AGR-KÜHLERS IN EINEM DIESEL-VERBRENNUNGSMOTOR

B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion und Prädiktion des Ver- sottungsprozesses im Abgasrückführungskühler eines Diesel-Verbren nungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor.

Derzeit verfügt das Motorsteuergerät über eine Diagnose-Funktion, die einen Fehler meldet, wenn der Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) be reits sehr stark versottet ist und der AGR-Massenstrom gegen Null geht. Dieses herkömmliche Verfahren generiert eine binäre Aussage über die Versottung. Zeigt es keinen Fehler, ist der AGR-Kühler nicht komplett ver sottet, sondern in einem beliebigen Zustand zwischen nicht versottet und vollständig versottet. Das Verfahren bietet keine Informationen über den derzeitigen und zukünftigen Systemzustand sowie Informationen über verschiedene Versottungsgrade zu verschiedenen Betriebszeiten. Diese Zwischenzustände (Abstufungsgerade der Versottung) sind jedoch wichtig, damit der Systemzustand zur jeder Zeit bekannt ist. Ist der Versottungsgrad zum Zeitpunkt eines Regelserviceintervalls hoch, hat der Service die Möglichkeit, den AGR-Kühler zu tauschen. Damit kann verhindert werden, dass ein potentieller Verschluss des AGR-Kühlers durch Versottung zwischen zwei Regelwartungsintervallen auftritt und eine Downtime des Motors ver ursacht. Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, welches den Versot tungsgrad eines AGR-Kühlers während der Betriebszeit des Motors erkennt und darüber hinaus auf Basis des Systemzustands und der Betriebszeit einen Forecast für den zukünftigen Versottungsverlauf berechnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen, das die oben genann- ten Nachteile vermeidet und eine Aussage über den aktuellen Zustand des Abgasrückführungskühlers gestattet.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Verbren nungskraftmaschine nach Anspruch 10 gelöst.

Der Vorteil zum bisherigen Verfahren ist, dass der Versottungsgrad des AGR-Kühlers zu jeder Zeit bekannt ist. Die Erkenntnis über den Systemzu stand ermöglicht eine frühzeitige Aussage, ob und wann eine Wartung des AGR-Kühlers notwendig ist (Predictive Maintenance). Weitere Vorteile sind:

1 . Das Verfahren ermöglicht es, bei potentieller Emissionsüberschreitung (NO _x ) durch Versottung des AGR-Kühlers frühzeitig einzugreifen.

2. Das Verfahren bietet die Möglichkeit zum frühzeitigen Verhindern von negativen Beeinflussungen im Abgasnachbehandlungssystem (z. B. Kristallisation im SCR).

3. Das Verfahren ermöglicht die Erhöhung der Motorlaufzeit.

Weitere wichtige Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevor zugten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

Abb. 1 : Visualisierung der Verfahrensschritte vom DoE Plan bis zur Hand lungsempfehlung,

Abb. 2: DoE Plan Drehmoment [Nm] Drehzahl [rpm], Kennfeldbereich hoher AGR-Rate unter der Dachkurve,

Abb. 3: schematische Darstellung der Berechnung im Motorsteuergerät aus Abb. 1 ,

Abb. 4: charakteristische Prozesstendenzen,

Abb. 5: Verlauf der Venturi Rohr Druckdifferenz in [%] bei 0 %, 70 % und bei 85 % Versottung,

Abb. 6: Verlauf der AGR Steller Positionsdifferenz in [%] bei 0 %, 70 % und bei 85 % Versottung. Im ersten Schritt wird der Ist-Zustand des AGR-Kühlers vermessen. Zur Er mittlung des Ist-Zustands des AGR-Kühlers benötigt das Verfahren Refe renzwerte. Als Referenz wird ein nicht versotteter AGR-Kühler mit Hilfe eines Design of Experiment Messplans am Prüfstand vermessen. Gemessen werden die folgenden drei Größen:

1 . Abgasrückführungs- Steller/Ventil Ist Position [%]

2. Venturi Differenzdruck in der AGR-Strecke [hPa]

3. Temperatur hinter AGR-Kühler [°C]

Diese drei Messgrößen (Soll-Werte) werden nachfolgend Referenzwerte genannt. Grundsätzlich berechnet das Verfahren die Differenzen zwischen den Ist- und den Referenzwerten. Die Referenzwerte werden zur Betriebs zeit mit Hilfe von zuvor auf die Referenzwerte trainierten künstlichen Neu ronalen Netzen berechnet (Regression). Die künstlichen Neuronalen Netze berechnen die Referenzwerte für den optimalen (neuwertigen) Zustand des AGR-Kühlers. Das optimale Verhalten zu trainieren ist von Vorteil, da dies wesentlich unkomplizierter ist als das Training von Fehlerzuständen, da diese zunächst reproduziert werden müssten, da AGR-Kühler mit verschie denen Versottungsgraden vermessen werden müssten, was einen hohen Aufwand bedeuten würde. Durch Subtraktion der zur Betriebszeit gemes senen Ist-Werte für die AGR-Stellerposition, der Venturi-Druckdifferenz, die Temperatur nach der AGR und den Referenzwerten werden Abweichungen identifiziert. Das Verhältnis der Abweichungen zueinander gibt Aufschluss über den Grad der Versottung zum Messzeitpunkt. Der Forecast wird mit tels Zeitreihenanalyse und Exponentieller Glättung zweiter Ordnung für jede Abweichung berechnet.

Die Referenzwerte oder auch Trainingsdaten werden am Prüfstand ermit telt. Dafür wird ein AGR-Kühler am Motor montiert, welcher sich in einem etwa neuwertigen Zustand befindet. Hierbei muss beachtet werden, dass der AGR-Kühler eine kurze Betriebszeit oder auch Warmlaufphase benö tigt, um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Die Referenzwerte wer den ausschließlich in einem Bereich unter der Dachkurve (Drehmoment zu Drehzahl) aufgezeichnet, in dem die AGR-Rate hoch ist. Um dies zu ge währleisten und den Prüfstandsaufwand zu reduzieren, wird für die Vermessung ein Design of Experiment (DoE) Messplan mit z. B. 600 Stützstel len erstellt, wie dies in Abb. 2 dargestellt wird. Das Prüfstandsystem liest den DoE Messplan ein, stellt die Stützstellen ein und vermisst autonom die selektierten Referenzwerte.

Im nächsten Schritt können die vermessenen Trainingsdaten zum Training der künstlichen Neuronalen Netze (kNN) verwendet werden. Nach dem erfolgreichen Training der Netze werden ihre Gewichte in die Steuergeräte- Software übertragen (Kalibrierung, siehe Punkt 4. in Abb. 1 ). Hierfür muss die Berechnung der künstlichen Neuronalen Netze gemäß Abb. 3 im Steuergerät hinterlegt sein.

Abb. 3 zeigt den schematischen Aufbau der Berechnung im Steuergerät. Vor jeder Berechnung eines Referenz wertes werden bestimmte Vorbedin gungen geprüft. Diese sollten z. B. sein: Umgebungsdruck, Öl- oder Kühl mitteltemperatur, Umgebungstemperatur, Ladeluftdruck, Drehzahl, Einspritzmenge, kurzzeitiger stationärer Betrieb, etc. Erst wenn sich alle Größen der Vorbedingungen in vordefinierten Bereichen bzw. Grenzen befinden (alle Vorbedingungen erfüllt), berechnen die Netze jeweils den aktu ellen Referenzwert. Die Berücksichtigung und Einhaltung der Vorbedingun gen sorgt dafür, dass die Ist- und Referenzwerte nur dann miteinander ver glichen werden, wenn der aktuelle Motorbetriebszustand mit dem Motorbe triebszustand während der DoE Vermessung identisch ist. Nur in diesem Fall sind Ist- und Referenzwerte vergleichbar! Sofern alle Vorbedingungen erfüllt sind, berechnet jedes Netz (kNNx) aus dem jeweiligen Eingangsvektor (Einspritzmenge und Drehzahl) den zum aktuellen Betriebszustand gehörigen Referenzwert (Pfeile). Nach der Berechnung folgt der Vergleich des Referenzwertes mit dem aktuellen (zur Laufzeit gemessenen) Ist-Wert. Von der Differenz wird das arithmetische Mittel über den vordefinierten Be obachtungszeitraum (Motorbetriebszeit) berechnet. Die gemittelte Differenz zwischen Ist- und Referenzwert ist eine Kennzahl für den aktuellen AGR- Kühlerzustand. Die Abhängigkeiten der Messwerte untereinander können durch folgende Tendenzen approximiert werden:

TAGR = Temperatur nach AGR Strecke [°C]

POSAGR = AGR Steller Position [%], 0 % geschlossen, 100 % voll geöffnet dPv _ent = Druckdifferenz am Venturi Rohr [hPa]

Sind alle drei Tendenzen nachweisbar, dann hat der Versottungsprozess bereits begonnen. Wenn der AGR-Kühler versottet, steigt als erstes die Temperatur hinter dem Kühler, da dieser durch Versottung der Kühlfläche weniger Kühlleistung erbringen kann. Der Anstieg der Temperatur hinter AGR-Kühler ist die erste messbare Differenz (T _A GR), die erkannt werden kann. Reduziert sich der Querschnitt im Kühler weiterhin, nimmt der Mas senfluss im AGR-Kühler ab, woraufhin der Differenzdruck im Venturi eben falls eine abnehmende Tendenz zeigt. Dies hat zur Folge, dass die Zylin- der-Füllungs-Regelung versucht, den Massenflussverlust auszugleichen, indem die Regelung den AGR-Steller weiter öffnet (als im nicht versotteten Zustand nötig wäre). Diese korrigierte AGR-Position (Offset) ist die zweite Differenz ( POS _A GR). die zu erkennen ist. Angenommen, der Querschnitt ver ringert sich massiv, dann wird ein Versottungsgrad erreicht, bei dem selbst die gänzliche Öffnung des AGR-Stellers nicht ausreicht, um den Soll-Mas- senfluss einzuregeln. Nun ist die dritte Differenz zu erkennen, nämlich die deutliche Abnahme des Differenzdrucks im Venturi-Rohr (dP _Ve nt)· Jetzt kön nen die mittleren Differenzen z. B. mit Schwellwerten (Linien) verglichen werden und abgeleitete Warnlevel definiert und gespeichert werden (vgl. Tabelle 1 ). Diese Warnlevels oder auch Zustandsindikatoren können über eine Diagnose-Software vom Service ausgelesen werden. Der Service hat nun die Möglichkeit, auf Basis der Zustandsindikatoren zu reagieren. Alter nativ könnten die Zustandsindikatoren via CAN Bus und Telemetrie zur weiteren Verarbeitung drahtlos kommuniziert werden.

In den nachfolgenden Abb. 5 und 6 wird die absolute mittlere Differenz im Venturi-Rohr und des AGR-Stellers über die Betriebszeit (sample time = 100 ms) exemplarisch dargestellt. Die untere Linie zeigt den Verlauf bei 0 % Versottungsgrad. (Ein„Grundbelag“ ist immer vorhanden, die 0 % sind somit eine theoretische Annahme.) Die mittlere Linie zeigt den Verlauf bei einem Versottungsgrad von 70 % und die obere Linie bei 85 %. Die Daten wurden am Motorprüfstand reproduzierbar gemessen und aufgezeichnet.

In Abb. 5 beträgt der Differenzdrift (Pfeile) von 0 % zu 70 % Versottungsgrad ca. 6 % und von 0 % zu 85 % ca. 50 % Drift.

Auch in Abb. 6 ist der Versottungsgrad eindeutig zu erkennen. Bei einem Versottungsgrad von 70 % ist ein Drift von 54 % messbar und bei einem Versottungsgrad von 85 % ist ein eindeutiger Drift von 180 % nachweisbar. Auch diese Messungen wurden am Motorprüfstand mit dem oben beschrie benen Verfahren durchgeführt und reproduzierbar vermessen. Als Grundla ge für die Messung dient ein hoch dynamisches Lastkollektiv, welches über mehrere Stunden vermessen wurde. Nach einer kurzen Einschwingphase (Erreichen der Betriebstemperatur) kann man den vorab definierten (ver- sotteter AGR-Kühler eingebaut) Versottungsgrad des AGR-Kühlers deutlich erkennen. Ein wichtiges Merkmal ist, dass der erkannte Versottungsgrad über die Lastkollektiv-Laufzeit konstant ist. Dies zeigt, dass das Verfahren auch bei hoch dynamischen Wechsellasten robust arbeitet.

Für die Prognose wird das Verfahren der Zeitreihenanalyse in Kombination mit dem Verfahren der Exponentiellen Glättung verwendet. Hierfür wird ein lineares Trendmodell verwendet zur stückweisen linearen Approximation (Forecast) des Prozesses. Durch Unterabtastung (Abtastung im Stundenbereich) wird der Prozess stark geglättet, was sich vorteilhaft auf die lineare Approximation auswirkt. Der Forecast wird jeweils für die drei absoluten gemittelten Differenzen vom Venturi-Rohr-Differenzdruck, der AGR- Stellerposition und der AGR-Temperatur hinter AGR-Kühler berechnet. Mit dem Forecast kann prognostiziert werden, wann ein Schwellwert erreicht bzw. überschritten sein wird.

Berechnung 1 . Ordnung als Zwischenwert: Z1 _t [%] = Zwischenwert der Exponentiellen Glättung 1 . Ordnung a = Glättungskonstante für Exponentiellen Glättung 1 . Ordnung

O _bsrv [%] = aktueller Wert der mittleren rel. Abweichung (^Position,

dPVenturi, etc.)

Z1 _t -i [%] = vorheriger Zwischenwert Zl _t = a · o _bsrv + (l - a) - Zl _{t- t} (2)

Berechnung 2. Ordnung:

Z2, [%] = Zwischenwert der Exponentiellen Glättung 2. Ordnung

ß = Glättungskonstante für Exponentiellen Glättung 2. Ordnung

Z1 _t [%] = Zwischenwert der Exponentiellen Glättung 1. Ordnung

Z2 _t-1 [%] = vorheriger Zwischenwert

Z2 _C = b · Z1 _ί + (ΐ - b) · Z2 _ί-1 (3)

Die Glättungskonstanten (a und ß) können mittels Felddaten und Simulation des Prozesses oder mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens ermittelt werden.

Nachdem die Exponentielle Glättung berechnet wurde (für den gesamten Forecast Horizont), werden die einzelnen Forecast-Ergebnisse z. B. in einem Datenarray (Forecast Vector Forecast _vec ) _mj t der Länge des Forecast Horizonts abgespeichert. Der gewünschte Forecast Wert Forecast _val ent spricht dem letzten Eintrag im Daten Array.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Zeitpunkt des vollkommenen Verschleißes zu berechnen. Anders ausgedrückt, wann bzw. zu welchem Zeitpunkt wird der maximale bzw. ein vorab definierter Versottungsgrad des AGR-Kühlers erreicht sein. Dies gelingt durch Anwendung der Formeln 4 bis 6. Es wird die Steigung m (mittlere Steigung) über den gesamten Forecast Horizont und der Y-Achsenabschnitt berechnet. Dann wird die Geradengleichung nach der (Rest-) Betriebszeit aufgelöst. °bsrvMax entspricht in diesem Fall 100 % Versottungsgrad.

Forecast _[ime [h] = Betriebszeit in Stunden bis Erreichen °hsrvMax

ObsrvMax [%] ⁼ Obere Schwelle des Verschleißes,

hier: 100 % Versottungsgrad

Steigung

b [%] Y-Achsenabschnitt

ZI t + FCH [%] = Zwischenwert der Exp. Glättung 1 . Ordnung zum

Zeitpunkt CH

FCH [ _h ] Forecast Horizont (z. B. 10 · 5 (Beobachtungsintervall) =

50 = Ch

^t + FCH-\[ %] Zwischenwert der Exp. Glättung 2. Ordnung zum

Zeitpunkt CH - 1

Forecast _vec [% ] Forecast Vektor der Länge FCH

^ observ [h] Beobachtungsintervall, eine Forecast Berechnung

Steigung m\

Das Vorhersageergebnis wird während der Laufzeit permanent überwacht. Dazu wird der Prognosefehler (MAPE, Mean Absolut Percentage Error, siehe Formel 7) periodisch bestimmt. Zeichnet sich eine zu hohe Abwei chung über mehrere Perioden ab, werden die Glättungskoeffizienten der Exponentiellen Glättung stärker angepasst. Ist die Abweichung gering, werden die Glättungsfaktoren gering oder nicht angepasst.

M [%] = MAPE

n = Anzahl der Prognosen

^A t [%] = aktueller Wert der mittleren rel. Abweichung

f't [%] = Prognostizierter Wert der mittleren rel. Abweichung

Die Prognose des erreichten Versottungsgrads bzw. der restlichen Be triebszeit wird mit dem Regelwartungsintervall des Verbrennungsmotors abgeglichen. Kann ein Regelwartungsintervall zeitlich nicht erreicht wer den, da die verbleibende Betriebszeit geringer ist als die Differenz aus Zeitpunkt des Regelwartungsintervalls und verbleibender Betriebszeit, wird der einzuhaltende Zeitpunkt der Wartung aufgrund des Versottungsgrads kommuniziert bzw. gespeichert. Kann das Regelwartungsintervall zeitlich er- reicht werden, wird der Status kommuniziert, dass der AGR-Kühler bei der nächsten Regelwartung getauscht werden sollte. Wird keine rechtzeitige Wartung des AGR-Kühlers durchgeführt, wird ein Diagnosestatus aktiviert.