgrund der hohen Temperatur des zurückgeführten Abgases nur schwierig zu realisieren.
Aus diesem Grund soll die Abgasrückführrate beziehungsweise der Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas indirekt ermittelt werden, nämlich unter Verwendung des ersten Verbrennungsluftverhältnisses, des zweiten Verbrennungsluftverhältnisses sowie des mittels der Lambdasonde gemessenen Messwerts. Grundsätzlich liegt also der Anteil des zurückgeführt Abgases als Funktion aus dem ersten Verbrennungsluftverhältnis, dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis und dem Messwert vor. Unter der Lambdasonde ist insbesondere die vorstehend bereits erwähnte erste Lambdasonde zu verstehen, welche bevorzugt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, falls diese vorliegt. Vorzugsweise ist die Lambdasonde derart angeordnet, dass sie von dem aus dem Antriebsaggregat ausgestoßenen Abgas nach höchstens 100 ms, höchstens 50 ms, höchstens 25 ms oder höchstens 10 ms erreicht wird, also allgemeiner ausgedrückt nach höchstens 10 ms bis höchstens 100 ms. Diese Zeitspanne ist hierbei insbesondere von einem Betriebspunkt des Antriebsaggregats und dem damit einhergehenden Abgasmassenstrom abhängig.
Während eines stationären Betriebs der Antriebseinrichtung beziehungsweise des Antriebsaggregats weist das zurückgeführte Abgas dasselbe Verbrennungsluftverhältnis beziehungsweise denselben Restsauerstoffgehalt auf wie das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch, mit welchem das Antriebsaggregat betrieben wird. Dies folgt daraus, dass sich bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in dem Brennraum genau das Verbrennungsluftverhältnis einstellt, welches nachfolgend auch in dem Abgas vorliegt. Wenn das Abgas zurückgeführt wird, werden insoweit zwei Fluidströme mit demselben Verbrennungsluftverhältnis gemischt, sodass das in dem Brennraum vorliegende Kraftstoff-Frischgas-Gemisch unabhängig von dem Anteil des zurückführten Abgases das gleiche Verbrennungsluftverhältnis aufweist.
Während eines instationären Betriebs der Antriebseinrichtung beziehungsweise des Antriebsaggregats unterscheiden sich jedoch vorübergehend aufgrund der Laufzeit des Abgases innerhalb der Abgasrückführeinrichtung das Verbrennungsluftverhältnis des zurückführten Abgases und das Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs. Bei der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes des dem Antriebsaggregat zugeführten Kraftstoffs aufgrund einer Änderung des bestimmten Verbrennungsluftverhältnisses des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs verändert sich der mithilfe der Lambdasonde gemessene Messwert auf charakteristische Art und Weise.
Wird also das Verbrennungsluftverhältnis von dem ersten Verbrennungsluftverhältnis auf das zweite Verbrennungsluftverhältnis geändert, so erfolgt eine Reaktion des Messwerts, welcher zunächst dem ersten Verbrennungsluftverhältnis entspricht, lediglich zeitverzögert. Das bedeutet, dass der Messwert aufgrund der Laufzeit des Abgases stromabwärts des Antriebsaggregats durch den Abgastrakt bis hin zu der Lambdasonde zunächst auf dem ersten Verbrennungsluftverhältnis verbleibt, sich anschließend innerhalb kurzer Zeit auf einen zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnis und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis liegenden Wert einstellt und sich erst nachfolgend in Richtung des zweiten Verbrennungsluftverhältnisses verändert.
Das erste Verbrennungsluftverhältnis liegt hierbei vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes vor, insbesondere unmittelbar vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes. Das zweite Verbrennungsluftverhältnis liegt hingegen nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes vor, insbesondere unmittelbar nach der Änderung. Bevorzugt entspricht das erste Verbrennungsluftverhältnis dem Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs unmittelbar vor der Änderung und das zweite Verbrennungsluftverhältnis dem Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs unmittelbar nach der Änderung.
Alternativ kann es selbstverständlich auch vorgesehen sein, das erste Verbrennungsluftverhältnis und/oder das zweite Verbrennungsluftverhältnis mittels der Lambdasonde zu ermitteln. In diesem Fall entspricht das erste Verbrennungsluftverhältnis dem Messwert vor der Änderung beziehungsweise unmittelbar vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes. Das zweite Verbrennungsluftverhältnis entspricht dem Messwert mit hinreichendem zeitlichem Abstand zu der Änderung, beispielsweise mindestens 0,5 s, mindestens 1 s oder mindestens 2 s nach der Änderung.
Vorzugsweise wird der mittels der Lambdasonde gemessene Messwert als zweites Verbrennungsluftverhältnis verwendet, wenn der Messwert nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes wieder über eine bestimmte Zeitspanne konstant geblieben ist, beispielsweise über eine Zeitspanne von mindestens 50 ms, mindestens 75 ms oder mindestens 100 ms. Der Messwert, der zum Ermitteln des Anteils des zurückführten Abgases herangezogen wird, wird vorzugsweise unmittelbar nach einer sprunghaften Änderung des Restsauerstoffgehalts in dem Abgas nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes gemessen. Aus dem Verhältnis zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnis, dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis und dem Messwert kann nachfolgend auf einfache Art und Weise der Anteil des zurückführten Abgases an dem Frischgas mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Abgastrakt eine Abgasreinigungseinrichtung vorliegt und der Messwert den Restsauerstoffgehalt in dem Abgas stromaufwärts der Abgasreinigungseinrichtung beschreibt. Auf die optional vorliegende Abgasreinigungseinrichtung wurde bereits eingegangen. Der Abgasreinigungseinrichtung wird bevorzugt das gesamte, von dem Antriebsaggregat erzeugte Abgas zugeführt. Die Abgasreinigungseinrichtung liegt hierbei strömungstechnisch zwischen dem Antriebsaggregat und einem Endrohr einer Abgasleitung des Abgastrakts vor. Über das Endrohr wird das Abgas stromabwärts der Abgasreinigungseinrichtung in die Außenumgebung der Antriebseinrichtung entlassen.
Die Lambdasonde ist derart angeordnet, dass der Messwert den Restsauerstoffgehalt des Abgases stromaufwärts der Abgasreinigungseinrichtung und somit strömungstechnisch zwischen dem Antriebsaggregat und der Abgasreinigungseinrichtung beschreibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Messwert dem Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs rasch nachläuft. Vorstehend wurde bereits erläutert, dass die Lambdasonde derart angeordnet ist, dass der Messwert dem Verbrennungsluftverhältnis um höchstens 100 ms, höchstens 50 ms, höchstens 25 ms oder höchstens 10 ms nachläuft. Hierdurch wird eine hohe zeitliche Auflösung bei dem Ermitteln des Anteils des zurückgeführten Abgases erzielt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Verbrennungsluftverhältnis vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes mittels der Lambdasonde gemessen wird, und/oder dass das vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatz vorliegende Verbrennungsluftverhältnis als erstes Verbrennungsluftverhältnis verwendet wird. Das erste Verbrennungsluftverhältnis kann insoweit als Messwert vorliegen. Hierzu wird der mithilfe der Lambdasonde gemessene Messwert vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes als erstes Verbrennungsluftverhältnis herangezogen. In anderen Worten wird das erste Verbrennungsluftverhältnis vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes, insbesondere unmittelbar vorher, gleich dem Messwert der Lambdasonde gesetzt.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorgesehen, dass das an dem Antriebsaggregat eingestellte Verbrennungsluftverhältnis als erstes Verbrennungsluftverhältnis herangezogen wird. Das an dem Antriebsaggregat eingestellte Verbrennungsluftverhältnis beschreibt das Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs beziehungsweise entspricht diesem. Das Verbrennungsluftverhältnis wird aus der dem Antriebsaggregat zugeführten Kraftstoffmenge und der dem Antriebsaggregat zugeführten Frischgasmenge beziehungsweise Frischluftmenge berechnet. Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht eine genaue Ermittlung des Anteils des zurückführten Abgases an dem Frischgas.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Verbrennungsluftverhältnis nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes mittels der Lambdasonde gemessen wird, und/oder dass das nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes vorliegende Verbrennungsluftverhältnis als zweites Verbrennungsluftverhältnis verwendet wird. Für das zweite Verbrennungsluftverhältnis gilt grundsätzlich Ähnliches wie für das erste Verbrennungsluftverhältnis mit dem einzigen Unterschied, dass es nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes ermittelt wird und nicht vor der Änderung, wie dies für das erste Verbrennungsluftverhältnis der Fall ist. Auf die entsprechenden Ausführungen für das erste Verbrennungsluftverhältnis wird daher vollumfänglich verwiesen. Wiederum ermöglicht die beschriebene Vorgehensweise die zuverlässige und rasche Ermittlung des Anteils des zurückführten Abgases.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Messwert bei oder unmittelbar nach einer durch die Änderung verursachten Sprungantwort des Restsauerstoffgehalts in dem Abgas ermittelt wird. Es wurde bereits erläutert, dass die Änderung des Kraftstoffdurchsatzes eine Veränderung des Messwerts zur Folge hat, welche geringfügig zeitverzögert ist. Diese Änderung liegt in Form der Sprungantwort des Restsauerstoffgehalts vor, der Messwert verändert sich also schlagartig beziehungsweise innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne.
Falls bei der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes Abgas aus dem Abgastrakt in das Antriebsaggregat zurückgeführt wird, ändert sich der Restsauerstoffgehalt in dem Abgas jedoch nicht bis hin zu einem dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis entsprechenden Wert, sondern auf einen Wert, welcher einem Verbrennungsluftverhältnis zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnis und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis entspricht.
Um den Anteil des zurückführten Abgases an dem Frischgas zu ermitteln, wird der Messwert bei oder unmittelbar nach der Sprungantwort festgestellt, also bei oder nach der sprunghaften Veränderung des Messwerts. Beispielsweise wird derjenige Messwert verwendet, welcher nach einem Überschreiten eines ersten Schwellenwerts und einem darauffolgenden Unterschreiten des Schwellenwerts durch einen Gradienten des Restsauerstoffgehalts beziehungsweise des Messwerts vorliegt. Hierdurch wird eine genaue Ermittlung des Anteils des zurückführten Abgases realisiert.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Frischgasdurchsatz des dem Antriebsaggregat zugeführten Frischgases über die Änderung hinweg konstant gehalten wird. Das Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs ändert sich also ausschließlich durch die Änderung des Kraftstoffdurchsatzes, nicht durch eine Änderung des Frischgasdurchsatzes. Beispielsweise bleibt zum Konstanthalten des Frischgasdurchsatz ist eine Drosselklappenstellung des Antriebsaggregats unverändert. Hierdurch wird eine hohe Genauigkeit des ermittelten Anteils gewährleistet.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Abgasrückführdurchsatz des in das Antriebsaggregat zurückgeführten Abgases über die Änderung hinweg konstant gehalten wird. Zusätzlich oder alternativ zu dem Frischgasdurchsatz wird also der Abgasrückführdurchsatz konstant gehalten, nämlich insbesondere zumindest bis der Anteil des zurückführten Abgases an dem Frischgas ermittelt ist. Das Konstanthalten des Abgasrückführdurchsatzes wird insbesondere durch Konstanthalten einer bestimmten Stellung eines Stellorgans der Abgasrückführeinrichtung realisiert. Auch diese Vorgehensweise stellt eine hohe Genauigkeit der Ermittlung des Anteils des zurückgeführten Abgases sicher.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Anteil des zurückgeführten Abgases mithilfe der Beziehung $x_{A} = 1 - λ_{1} (λ_{2} - λ_{3}) / (λ_{3} (λ_{2} - λ_{1}))$
ermittelt wird, wobei λ₁ das erste Verbrennungsluftverhältnis, λ₂ das zweite Verbrennungsluftverhältnis und λ₃ ein aus dem Messwert ermitteltes drittes Verbrennungsluftverhältnis beschreibt.
Grundsätzlich gilt für eine molare Konzentration von Sauerstoff C_O2 die Beziehung C_O2 = 0,21 (λ - 1) / λ. Die molare Konzentration des Sauerstoffs ist insoweit von dem Verbrennungsluftverhältnis abhängig. Für die Sauerstoffkonzentration eines Gemischs aus dem von dem Antriebsaggregat erzeugten Abgas und dem aus dem Abgastrakt in das Antriebsaggregat zurückgeführten Abgas gilt insoweit die Beziehung C₃ = x_L C₁ + (1 - x_L) C₂, wobei C₁ die molare Konzentration von Sauerstoff für das erste Verbrennungsluftverhältnis, C₂ die molare Konzentration von Sauerstoff für das zweite Verbrennungsluftverhältnis und C₃ die molare Konzentration von Sauerstoff für das dritte Verbrennungsluftverhältnis ist. Die Größe x_L beschreibt den Anteil der Frischluft an dem Abgas.
Das dritte Verbrennungsluftverhältnis wird aus dem Messwert ermittelt beziehungsweise berechnet. Mithilfe der vorstehend genannten Beziehung ergibt sich die Gleichung $(λ_{3} - λ_{1}) / λ_{3} = x_{L} (λ_{1} - 1) / λ_{1} + (1 - x_{L}) (λ_{2} - 1) / λ_{2} .$
Wird diese Gleichung nach x aufgelöst ergibt sich die Beziehung $x_{L} = λ_{1} (λ_{2} - λ_{3}) / (λ_{3} (λ_{2} - λ_{1}))$
für den Anteil x_L der Frischluft an dem Frischgas, und x_A = 1 - x_L für den Anteil des Abgases an dem Frischgas. Die genannte Beziehung ermöglicht eine rasche und genaue Berechnung des Abgasanteils an dem Frischgas.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei einem Abweichen des Anteils des zurückgeführten Abgases von einem Abgasrückführungssollwert der Anteil in Richtung des Abgasrückführungssollwerts verstellt wird. Mithilfe des Abgasrückführungssollwerts wird festgelegt, wieviel Abgas aus dem Abgastrakt in das Antriebsaggregat zurückgeführt werden soll. Wird nach dem Ermitteln des Anteils des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas festgestellt, dass der Anteil von dem Abgasrückführungssollwert abweicht, so wird der Anteil derart verstellt, dass er sich in Richtung des Abgasrückführungssollwerts verändert, insbesondere so lange, bis er dem Abgasrückführungssollwert entspricht. Besonders bevorzugt wird also eine Regelung des Anteils des zurückgeführten Abgases auf den Abgasrückführungssollwert vorgenommen. Hierdurch wird ein besonders effizienter Betrieb der Antriebseinrichtung realisiert.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, mit einem Abgas erzeugenden Antriebsaggregat, einem Abgastrakt zur Abführung des von dem Antriebsaggregat erzeugten Abgases in Richtung einer Außenumgebung sowie einer Abgasrückführeinrichtung zur Rückführung von Abgas aus dem Abgastrakt in das Antriebsaggregat, wobei die Antriebseinrichtung dazu vorgesehen und ausgestaltet ist, mit einem Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mit einem bestimmten Verbrennungsluftverhältnis betrieben zu werden.
Dabei ist die Antriebseinrichtung weiter dazu vorgesehen und ausgestaltet, aus einem vor einer Änderung eines Kraftstoffdurchsatzes des dem Antriebsaggregat zugeführten Kraftstoffs vorliegenden ersten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs, einem nach der Änderung vorliegenden zweiten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und einem nach der Änderung mittels einer in dem Abgastrakt angeordneten Lambdasonde gemessenen, den Restsauerstoffgehalt in dem Abgas beschreibenden Messwert einen Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas zu ermitteln.
Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung der Antriebseinrichtung wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Antriebseinrichtung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die in der Beschreibung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, insbesondere die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungsformen als von der Erfindung umfasst anzusehen, die in der Beschreibung und/oder den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen oder aus ihnen ableitbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche über ein Antriebsaggregat, einen Abgastrakt sowie eine Abgasrückführeinrichtung verfügt, sowie
2 mehrere Diagramme, in welchen ein Kraftstoffdurchsatz des dem Antriebsaggregat zugeführten Kraftstoffs und ein mittels einer in dem Abgastrakt angeordneten Lambdasonde gemessener Messwert über der Zeit aufgetragen sind.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung 1 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug. Die Antriebseinrichtung 1 umfasst ein Antriebsaggregat 2, mittels welchem ein Antriebsdrehmoment der Antriebseinrichtung 1 erzeugbar beziehungsweise bereitstellbar ist. Das Antriebsaggregat 2 liegt bevorzugt in Form einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Otto-Brennkraftmaschine oder einer Diesel-Brennkraftmaschine, vor. Das Antriebsaggregat 2 wird unter Verwendung eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs betrieben, welches unter Einhaltung eines bestimmten Verbrennungsluftverhältnisses zusammengestellt wird. Hierzu wird dem Antriebsaggregat 2 zum einen gemäß dem Pfeil 3 Frischgas und gemäß dem Pfeil 4 Kraftstoff zugeführt. Das Frischgas weist zumindest teilweise Frischluft auf, welches gemäß dem Pfeil 5 zugeführt wird.
Während des Betriebs des Antriebsaggregats 2 fällt Abgas an, welches vollständig einem Abgastrakt 6 der Antriebseinrichtung 1 zugeführt und über diesen in Richtung einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung 1 abgeführt wird. Die Antriebseinrichtung 1 verfügt weiterhin über eine Abgasrückführeinrichtung 7, von welcher hier lediglich beispielhaft eine Abgasrückführleitung 8 gezeigt ist. Mittels der Abgasrückführeinrichtung 7 ist Abgas aus dem Abgastrakt 6 erneut dem Antriebsaggregat 2 zuführbar. Hierzu wird das Abgas aus dem Abgastrakt 6 zumindest zeitweise zumindest teilweise dem Frischgas zugeschlagen, sodass sich das Frischgas zumindest zeitweise aus Frischluft und Abgas zusammen setzt. In dem Abgastrakt 6 liegt zudem wenigstens eine Lambdasonde 9 vor, mittels welcher ein Messwert gemessen wird, welcher einen Restsauerstoffgehalt des Abgases in dem Abgastrakt 6 beschreibt.
Die 2 zeigt zwei Diagramme, wobei in einem oberen der Diagramme ein Verlauf 10 eines Kraftstoffdurchsatzes des dem Antriebsaggregat 2 zugeführten Kraftstoffs über der Zeit t zeigt. Es ist erkennbar, dass sich der Kraftstoffdurchsatz in dem Zeitpunkt t₁ verändert, beispielsweise steigt er an, nämlich - rein beispielhaft - von 1 kg/h auf 2 kg/h.
In der 2 sind zwei Verläufe 11 und 12 des mittels der Lambdasonde 9 gemessenen Messwerts aufgetragen, ebenfalls über der Zeit t. Vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes in dem Zeitpunkt t₁ entspricht der Messwert gemäß beiden Verläufen 11 und 12 einem Verbrennungsluftverhältnis von 4. Dieses Verbrennungsluftverhältnis ändert sich mit der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes.
Der Verlauf 11 zeigt den Messwert ohne zurückgeführtes Abgas, der Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas ist also gleich null. In diesem Fall fällt das Verbrennungsluftverhältnis schlagartig von dem vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes vorliegenden ersten Verbrennungsluftverhältnis auf ein nach der Änderung vorliegendes zweites Verbrennungsluftverhältnis von 2 ab.
Wird hingegen mittels der Abgasrückführeinrichtung 7 Abgas aus dem Abgastrakt 6 in das Antriebsaggregat 2 zurückgeführt, so verändert sich das Verbrennungsluftverhältnis beziehungsweise der Restsauerstoffgehalt unmittelbar bei beziehungsweise nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes lediglich teilweise in Richtung des zweiten Verbrennungsluftverhältnisses. Bei einem Verhältnis von 1:1 zwischen Frischluft und Abgas in dem Frischgas fällt das Verbrennungsluftverhältnis gemäß dem Verlauf 12 rasch auf einen Wert von 2,6 ab und sinkt nachfolgend langsam weiter in Richtung des Verbrennungsluftverhältnisses von 2.
Dieser Umstand wird nun verwendet, um aus dem ersten Verbrennungsluftverhältnis, dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis und dem Messwert den Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas zu ermitteln. Dies ermöglicht eine sehr genaue Bestimmung dieses Anteils auf indirektem Weg, also ohne eine aufwendige direkte Messung des Anteils.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinrichtung
2: Antriebsaggregat
3: Pfeil
4: Pfeil
5: Pfeil
6: Abgastrakt
7: Abgasrückführeinrichtung
8: Abgasrückführleitung
9: Lambdasonde
10: Verlauf

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Antriebseinrichtung (1) über ein Abgas erzeugendes Antriebsaggregat (2), einen Abgastrakt (6) zur Abführung des von dem Antriebsaggregat (2) erzeugten Abgases in Richtung einer Außenumgebung sowie eine Abgasrückführeinrichtung (7) zu Rückführung von Abgas aus dem Abgastrakt (6) in das Antriebsaggregat (2) verfügt und das Antriebsaggregat (2) mit einem Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mit einem bestimmten Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem vor einer Änderung eines Kraftstoffdurchsatzes des dem Antriebsaggregat (2) zugeführten Kraftstoffs vorliegenden ersten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs, einem nach der Änderung vorliegenden zweiten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und einem nach der Änderung mittels einer in dem Abgastrakt (6) angeordneten Lambdasonde (9) gemessenen, den Restsauerstoffgehalt in dem Abgas beschreibenden Messwert ein Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgastrakt (6) eine Abgasreinigungseinrichtung vorliegt und der Messwert den Restsauerstoffgehalt in dem Abgas stromaufwärts der Abgasreinigungseinrichtung beschreibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbrennungsluftverhältnis vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes mittels der Lambdasonde (9) gemessen wird, und/oder dass das vor der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes vorliegende Verbrennungsluftverhältnis als erstes Verbrennungsluftverhältnis verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verbrennungsluftverhältnis nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes mittels der Lambdasonde (9) gemessen wird, und/oder dass das nach der Änderung des Kraftstoffdurchsatzes vorliegende Verbrennungsluftverhältnis als zweites Verbrennungsluftverhältnis verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert bei oder unmittelbar nach einer durch die Änderung verursachten Sprungantwort des Restsauerstoffgehalts in dem Abgas ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frischgasdurchsatz des dem Antriebsaggregat (2) zugeführten Frischgases über die Änderung hinweg konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführdurchsatz des in das Antriebsaggregat (2) zurückgeführten Abgases über die Änderung hinweg konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zurückgeführten Abgases mithilfe der Beziehung $x_{A} = 1 - λ_{1} (λ_{2} - λ_{3}) / (λ_{3} (λ_{2} - λ_{1}))$
ermittelt wird, wobei λ₁ das erste Verbrennungsluftverhältnis, λ₂ das zweite Verbrennungsluftverhältnis und λ₃ ein aus dem Messwert ermitteltes drittes Verbrennungsluftverhältnis beschreibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Abweichen des Anteils des zurückgeführten Abgases von einem Abgasrückführungssollwert der Anteil in Richtung des Abgasrückführungssollwerts verstellt wird.
Antriebseinrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Abgas erzeugenden Antriebsaggregat (2), einem Abgastrakt (6) zur Abführung des von dem Antriebsaggregat (2) erzeugten Abgases in Richtung einer Außenumgebung sowie einer Abgasrückführeinrichtung (7) zu Rückführung von Abgas aus dem Abgastrakt (6) in das Antriebsaggregat (2), wobei die Antriebseinrichtung (1) dazu vorgesehen und ausgestaltet ist, mit einem Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mit einem bestimmten Verbrennungsluftverhältnis betrieben zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (1) weiter dazu vorgesehen und ausgestaltet ist, aus einem vor einer Änderung eines Kraftstoffdurchsatzes des dem Antriebsaggregat (2) zugeführten Kraftstoffs vorliegenden ersten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs, einem nach der Änderung vorliegenden zweiten Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und einem nach der Änderung mittels einer in dem Abgastrakt (6) angeordneten Lambdasonde (9) gemessenen, den Restsauerstoffgehalt in dem Abgas beschreibenden Messwert einen Anteil des zurückgeführten Abgases an dem Frischgas zu ermitteln.