Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Abgasrückführung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, kann bedarfsweise eine Abgasrückführung vorgesehen sein, wodurch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine und insbesondere das Abgasverhalten verbessert werden soll. Die Brennkraftmaschine weist dazu mindestens eine Abgasleitung mit einer Abzweigung sowie eine an der Abzweigung von der Abgasleitung abzweigende Abgasrückführungsleitung auf. Vergleichbares gilt für Ausführungen, bei denen zwei Abgasleitungen mit je einer Abgasrückführungsleitung vorgesehen sind. Ein durch die Abgasleitung geführter Abgasstrom wird bedarfsweise an der Abzweigung in einen abgeleiteten Abgasteilstrom und einen rückgeführten Abgasteilstrom aufgeteilt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wird der rückgeführte Abgasteilstrom einem Ansaugluftstrom beigemischt . Die Verbrennungsbedingungen in der Brennkraftmaschine können auf diese Weise den Erfordernissen insbesondere hinsichtlich des Schadstoffgehaltes im Abgas angepaßt werden.

Unter verschärften Emissionsvorschriften ist eine präzise Einhaltung vorgegebener Verbrennungsparameter erforderlich, wozu auch eine genaue Einstellung der Abgasrückführungsrate gehört . Insbesondere bei Motorkonzepten mit einer hohen Abgasrückführungsrate bei hoher Last reagieren die Motoremissionswerte empfindlich auf Schwankungen der Abgasrückführungsrate. Zur Einhaltung der zulässigen Emissionswerte ist eine genaue Bestimmung der Abgasrückführungsrate erforderlich.

Die im Betrieb der Brennkraftmaschine tatsächlich eingestellte Abgasrückführungsrate läßt sich in bekannter Weise durch die in die Brennkraftmaschine ein- bzw. aus ihr heraustretenden Massenströme bestimmen. Es sind eine Vielzahl von Verfahren zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate bekannt, bei der ein eintretender Verbrennungsluftmassenstrom, eine Zylinderladung und/oder ein Abgasmassenstrom bestimmt wird. Zur Bestimmung der geeigneten Massenströme werden beispielsweise Drucksonden eingesetzt, mittels derer durch Messung z. B. des Staudruckes ein Volumenstrom bestimmt werden kann. Bei der Umrechnung des Volumenstromes in einen Massenstrom zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate geht die Gasdichte in die Berechnung ein. Die Gasdichte ist außer vom Druck auch von der Gastemperatur abhängig, in dessen Folge auch eine Temperaturmessung vorgenommen wird.

Die Messung der Temperatur eines Gasstromes ist träge. Insbesondere bei einem dynamischen, transienten Betrieb der Brennkraftmaschine kann der durch Messung ermittelte Temperaturwert von der tatsächlichen Temperatur erheblich abweichen. Die aus dem abweichenden Temperaturmeßwert ermittelte Abgasrückführungsrate kann insbesondere unter transienten Betriebsbedingungen dazu führen, daß eine Anpassung der Abgasrückführungsrate abseits vom erzielbaren Optimum erfolgt . Ein Überschreiten zulässiger Abgasgrenzwerte ist nicht auszuschließen. Dieser nachteilige Effekt kann noch verstärkt werden beispielsweise durch eine Versottung der Temperaturmeßsonde, die sogar im gleichmäßigen Betrieb der Brennkraftmaschine durch Meßfehler zu Fehleinstellungen der Abgasrückführungsrate führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgasrückführungsrate mit verbesserter Genauigkeit anzugeben.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .

Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Anordnung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst .

Es wird vorgeschlagen, daß ein jeweiliger Volumenstrom im abgeleiteten Abgasteilstrom und im rückgeführten Abgasteilstrom ermittelt wird, und wobei die Abgasrückführungsrate durch Quotientenbildung der beiden Volumenströme bestimmt wird. Dazu sind insbesondere zwei Differenzdrucksonden vorgesehen, von denen mindestens eine Differenzdrucksonde stromab der Abzweigung in der Abgasleitung und/oder in der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. Mittels der Differenzdrucksonden sind die entsprechenden Volumenströme in einfacher Weise zuverlässig und reaktionsschnell bestimmbar.

Die Abgasrückführungsrate ist definiert als der Quotient aus dem Massenstrom des rückgeführten Abgassteilstromes und dem Massenstrom des abgeleiteten Abgasteilstromes. Dabei ergibt sich der jeweilige Massenstrom aus dem Volumenstrom und der Gasdichte. Bei der erfindungsgemäßen Bestimmung der Abgasrückführungsrate wird davon ausgegangen, daß bei der Bildung des Quotienten der beiden Massenteilströme die Dichte der beiden Gasteilströme herausgekürzt werden kann, und daß es in der Folge ausreicht, zur Ermittlung der Abgasrückführungsrate lediglich einen Quotient der beiden entsprechenden Volumenstromwerte ■ zu bilden. Dadurch ist die Abgasrückführungsrate lediglich eine Funktion der beiden Volumenströme des abgeleiteten Abgasteilstromes bzw. des rückgeführten Abgasteilstromes. Die Gasdichte geht nicht mehr in die Berechnung der Abgasrückführungsrate ein. Auf eine Bestimmung der Gasdichte durch Messung der Temperatur und des Absolutdruckes kann verzichtet werden. Es ist lediglich eine Messung der beiden genannten Volumenstrόme erforderlich. Die Messung des jeweiligen Volumenstromes kann schnell ohne nennenswerte Verzögerung beispielsweise durch eine Differenzdruckmessung und insbesondere durch Messung des jeweiligen Staudruckes erfolgen. Auch im transienten Betrieb der Brennkraftmaschine liegen genaue Meßwerte und damit Werte der jeweils aktuellen Abgasrückführungsrate vor. Die Abgasrückführungsrate kann schnell auf den jeweils erforderlichen Wert eingestellt bzw. eingeregelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung ist auch unempfindlich gegen Störgrößen. Verschmutzungen an den Differenzdrucksonden treten im wesentlichen gleichmäßig auf. Dadurch hervorgerufene Meßfehler heben sich über die oben beschriebene Quotientenbildung zumindest näherungsweise auf.

In vorteilhafter Weiterbildung sind die beiden Differenzdrucksonden an Orten zumindest näherungsweise gleicher Gasdichte in der Abgasleitung bzw. in der Abgasrückführungsleitung angeordnet . Das oben beschriebene Herauskürzen der Gasdichte beider Abgasteilströme kann dabei ohne Korrekturfaktoren oder dgl . vorgenommen werden. Eine präzise rechnerische Bestimmung der Abgasrückführungsrate aus den beiden gemessenen Differenzdruck- bzw. Staudruckwerten kann mit einfachen Mitteln erfolgen.

Die beiden Differenzdrucksonden sind dabei zweckmäßig mit geringem Abstand zur Abzweigung angeordnet. Es ist sichergestellt, daß unterschiedliche Abkühlungseffekte oder dgl. in den beiden Abgasteilströmen unter allen Betriebsbedingungen und bei wechselnden Abgasrückführungsraten vernachlässigbar gering sind.

Die beiden Differenzdrucksonden weisen vorteilhaft bezogen auf den jeweiligen Strömungsweg in der Abgasleitung bzw. Abgasrückführungsleitung einen zumindest näherungsweise gleichen Abstand zur Abzweigung auf. Änderungen der Gasdichte hervorgerufen beispielsweise durch Abkühlung entlang des Strόmungsweges sind dabei in beiden Teilströmen zumindest näherungsweise gleich. Beide Differenzdruck- bzw. Staudruckmessungen beruhen auf einer zumindest näherungsweise gleichen Gasdichte, wodurch die berechnete Abgasrückführungsrate ohne Berücksichtigung der Gasdichte entsprechend genau ist .

Bei einer Ausbildung der Anordnung, bei der in der Abgasleitung stromab der Abzweigung ein Abgasturbolader vorgesehen ist, ist die Differenzdrucksonde zweckmäßig in Strömungsrichtung zwischen der Abzweigung und dem Abgasturbolader angeordnet. Hinsichtlich der Druckmessung unerwünschte Wechselwirkungen des Abgasturboladers mit der Gasdichte am Meßort sind ebenso wie eine möglicherweise daraus folgende verfälschte Bestimmung der Abgasrückführungsrate vermieden.

Die jeweilige Differenzdrucksonde ist vorteilhaft als Staudrucksonde zur Ermittlung des Staudruckes mittels Messung eines Gesamtdruckes und eines statischen Druckes im jeweiligen Abgasteilstrom ausgebildet. Es wird der Differenzdruck zwischen dem gemessenen Gesamtdruck und dem statischen Druck gebildet, wobei der Differenzdruck dem Staudruck entspricht. Der entstehende Meßwert des Staudruckes ist unabhängig von Schwankungen des statischen Umgebungsdruckes. Die daraus ableitbare Abgasrückführungsrate ist auch unter wechselnden klimatischen Umgebungsbedingungen präzise ermittelbar.

Die in oben beschriebener Weise ermittelte Abgasrückführungsrate wird zweckmäßig unter Berücksichtigung eines Kraftstoffanteiles im Abgasstrom korrigiert. Entsprechende Korrekturfaktoren dazu sind vorteilhaft in einem Kennfeld insbesondere in einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine gespeichert . Eine Anpassung insbesondere über in Form eines Kennfeldes gespeicherter Korrekturfaktoren hat sich als hinreichend genau herausgestellt. Auf eine Messung des Kraftstoffanteiles im Abgasstrom bzw. im rückgeführten Abgasteilstrom und den damit verbundenen meßtechnischen Aufwand kann verzichtet werden. Die schnelle, für dynamische Veränderungen geeignete Bestimmung der Abgasrückführungsrate über die Staudruckmessung ist nicht beeinträchtigt .

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 in einem schematischen Blockschaltbild eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung und einer Abgasrückführungsleitung mit je einer Staudrucksonde;

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung die Anordnung nach Fig. 1 im Bereich der Abzweigung in der Abgasleitung;

Fig. 3 eine Schematische Schnittdarstellung der Abgasleitung nach Fig. 2 mit einer Prinzipdarstellung der dort angeordneten Staudrucksonde;

Fig. 4 eine beispielhafte Darstellung eines Kennfeldes von Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung eines Kraftstoffanteiles im Abgasstrom bei der Ermittlung der Abgasrückführungsrate.

Fig. 1 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Brennkraftmaschine 1 und ein daran angeordnetes Motorsteuergerät 8. Von der Brennkraftmaschine 1 führt eine Abgasleitung 2, durch die ein gesamter Abgasstrom rriges abgeleitet wird. In der Abgasleitung 2 ist eine Abzweigung 3 vorgesehen, an der eine Abgasrückführungsleitung 4 von der Abgasleitung 2 abzweigt. Durch die Abzweigung 3 ist die Abgasleitung 2 in ein erstes Teilstück 10 und ein zweites Teilstück 11 aufgeteilt.

Im Betrieb wird der Brennkraftmaschine 1 ein Luftmassenstrom mL und ein Brennstoffmassenstrom mB zugeführt . Durch Verbrennung des Brennstoffmassenstromes mB mit dem Luftmassenstrom mL entsteht der gesamte Abgasstrom mgeS/ der zumindest durch das erste Teilstück 10 der Abgasleitung 2 abgeleitet wird. Der gesamte Abgasstrom πiges kann bedarfsweise an der Abzweigung 3 in einen abgeleiteten Abgasteilstrom mAbgas und einen rückgeführten Abgasteilstrom mAGR aufgeteilt werden. Der abgeleitete Abgasteilstrom m^gas wird dabei durch das zweite Teilstück 11 der Abgasleitung 2 ins Freie gefördert, während der rückgeführte Abgasteilstrom mAGR über die Abgasrückführungsleitung 4 dem Luftmassenstrom mL zugeführt wird.

Zur Bestimmung einer jeweils aktuellen Abgasrückführungsrate AGR beispielsweise entsprechend unten beschriebener Gleichungen werden die beiden Volumenströme des abgeleiteten Abgasteilstromes m.Abgas und des rückgeführten Abgasteilstrom mAGR bestimmt. Die beiden Volumenströme können durch eine beliebige geeignete Anordnung bestimmt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft stromab der Abzweigung 3 sowohl im zweiten Teilstück 11 der Abgasleitung 2 als auch in der Abgasrückführungsleitung 4 je eine Differenzdrucksonde 5, 6 angeordnet, wobei beide Differenzdrucksonden 5, 6 einen nur geringen Abstand zur Abzweigung 3 aufweisen. Es kann auch eine Ausführung zweckmäßig sein, bei der eine der beiden Differenzdrucksonden 5, 6 im ersten Teilstück 10 stromauf der Abzweigung 3 angeordnet ist, und wobei die jeweils verbleibende Differendrucksonde 6, 5 stromab der Abzweigung 3 im zweiten Teilstück 11 oder in der Abgasrückführungsleitung 4 vorgesehen ist. Dabei lassen sich durch Umrechnung der beiden ermittelten Druckwerte die beiden Volumenstromwerte im zweiten Teilstück 11 der Abgasleitung 2 und in der Abgasrückführungsleitung 4 bestimmen.

In der Abgasleitung 2 ist stromab der Abzweigung 3 ein Abgasturbolader 12 vorgesehen. Die Differenzdrucksonde 5 ist in Strömungsrichtung zwischen der Abzweigung 3 und dem Abgasturbolader 12 angeordnet .

Die beiden Differenzdrucksonden 5, 6 sind über Meßleitungen 9 mit dem Motorsteuergerät 8 verbunden. Mittels der Differenzdrucksonde 5 wird ein Staudruck ΔpAbgas im zweiten Teilstück 11 der Abgasleitung 2 und mittels der Differenzdrucksonde 6 ein Staudruck ΔpAGR des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR in der Abgasrückführungsleitung 4 gemessen. Die ermittelten Meßwerte werden dem Motorsteuergerät 8 über die jeweiligen Meßleitungen 9 zugeführt, wobei die Abgasrückführungsrate AGR beispielsweise entsprechend unten beschriebener Gleichungen im Motorsteuergerät 8 ermittelt wird.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht die Abgasleitung 2 nach Fig. 1 im Bereich der Abzweigung 3. Die beiden Differenzdrucksonden 5, 6 ragen entsprechend ihrer Zuordnung in das zweite Teilstück 11 bzw. in die Abgasrückführungsleitung 4 hinein, wobei sie bezogen auf den jeweiligen Strömungsweg in der Abgasleitung 2 bzw. in der Abgasrückführungsleitung 4 einen zumindest näherungsweise gleichen Abstand zur Abzweigung 3 aufweisen. Die Positionierung der Differenzdrucksonden 5, 6 ist dabei so gewählt, daß an ihrem Meßort bei unterschiedlichen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 1 (Fig. 1) eine Gasdichte pAGR des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR zumindest näherungsweise gleich einer Gasdichte Pabgas des abgeleiteten Abgasteilstromes mabgas ist.

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht der Differenzdrucksonde 5 und der Abgasleitung 2 als Beispiel für eine Anordnung gemäß Fig. 1 und 2. Die Abgasleitung 2 weist einen Strömungsquerschnitt A auf, der von dem abgeleiteten Abgasteilstrom m^gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit u durchströmt ist. Der Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit u über den Strömungsquerschnitt A ist schematisch durch eine einhüllende Kurve 19 angedeutet. Die Differenzdrucksonde 5 durchgreift die Abgasleitung 2 über ihren vollen Strömungsquerschnitt A und weist eine Anzahl über den Strömungsquerschnitt A verteilter Meßöffnungen 16, 17 auf. Die verteilte Anordnung der Meßöffnungen 16, 17 ist zum Ausgleich des nichtlinearen Verlaufs des durch die Kurve 19 angedeuteten Strömungsprofiles vorgesehen.

Die Differenzdrucksonde 5 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Staudrucksonde 7 ausgeführt, wobei sie insbesondere innerhalb der Abgasleitung 2 in zwei mittels einer Trennwand 15 voneinander getrennte Meßräume 13, 14 aufgeteilt ist. Der Meßraum 13 ist auf seiner der Strömungsgeschwindigkeit u zugewandten Seite mit den Meßöffnungen 16 versehen, in dessen Folge sich im Meßraum 13 ein Gesamtdruck pges des abgeleiteten Abgasteilstromes m^gas einstellt. Die Meßδffnungen 17 sind auf der der Strömungsgeschwindigkeit u abgewandten Seite des Meßraumes 14 angeordnet. Über die Meßöffnungen 17 stellt sich im Meßraum 14 ein statischer Druck pstat des Abgasteilstromes ein. Abweichend von der tatsächlichen Ausführung sind zur Verdeutlichung des Meßprinzips die beiden Meßräume 13, 14 über ein U-förmiges Teilstück miteinander verbunden, in dem sich eine Flüssigkeit befindet. Durch die Differenz zwischen dem Gesamtdruck pges und dem statischen Druck pstat bildet sich in der Flüssigkeit eine Flüssigkeitssäule 18 aus, deren Höhe H ein Maß für den Differenzdruck Δp ist. Der Differenzdruck Δp entspricht dem Staudruck Δp&bga.3 des abgeleiteten Abgasteilstromes m^gas. Der Staudruck ΔpAbgas ist in Verbindung mit dem bekannten und konstanten Strömungsquerschnitt A der Abgasleitung 2 ein Maß für den die Abgasleitung 2 durchströmenden Volumenstrom.

Die Differenzdrucksonde 6 in der Abgasrückführungsleitung 4 (Fig. 2) ist in analoger Weise aufgebaut. Die Differenzdrucksonden 5, 6 können bedarfsweise auch als Prandtlsches Staurohr, als Venturirohr, als Meßblende oder dgl . ausgeführt sein, wobei in vereinfachter Ausführungsform auf eine Messung des statischen Druckes verzichtet werden kann.

Der Wert des Differenzdruckes (=Staudruck) Δp kann entsprechend dem Prinzip nach Fig. 3 direkt in der Differenzdrucksonde 5, 6 gebildet und an das Motorsteuergerät 8 (Fig. 1) übermittelt werden. Es kann auch zweckmäßig sein, die einzelnen Meßwerte für den Gesamtdruck Pges und des statischen Druck pstat über die Meßleitungen 9 (Fig. 1) dem Motorsteuergerät 8 zuzuleiten, wo dann aus der Differenz beider Druckwerte pges, Pstat der Differenzdruck Δp gebildet wird.

Die Bestimmung der Abgasrückführungsrate AGR erfolgt entsprechend der nachfolgenden Rechenschritte. Dabei gelten folgende Definitionen:

A: Strömungsquerschnitt; p: Gasdichte; u: Gasstromgeschwindigkeit; ζ: Widerstandsbeiwert der Staudrucksonde (Konstante) .

Der Massenstrom eines Gasstromes berechnet sich aus :

m =p*A*u (Gleichung 1)

Für den mit der Staudrucksonde (5, 6) gemessenen Differenzdruck (=Staudruck) Δp gilt:

Δp (Gleichung 2) Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich der Massenstrom zu

(Gleichung 3)

Bei gleicher Gasdichte p im abgeleiteten Abgasteilstrom πiAbgas und im rückgeführten Abgasteilström mAGR wird eine unkorrigierte Abgasrückführungsrate AGR* aus Gleichung 3 wie folgt bestimmt, wobei die Gasdichte p des abgeleiteten Abgasteilstromes und des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR herausgekürzt ist:

AGR* (Gleichung 4)

Der rechte Teil der Gleichung 4 entspricht dabei einem Quotienten aus den beiden Volumenströmen des abgeleiteten Abgasteilstromes mAbgas und des rückgeführten Abgasteilstromes mAGR- Sofern also die beiden Differenzdrucksonden 5, 6 entsprechend Fig. 1 an Orten zumindest näherungsweise gleicher Gasdichte p angeordnet sind, ist die unkorrigierte Abgasrückführungsrate AGR* nach Gleichung 4 unabhängig von der Gasdichte p. Die Gasdichte p braucht nicht beispielsweise durch Messung der Temperatur und des Absolutdruckes im Abgasstrom bestimmt zu werden. Geringfügige Dichteunterschiede zwischen dem abgeleiteten Abgasteilstrom mAbgas und im rückgeführten Abgasteilström mAGR führen zu keiner erheblichen Verfälschung des Berechnungsergebnisses. Die unkorrigierte Abgasrückführungsrate AGR* läßt sich unter Berücksichtigung eines Kraftstoffanteils im Abgasstrom mges wie folgt in eine korrigierte Abgasrückführungsrate AGR überleiten.

Dazu sind Korrekturfaktoren f in einem Kennfeld beispielsweise nach Fig. 4 im Motorsteuergerät 8 (Fig. 1) gespeichert. Fig. 4 zeigt ein Kennfeld mit Korrekturfaktoren f in Abhängigkeit eines Motormomentes M und einer Drehzahl n der Brennkraftmaschine 1. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 stehen Meßwerte des Motormomentes M sowie der Drehzahl n laufend zur Verfügung. Abhängig davon wird aus dem Kennfeld der Korrekturfaktor f bestimmt. Ein typischer Wert des Korrekturfaktors f liegt im Bereich von 1.025 bis 1.045. Aus den Definitionen

ITlAbgas = mL + mB mZyi* f = mabgas + mAGR

mit

mB: Brennstoffmassenstrom mL: Luftmassenstrom mZyi: ZyIinderfüllung

ergibt sich:

AGR (Gleichung 5 )

Die korrigierte Abgasrate AGR berechnet sich demnach wie folgt : AGR = 7 n (Gleichung 6 ) (l+AGR )*f

Auch die korrigierte Abgasrate AGR ist unabhängig von der Gasdichte p; es kann auf eine Messung von Temperatur und Absolutdruck im Abgasstrom verzichtet werden.

Die Auswertung der Messungen mittels der Differenzdrucksonden 5, 6, die Bestimmung des relevanten Korrekturfaktors f sowie die entsprechenden Berechnungen der unkorrigierten und korrigierten Abgasrückführungsrate AGR*, AGR werden im Motorsteuergerät 8 vorgenommen. Abhängig vom Meß- und Berechnungsergebnis wird über das Motorsteuergerät 8 mittels geeigneter, nicht näher dargestellter Stelleinrichtungen eine Anpassung der Abgasrückführungsrate AGR durchgeführt .

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Anordnung sind beispielhaft an einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasleitung 2 und einer Abgasrückführungsleitung 4 gezeigt, können aber auch in entsprechender Weise bei einer Brennkraftmaschine mit zwei oder mehr Abgasleitungen 2 und Abgasrückführungsleitungen 4 zur Anwendung kommen.