Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate.

Eine Abgasrückführung wird zur Minderung von

Stickstoffoxiden (NO _x ) bei einer Verbrennung von Kraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise in Otto- oder Dieselmotoren, verwendet, um speziell bei Verbrennungskraftmaschinen vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte einzuhalten.

Es existieren bereits verschiedene Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate. Aus „Bargende, M.: Besonderheiten der thermodynamischen Analyse von DE- Ottomotoren in: MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001), S.56 bis 68" ist ein solches Verfahren bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate anzugeben .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Schätzung einer externen Abgasrückführrate wird die externe Abgasrückführrate iterativ anhand einer aktualisierter. ξrcnnrαu:τiternρe.LciLur geschätzt, wobei die aktualisierte Brennraumtemperatur aus einer vorgegebenen Brennraumtemperatur ermittelt wird.

Dabei wird die vorgegebene Brennraumtemperatur als Ausgangsgröße eines ersten Verfahrens verwendet. In diesem ersten Verfahren wird mittels der externen Abgasrückführrate und einem zurückgeführten Abgasmassenstrom eine ausgangsseitig an einem Abgasrückführungs-Kühler vorliegende Abgastemperatur des zurückgeführten Abgases ermittelt. Aus dieser wird anschließend eine Saugrohrtemperatur bestimmt.

In einem zweiten empirischen Verfahren wird aus dieser Saugrohrtemperatur die aktualisierte Brennraumtemperatur ermittelt. Die aktualisierte Brennraumtemperatur wird im weiteren Verlauf als Ausgangsgröße zur Durchführung des ersten Verfahrens verwendet.

Das erste und zweite Verfahren werden solange wiederholt, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium oder eine festgelegte Anzahl von Wiederholungen erreicht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren verknüpft die beiden Verfahren und thermodynamische Grundgleichungen zu einer iterativen Methodik.

Zusammenfassend ist es anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit einer Zylinderdruckmessung möglich, eine zylinderindividuelle Verbrennungsregelung zu realisieren und damit in vorteilhafter Weise eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoffs und eine Verringerung der in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Schadstoffe zu erreichen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

n=κ _^

Fig. 1 schematisch eine Anordnung mit einem

Verbrennungsmotor, dessen Frischluftzuführung, Abgasabführung und einer Abgasrückführung, und

Fig. 2 schematisch Abhängigkeiten bei einer Modellierung einer Brennraumtemperatur, und

Fig. 3 schematisch ein Flussdiagramm zu einer Bestimmung einer externen Abgasrückführrate .

Figur 1 stellt die Anordnung dar, die die Frischluftzuführung zu einer Verbrennungskraftmaschine 1, dessen Abgasabführung und eine Abgasrückführung zeigt.

Dabei durchströmt Frischluft L mit einer Temperatur T _am b sin Luftfilter 2. Anschließend erfasst ein Luftmassenmesser 3 einen Frischluftmassenstrom m _L und eine Temperatur Ti der angesaugten Frischluft L und einen Druck P ₁ .

Die Frischluft L wird einem Luftverdichter, z. B. einem Abgasturbolader 4, zugeführt und verdichtet, anschließend mittels eines Ladeluftkühlers 5 abgekühlt und anhand einer Drosselklappe 6 dosiert der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführt. An der Drosselklappe 6 werden eine Frischlufttemperatur T ₂ und ein Frischluftdruck p ₂ erfasst.

Ein durch eine Verbrennung eines Kraftstoffes in der Verbrennungskraftmaschine 1 entstehendes Abgas A wird mittels einer Abgasanlage 7 abgeführt und treibt den Abgasturbolader 4 an. Weiterhin wird mittels eines Sensors, insbesondere einer Lambdasonde, ein Restsauerstoffgehalt des Abgases A ermittelt, um ein Verhältnis der Frischluft L zu dem zugeführten Kraftstoff zur Verbrennung anzugeben. Dieses Verhältnis wird anhand eines Lambdawertes λ _a beschrieben.

Ein Teil des Abgases A wird über ein Abgasruckfuhrungsventil 8 dosiert der Frischluft L beigemischt. Hierdurch werden eine vollständige Verbrennung und daraus folgend eine Verminderung von Stickstoffoxiden in dem Abgas A erreicht. Vor der Zufuhrung des Abgases A zu dem Abgasruckfuhrungsventil 8 werden eine Abgastemperatur T3 und ein Abgasdruck P ₃ gemessen. Nach der Dosierung des Abgases A mittels des Abgasruckfuhrungsventils 8 wird das Abgas A anhand eines Abgasruckfuhrungskuhlers 9 abgekühlt der Frischluft L beigemischt.

An einem Saugrohr 10, mit dem ein Abgas-Frischluft-Gemisch AL der Verbrennungskraftmaschine 1 zufuhrbar ist, wird zusätzlich eine Saugrohrtemperatur T ₂ , _SR ermittelt.

Figur 2 zeigt Abhängigkeiten bei der Modellierung der Brennraumtemperatur T- ₈₀ bei einem Kurbelwinkel von -80°. Dabei wird anhand der Brennraumtemperatur T-so und einem, z. B. anhand von Drucksensoren, gemessenen Zylinderdruck p-so eine angesaugte Frischluftmasse m _An bestimmt. Der Kurbelwinkel beschreibt den Winkelversatz einer Kurbelwelle bezüglich einer Ausgangsposition, bei welcher sich ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine 1 an einem oberen Totpunkt befindet .

Anhand eines ersten Verfahrens Vl nach Mladek, welches in Figur 3 naher beschrieben ist, wird aus der der angesaugten Frischluftmasse m _An die externe Abgasruckfuhrungsrate X _AGR sowie der zurückgeführte Abgasmassenstrom m _AGR ermittelt.

Anhand eines fest vorgegebenen Kennfelds 11 sowie der gemessenen Abgastemperatur T ₃ wird im weiteren Verlauf die άubydngsseitig am Abgasruckfuhrungs-Kuhler 9 vorliegende Abgastemperatur T ₃ , _κ berechnet.

Aus der Abgastemperatur T ₃ , _κ wird die Saugrohrtemperatur T ₂ , SR abgeleitet, die als Ausgangsgröße für ein zweites, empirisches Verfahren 2 dient.

Anhand von diesem zweiten Verfahren V2 nach Zapf, welches in Figur 3 näher beschrieben ist, wird aus der Saugrohrtemperatur T ₂ , _SR die aktualisierte

Brennraumtemperatur T-so,k ₊ i ermittelt. Diese aktualisierte Brennraumtemperatur T_ ₈ o, _k+ i wird im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen, iterativen Verfahrens als Ausgangsgröße des ersten Verfahrens Vl verwendet.

Die Iteration des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, weil zu einer Ermittlung der angesaugten Frischluftmasse m _AN sowie der externen Abgasrückführungsrate X _AGR die

Brennraumtemperatur T_ ₈ o bekannt sein muss, diese sich jedoch ohne eine Kenntnis der Abgasrückführungsrate X _AGR und der angesaugten Frischluftmasse m _An nicht schätzen lässt.

Figur 3 stellt anhand des Flussdiagramms einen Signalfluss zur Bestimmung der externen Abgasrückführrate X _AGR dar. Zu Beginn der Iteration wird eine Anfangsbedingung gesetzt. Diese Anfangsbedingung beinhaltet eine geschätzte vorgegebene Brennraumtemperatur T_ ₈ o • Weiterhin gibt eine Zählvariable k an, in welchem Durchlauf sich die Iteration befindet. Aus diesem Grund besitzt die Zählvariable k zu Beginn der Iteration den Wert k=0.

Im weitern Verlauf berechnet sich in dem ersten Verfahren Vl aus der vorgegebenen Brennraumtemperatur T-so,k' einem Brennraumdruck p-so,k und einem Brennraumvolumen V_so,k die angesauyle Frischluttmasse m _An , _k , aus der die externe Abgasrückführrate X _AGR geschätzt wird. Ferner werden der

Abgasdruck p ₃ vor dem Abgasturbolader 4. die

Abgastemperatur T ₃ vor dem Abgasrückführungs-Kühler 9 und ein minimales Volumen V _m i _n bei der Bestimmung der angesaugten Frischluftmasse m _An , _k berücksichtigt. R _L stellt die spezifische Gaskonstante von Luft dar.

m P-8Q - ^V -80 P3 ^{' V} min

αn,k ^~

Rf T- _{80 ^} Rrh _^ ^' [ 1 ]

Gesamtmasse Restgasmasse

Mit einer Ladungseffizienz η _c ergibt sich die Schätzung der externen Abgasrückführrate X _AGR - Die Ladungseffizienz η _c gibt ein Maß für eine Qualität einer Zylinderladung an. Sie ist definiert als ein Verhältnis von minimal benötigter Masse m _m zu tatsächlich vorhandener Masse m _tot in dem Brennraum 10 der Verbrennungskraftmaschine 1 gemäß:

_ ^m min

ηc = [2]

Dabei ergibt sich die Ladungseffizienz η _c in weiterer Auflösung zu:

1c,k = ^C { ^N > ^H 50 ) ^{' T} -80,k ^■ P ^r o ' j- 3 ]

Korrekturfunktionen

wobei eine Konstante C von einer Drehzahl N und einer Lage eines Verbrennungsschwerpunktes H ₅₀ abhängt und pr ₀ ein durch ein Offset korrigiertes Druckverhältnis darstellt.

Mit der Ladungseffizienz η _c ergibt sich die externe Abgasrückführrate X _AGR anhand einer Schätzung zu:

^x AGR,k ^~ ' ~ 7c,* .-, _ Z ₁ . \ - [ 4 :

Dabei gibt L _st ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis an und CoC bezeichnet eine Vollständigkeit einer Verbrennung.

Aus der in Gleichung [1] berechneten angesaugten Frischluftmasse m _An , _k und der in Gleichung [4] ermittelten Abgasrückführrate X _AGR , k lassen sich die angesaugte Frischluftmasse m _L , _k und die Abgasmasse m _AGR , y in dem Brennraum 10 errechnen gemäß:

mL,k = ( ¹ - ^χ AGR,k )-^An,k ' C ⁵ I mAGR,k ^{= x} AGR,k ' ^m An,k ^' f 6 ]

Unter der Annahme, dass die in dem Brennraum 10 enthaltene Abgasmasse πIA _G R, k dem durch den Abgasrückführungskühler 9 zurückgeführten Abgasmassenstrom m _ACR während eines Arbeitsspiels gemäß:

¹ ^AGR,k ^{≡ m} AGR,k [ 7 ]

entspricht, ist mit Hilfe des Kennfelds 11 die ausgangsseitig am Abgasrückführungs-Kühler 9 vorliegende Abgastemperatur T ₃ , _κ ermittelbar gemäß:

^T 3,K,k = ^f { ^T 3.™AGR,k) ■ ^[ 8 ^]

Die in Gleichung [7] gemachte Annahme gilt entsprechend für die angesaugte Frischluftmasse m _L , _k . Gemäß einer Lhermodynamischen Gleichung für eine adiabatische Mischung

idealer Gase ergibt sich bei Vernachlässigung spezifischer Wärmekapazitäten die Saugrohrtemperatur T ₂ , _SR ZU:

τ _ ™L,k ^' ^2 ⁺ ™AGR,k ^' h,K,k _{r o} .

'2,SRJc ~ : —. ^• I y J mL,k ^{+ m} ACR,k

Anhand des empirischen zweiten Verfahrens V2 lassen sich aus der Saugrohrtemperatur T ₂ , _S R eine Temperatur T _üT ,k an einem unteren Totpunkt des Kolbens der Verbrennungskraftmaschine 1 und in Verbindung mit einer näherungsweise polytropen Verdichtung die aktualisierte Brennraumtemperatur T_ ₈ o,k+i ermitteln gemäß:

über eine änderung von einer vorhergehenden Brennraumtemperatur T-8 ₀ ,k auf die aktualisierte Brennraumtemperatur T-so,k ₊ i lässt sich ein Abbruchkriterium ξ für die Iteration festlegen. Diese endet, wenn die Bedingung

erfüllt ist. Falls dies nicht so ist, wird die Iteration bis zu einer vorgegebenen maximalen Anzahl k+ durchlaufen.