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DE19603472C2 - Verfahren zur Steuerung einer Abgasrückführvorrichtung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Steuerung einer Abgasrückführvorrichtung einer Brennkraftmaschine

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DE19603472C2
DE19603472C2 DE19603472A DE19603472A DE19603472C2 DE 19603472 C2 DE19603472 C2 DE 19603472C2 DE 19603472 A DE19603472 A DE 19603472A DE 19603472 A DE19603472 A DE 19603472A DE 19603472 C2 DE19603472 C2 DE 19603472C2
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exhaust gas
gas recirculation
lmb
air mass
agr
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Arno Friedrich
Klaus Wenzlawski
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Continental Automotive GmbH
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Siemens Corp
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Abgas­ rückführvorrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1 bzw 2.
Abgasrückführvorrichtungen bei Brennkraftmaschinen dienen dazu, den Stickoxidanteil im Abgas zu reduzieren. Da das Abgas der Brennkraftmaschine in seinen wesentlichen Bestandteilen ein Inertgas ist, kann durch Zumischen von Abgas zur angesaugten Ver­ brennungsluft die Verbrennungsspitzentemperatur gesenkt und damit der NOx-Ausstoß reduziert werden. Die HC- und CO-Emission der Brennkraftmaschine kann durch die Abgasrückführung nicht verrin­ gert werden. Die Menge des rückgeführten Abgases, im allgemeinen als Abgasrückführrate bezeichnet, muß sogar möglichst genau ein­ gestellt werden, da sonst ein Anstieg der HC- und CO-Anteile im Abgas erfolgt.
Die Einstellung dieser Abgasrückführrate erfolgt in der Regel über ein den Öffnungsquerschnitt einer den Abgastrakt mit dem An­ saugtrakt verbindenden Rückführleitung beeinflussendes elektrisch oder pneumatisch ansteuerbares Ventil.
In bekannten Motorsteuerungen wird die Ansteuergröße für das Ab­ gasrückführventil mit einem Steuer- oder Regelalgorithmus berech­ net. Nachteil einer reinen Steuerung ist die Ungenauigkeit der Abgasrückführrate, die sich aufgrund unterschiedlicher Umgebungsbedingungen sowie durch Streuungen der Stellmechanik unter­ einander ergibt. Durch eine Regelung lassen sich diese Unge­ nauigkeiten abfangen. Dabei wird im allgemeinen als Führungs­ größe der Regelungseinrichtung die aktuelle Luftmasse mit ei­ nem Luftmassenmesser erfaßt und mit einem Soll-Luftmassenwert verglichen. Eine solche Vorgehensweise hat den Nachteil, daß die eigentliche Abgasrückführrate, die ja die charakteristi­ sche Größe für die Abgasrückführung darstellt, nicht ersicht­ lich ist. Das Fehlen dieser Größe erschwert die Abstimmung unnötig.
Aus der DE 31 45 527 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Steuerung der vom Abgassystem einer Brennkraftma­ schine zur Saugseite rückgeführten Abgasmenge bekannt, bei der die angesaugte Luftmenge mit einem in Abhängigkeit von Last und Drehzahl gebildeten Sollwert verglichen wird. Bei einer Abweichung, die größer ist als ein Minimalbetrag, wer­ den Steuerimpulse für zwei Magnetventile gebildet, die je nach Abweichungsrichtung alternativ angesteuert werden und Druck aus zwei Druckquellen unterschiedlichen Niveaus im Ar­ beitsraum eines pneumatisch arbeitenden Stellgliedes eines Abgasrückführdosierungsventils leiten. Die Öffnungsdauer des jeweiligen Ventils ist abhängig von der Größe der Sollwertab­ weichung und bleibt bis zur gegenteiligen Korrektur ganz ge­ öffnet, wenn die Sollwertabweichung einen bestimmten Höchst­ betrag überschreitet. Die im Bereich zwischen minimaler und maximaler Abweichung vom Sollwert gebildeten Steuerimpulse werden jeweils nach einer bestimmten Wartezeit an die Magnet­ ventile weitergegeben, wobei die Wartezeit drehzahlabhängig gemacht werden kann.
Aus der DE 195 02 368 A1 ist ein Verfahren zur Bildung eines Signals bezüglich der bei einer Brennkraftmaschine rückge­ führten Abgasmenge bekannt. Dabei wird ein Signal für die rückgeführte Abgasmenge ausgehend von einem Signal für den der Brennkraftmaschine zugeführten Frischgasstrom und einem Signal für den der Brennkraftmaschine insgesamt zugeführten Gasstrom gebildet. Das Signal für den insgesamt zugeführten Gasstrom wird aus einer Reihe von Betriebskenngrößen wie zum Beispiel der Druck im Ansaugtrakt, der entweder mittels eines Sensors erfaßt werden oder aus Ersatzsignalen gebildet werden kann. Das Signal für die rückgeführte Abgasmenge kann mit ei­ nem dynamischen Korrektursignal versehen werden. Weiterhin kann das Signal für die rückgeführte Abgasmenge bei einem Ab­ gasrückführventil mit Lage-Rückmeldung zur Ermittlung eines adaptiven Korrektursignals verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer Abgasrückführvorrichtung anzugeben, mit dem auf einfache Weise die Abgasrückführrate auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 bzw 2 gelöst
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden unter Bezug­ nahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zei­ gen:
Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Brennkraft­ maschine mit einer Abgasrückführung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Bestimmung der Ansteuergröße für die Abgasrückführung mit der Abgasrückführrate als Führungsgröße und
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Bestimmung der Ansteuergröße für die Abgasrückführung mit der Luftmasse als Führungsgröße
In Fig. 1 ist eine Diesel-Brennkraftmaschine gezeigt, wobei nur diejenigen Teile der Brennkraftmaschine dargestellt sind, die für das Verständnis der Erfindung nötig sind. Über einen Ansaugtrakt 2 erhält der Motor 1 die zur Verbrennung notwendige Frischluft und über einen Abgastrakt 3 werden die Abgase nach Konvertierung in einem nicht dargestellten Abgaskatalysator ausgestoßen. Ein im Ansaugtrakt 2 angeordneter Luftmassenmesser 4 erfaßt die aktuell angesaugte Luftmasse und gibt ein dieser Luftmasse entsprechendes Signal LM an eine elektronische Steuerungseinrichtung 13 der Brennkraftmaschine ab. Zur Erhöhung der Zylinderfüllung und damit zur Leistungssteigerung des Motors 1 ist ein an sich bekannter Abgasturbolader vorgesehen, dessen Turbinenrad 5B im Abgastrakt 3 angeordnet ist und über eine strichliert dargestellte, nicht nä­ her bezeichnete Welle mit einem Verdichterrad 5A im Ansaugtrakt 2 in Wirkverbindung steht. Somit treiben die Abgase die Turbine und diese wiederum den Verdichter an. Der Verdichter übernimmt das Ansaugen und liefert dem Motor eine vorverdichtete Frischladung. Ein dem Verdichter nachgeschalteter Ladeluftkühler 5C führt die Verdichtungswärme über den Kühlwasserkreislauf des Motors 1 ab. Dadurch kann die Zylinderfüllung weiter verbessert werden.
Um den Abgasturbolader den Erfordernissen des Motors anzupassen, wird der Ladedruck der zugeführten verdichteten Frischluft mit Hilfe einer nicht dargestellten Ladedruckregelung geregelt. Damit wird der Motor vor zu hohen Ladedrücken in Abhängigkeit vom Be­ triebszustand und von Umgebungsbedingungen geschützt. Gleichzei­ tig kann die Drehzahl des Turboladers begrenzt und damit seine Lebensdauer erhöht werden.
Der Ladedruck PL und die Ladelufttemperatur TPL werden von ent­ sprechenden Sensoren 6 und 7 im Ansaugtrakt 2 sromabwärts des Ladeluftkühlers 5C erfaßt und an die elektronische Steuerungsein­ richtung 13 weitergegeben. Ebenso wird der Steuerungseinrichtung ein der Drehzahl N des Motors 1 entsprechendes Ausgangssignal ei­ nes Drehzahlsensors 12 zugeführt.
Zm Rückführen eines Teils des Abgases in der mit Pfeilsymbolen eingezeichneten Richtung ist eine Abgasrückführleitung 14 vorge­ sehen, die den Abgastrakt 3 mit dem Ansaugtrakt 2 derart verbin­ det, daß Abgas stromaufwärts des Turbinenrades 5B des Abgasturboladers abgezweigt wird und an einer Stelle stromabwärts des Lade­ luftkühlers 5C wieder in den Ansaugtrakt 2 zurückgeführt wird.
In die Abgasrückführleitung 14 ist ein pneumatisches Abgasrück­ führventil 15 eingeschaltet. Um die jeweils optimale Abgasrück­ führrate einzustellen, wird das Abgasrückführventil 15 von der elektronischen Steuerungseinrichtung 13 über einen elektropneuma­ tischen Wandler 9 mittels eines Tastverhältnisses TV angesteuert.
Der elektropneumatische Wandler 9 ist einerseits über eine Luft­ leitung 8 mit dem Ansaugtrakt 2 verbunden, wobei diese Leitung 8 in Strömungsrichtung der Ansaugluft gesehen vor dem Luftmassen­ messer 4 abzweigt und deshalb an dieser Stelle der Umgebungsdruck P_ATM herrscht, anderseits über eine Luftleitung 11 mit einer Un­ terdruck P_U erzeugenden Stelle des Motors 1 verbunden. Ausgangs­ seitig übt der elektropneumatische Wandler 9 über einen Steuer­ druck P_ST in einer Steuerleitung 10 auf das Abgasrückführventil 15 ein.
Anstelle des Systems elektropneumatischer Wandler/pneumatisches Abgasrückführventil kann auch ein elektrisch betätigtes Abgas­ rückführventil eingesetzt werden.
Anhand des Blockschaltbildes nach Fig. 2 wird eine erste Mög­ lichkeit zur Berechnung einer Ansteuergröße für die Abgasrückfüh­ rung angegeben, mit der sich die Abgasrückführrate direkt als Zahlenwert in % in der elektronischen Steuerungseinrichtung applizieren läßt. Als Führungsgröße dient dabei die Abgasrück­ führrate.
In dem Block 20 ist dabei der Motor der Brennkraftmaschine ein­ schließlich der für den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbeson­ dere für den Betrieb mit einer Abgasrückführung notwendigen Sen­ soren wie Luftmassenmesser, Drehzahlsensor, Druck- und Temperatur­ sensoren zusammengefaßt. In dem Block 21 wird eine theoretische Luftmasse ohne Abgasrückführung, auch als Basisluftmasse LMB be­ zeichnet, mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung berechnet:
mit: PL Ladedruck
Vh Zylinderhubvolumen
TPL Ladelufttemperatur (absolut)
R Gaskonstante
Aufgrund des unterschiedlichen Liefergrades bei unterschiedlichen Betriebspunkten des Motors muß diese Basisluftmasse LMB dem Be­ triebspunkt angepaßt werden. Dies erfolgt mit Hilfe eines Korrek­ turfaktors KF_LMB_FAK, der vom Betriebspunkt abhängig ist. In ei­ nem Speicher der elektronischen Steuerungseinrichtung 13 ist des­ halb ein erstes Kennfeld vorgesehen, in dem abhängig von der Last und der Drehzahl verschiedene Werte für den Korrekturfaktor KF_LMB_FAK abgelegt sind. Typische Werte für den Korrekturfaktor liegen zwischen 0,5 und 2,0.
Die betriebspunktabhängig korrigierte Basisluftmenge LMB ergibt sich somit zu
Es wird also die Luftmasse berechnet, die dem Motor bei gleichen Bedingungen ohne Abgasrückführung zugeführt würde.
Der Istwert der Abgasrückführrate AGR_IST berechnet sich aus die­ ser korrigierten Basisluftmenge LMB und der aktuellen, tatsäch­ lich vom Motor angesaugten Luftmasse, die vom Luftmassenmesser 4 (Fig. 1) gemessen wird und hier als Ist-Luftmasse LM_IST bezeich­ net ist, nach folgender Beziehung (Block 22):
AGR_IST = (1 - LM_IST/LMB) * 100 (3)
Zur Sollwertberechnung für die Regelung der Abgasrückführung ist ein weiteres Kennfeld vorgesehen, das in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl Werte für die Soll-Abgasrückführrate AGR_SOLL in % enthält (Block 23).
Zusätzlich kann dieser Sollwert AGR_SOLL noch von weiteren Para­ metern wie Kühlmitteltemperatur, Umgebungsdruck, Umgebungstempe­ ratur etc. abhängig gemacht werden.
Der aus dem Kennfeld ausgelesene Sollwert AGR_SOLL und der be­ rechnete Istwert AGR_IST werden einer Vergleichsstelle 16 zuge­ führt und mit der daraus ermittelten Differenz AGR_DIF aus Soll- und Ist-Abgasrückführrate wird ein Regler mit Proportional- oder Proportional/Integral-Verhalten betrieben (Block 24) und eine Stellgröße (Tastverhältnis TV) zur Ansteuerung des elektropneuma­ tischen Wandlers und damit zur Steuerung des Abgasrückführventils (Block 25) berechnet.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Ansteuergröße für die Abgasrückführung besteht darin, mit der anhand Gleichung (2) errechneten theoretischen Luftmasse und der Soll-Abgas­ rückführrate eine Soll-Luftmasse zu berechnen. Dann wird die Luftmasse zur Führungsgröße des Reglers und die Regeldiffe­ renz berechnet sich aus Soll-Luftmasse zu gemessener Luftma­ sse. Fig. 3 zeigt das zugehörige Blockschaltbild, wobei die­ jenigen Blöcke welche die gleichen Funktionen wie in der Fig. 2 aufweisen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Aus der theoretischen Luftmasse LMB (Block 21) und dem Sollwert der Abgasrückführrate AGR_SOLL, der abhängig von der Last und der Drehzahl aus einem Kennfeld ausgelesen wird, wird in Block 26 ein Sollwert für die Luftmasse LM_SOLL nach folgen­ der Beziehung berechnet:
LM_SOLL = LMB * (100% - AGR_SOLL) (4)
Dieser Sollwert LM_SOLL und der vom Luftmassenmesser gemesse­ ne Istwert LM_IST wird einer Vergleichsstelle 17 zugeführt und abhängig von der ermittelten Differenz LM_DIF aus Soll- und Ist-Luftmassenwert wird ein Regler mit Proportional- oder Proportional/Integral-Verhalten betrieben (Block 24) und ei­ ne Stellgröße (Tastverhältnis TV) zur Ansteuerung des elek­ tropneumatischen Wandlers und damit zur Steuerung des Abgas­ rückführventils (Block 25) berechnet.
Alternativ zur allgemeinen Gasgleichung läßt sich die theore­ tische Luftmasse mittels einer Reihe von Kennfeldern ermit­ teln, die in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes sowie des Ladedruckes und der Ansaugtemperatur abgestimmt werden müs­ sen.
Der wesentliche Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt in ei­ nem geringen Abstimmungsaufwand und die deutliche Darstellung der gewünschten und der tatsächlichen Abgasrückführrate. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren wurde an einem Dieselmotor erläutert, es läßt sich aber sowohl auch an einem Ottomotor mit Abgasrückfüh­ rung vorteilhaft einsetzen als auch bei Brennkraftmaschinen, die keinen Abgasturbolader aufweisen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Regeln der Abgasrückführrate einer mit einem Abgasrückführungssystem arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer den Abgastrakt (3) mit dem Ansaugtrakt (2) verbindenden Abgasrückführleitung (14), deren Öffnungsquerschnitt mittels eines steuerbaren Abgasrückführventils (15) beeinflußbar ist gekennzeichnet dadurch, daß
  • - ein theoretischer Luftmassenwert (LMB) berechnet wird, der der Brennkraftmaschine zum jeweiligen Zeitpunkt zugeführt werden würde, wenn keine Abgasrückführung aktiv wäre,
  • - dieser Luftmassenwert (LMB) entsprechend dem aktuellen Lie­ fergrad betriebspunktabhängig mittels eines Korrekturfak­ tors (KF_LMB_FAK) korrigiert wird,
  • - aus dem korrigierten theoretischen Luftmassenwert (LMB) und aus dem Istwert der Luftmasse (LM_IST) ein Istwert für die Abgasrückführrate (AGR_IST) berechnet wird,
  • - Sollwerte für die Abgasrückführrate (AGR_SOLL) in [%] be­ triebspunktabhängig gespeichert sind und
  • - aus dem Sollwert (AGR_SOLL) und dem Istwert (AGR_IST) der Abgasrückführrate die Differenz (AGR_DIF) gebildet und ei­ ner Regeleinrichtung (24) zugeführt wird, die das Abgas­ rückführventil (15) derart ansteuert, daß sich der Sollwert der Abgasrückführrate einstellt.
2. Verfahren zum Regeln der Abgasrückführrate einer mit einem Abgasrückführungssystem arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer den Abgastrakt (3) mit dem Ansaugtrakt (2) verbindenden Abgasrückführleitung (14), deren Öffnungsquerschnitt mittels eines steuerbaren Abgasrückführventils (15) beeinflußbar ist gekennzeichnet dadurch, daß
  • - ein theoretischer Luftmassenwert (LMB) berechnet wird, der der Brennkraftmaschine zum jeweiligen Zeitpunkt zugeführt werden würde, wenn keine Abgasrückführung aktiv wäre,
  • - dieser Luftmassenwert (LMB) entsprechend dem aktuellen Lie­ fergrad betriebspunktabhängig mittels eines Korrekturfak­ tors (KF_LMB_FAK) korrigiert wird,
  • - Sollwerte für die Abgasrückführrate (AGR_SOLL) in [%] be­ triebspunktabhängig gespeichert sind,
  • - aus dem korrigierten theoretischen Luftmassenwert (LMB) und aus dem Sollwert (AGR_SOLL) ein Sollwert für die Luftmasse (LM_SOLL) berechnet wird,
  • - aus diesem Sollwert (LM_SOLL) und dem Istwert der Luftmasse (LM_IST) die Differenz (LM_DIF) gebildet und einer Rege­ leinrichtung (24) zugeführt wird, die das Abgasrückführven­ til (15) derart ansteuert, daß sich der Sollwert der Abgas­ rückführrate einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der theoretische Luftmassenwert (LMB) mittels der allge­ meinen Gasgleichung
berechnet wird
mit PL: Druck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
Vh: Zylinderhubvolumen
TPL: Temperatur im Ansaugtrakt (absolut)
R: Gaskonstante
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der theoretische Luftmassenwert (LMB) aus einer Anzahl von Kennfeldern ermittelt wird, die in Abhängigkeit des Mo­ torbetriebspunktes, des Ansaugdruckes und der Ansaugtempera­ tur bestimmt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Differenz (AGR_DIF) ein Regler mit Proportional- oder Proportional/Integralverhalten betrieben wird, dessen Ausgang eine Stellgröße (TV) für das Abgasrückführventil liefert.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Differenz (LM_DIF) ein Regler mit Proportional- oder Proportional/Integralverhalten betrieben wird, dessen Ausgang eine Stellgröße (TV) für das Abgasrückführventil liefert.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Abgasrückführrate (AGR_SOLL) abhän­ gig von der Kühlmitteltemperatur und/oder der Umgebungstem­ peratur und/oder vom Umgebungsdruck in einem Kennfeld abge­ legt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert für die Abgasrückführrate (AGR_IST) nach folgender Gleichung berechnet wird:
AGR_IST = (1 - LM_IST/LMB) * 100
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Luftmasse (LM_SOLL) nach folgender Gleichung berechnet wird:
LM_SOLL = LMB * (100% - AGR_SOLL)
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der theoretische Luftmassenwert (LMB) mit einem Korrekturfak­ tor (KE_LMB_FAK) beaufschlagt wird, der den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
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