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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen der Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine
mittels Druckerfassung, bei dem Abgas von einer Auslassseite einer
Brennraumanordnung über
einen Abgasrückführungskanal
zu einer Einlassseite der Brennraumanordnung zurückgeführt wird.
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Ein
derartiges Verfahren ist in der
DE 42 03 235 A1 angegeben. Bei diesem bekannten
Verfahren werden mittels einer Ausfalldiagnosevorrichtung einer
Abgas-Rückführungs-Steuereinrichtung
in einer Ansaugleitung aufeinander folgend Druckwerte erfasst und
die aufeinander folgenden Druckwertdifferenzen akkumuliert. Aus
dem akkumulierten Wert wird durch Vergleich mit einem vorgegebenen
Wert eine Ausfalldiagnose der Abgasrückführ-Steuereinrichtung durchgeführt. Bei
einem derartigen indirekten Verfahren müssen für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
sorgfältige
Anpassungen vorgenommen werden, um Fehldiagnosen zu vermeiden. Der
erforderliche Aufwand ergibt zusätzlich
höhere Kosten.
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Bei
einem in der
US 5,664,548 vorgeschlagenen
weiteren Verfahren dieser Art werden auf der Auslassseite der Brennkraftmaschine
Pulsamplituden der Abgasströmung
erfasst, um den Zustand der Abgasrückführung zu ermitteln. Auch diese
indirekte Vorgehensweise ist relativ aufwendig. Dabei sind weitere
Sensoren nachteilig und insbesondere Sensoren, die dem Abgasstrom
ausgesetzt sind, sind starken Temperaturbelastungen und Störungen durch
Partikelablagerungen unterworfen.
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Unter
Abgasrückführung (AGR)
ist vorliegend die dosierte Einleitung von Abgas von der Ausgangsseite
der Brennkraftmaschine in den Ansaugbereich zu verstehen. Dazu wird üblicherweise
durch die vorhandene Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine ein
Abgasrückführventil
in Abhängigkeit
von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gesteuert.
Wenn aber das Ventil nicht den erwarteten Abgasmassenstrom dosiert
(z.B. wegen unvollständiger Öffnung des
Ventils durch Verschmutzung und Ablagerungen oder Querschnittsverringerungen
im Wege des Abgases von der Abgasseite der Brennkraftmaschine zur
Luftansaugseite), werden zulässige
Grenzwerte für
die Abgasemissionen über schritten
und nicht optimale Steuersignale (z.B. Zündzeitpunkt) durch die Steuervorrichtung ermittelt.
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Neben
den vorstehend genannten Verfahren zur Überwachung der Abgasrückführung sind
noch verschiedene andere Grundprinzipien bekannt. Hierzu gehören eine
Messung und Überwachung
der durch die aktive Abgasrückführung hervorgerufenen Temperaturänderungen,
wobei sich ein Temperatursensor zwischen dem Abgasrückführventil
und dem Ansaugbereich befindet, wie z.B. in der
US 6,085,732 angegeben. Auch eine
Messung und Überwachung des
durch die aktive Abgasrückführung hervorgerufenen
Gasmassenstroms ist vorgeschlagen worden. In der
DE 42 24 219 A1 ist eine Überwachung
des Stickoxyds im Abgas mit einem NOx-Sensor und Rückschluss
auf die Rate der Abgasrückführung vorgeschlagen,
während
die
DE 42 16 044 A1 eine
Beobachtung des Anstiegs der Verbrennungsaussetzer-Rate mit zunehmender Öffnung des
Abgasrückführventils
offenbart.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereit zu stellen, mit dem bei möglichst geringem Aufwand eine
möglichst
zuverlässige Überwachung
der Abgasrückführung erreicht
wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei
ist vorgesehen, dass in mindestens einem Brennraum ein Druckverlauf
erfasst wird und daraus eine thermodynamische Kenngröße als Ist-Wert
ermittelt wird, dass ein den aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
berücksichtigender
Soll-Wert der Kenngröße bereitgestellt und
eine Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert bestimmt wird und
dass aus der Abweichung eine Information über den aktuellen Zustand der
Abgasrückführung im
Vergleich zu deren Normalzustand gewonnen wird.
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Mit
diesen Maßnahmen
wird ein direktes Verfahren erhalten, wobei das System zur Überwachung der
Abgasrückführung keine
zusätzliche
Sensoren benötigt
und der Verbrennungsablauf direkt analysiert wird. Das Verfahren
macht sich die vorhandene Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine
zunutze, die mit Aufnehmern für
den Brennraum- bzw. Zylinderdruck für zumindest einen, beispielsweise
jeden zu überwachenden
Zylinder der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Steuereinrichtung
wirkt in üblicher Weise
auch auf das Abgasrückführventil,
um den für den
optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Abgas-Massenstrom einzustellen.
Der Verlauf des Zylinderdrucks und gegebenenfalls davon abgeleitete
Größen werden
als Eingangssignal für verschiedene
Steuerungsfunktionen in der Steuereinrichtung verwendet. Ausgangssignale
der Steuerung sind z.B. Steuersignale für die Kraftstoffzumessung und
die Steuerung der Zündung
des Brennstoff-Luft-Gemisches.
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Das
Verfahren beruht auf der bekannten Abhängigkeit des Verbrennungsablaufs
von dem relativen Anteil des zurückgeführten Abgases
an der Gesamtfüllung
jedes Zylinders mit Luft und Kraftstoff. Je gößer dieser relative Anteil
an Abgas ist, desto länger dauert
die Umsetzung des Kraftstoffes während
der Verbrennung. Dies ist durch den Charakter des Abgases als Inert-Gas
zu erklären,
das keinen Beitrag zur chemischen Reaktion von Kraftstoff und Luft-Sauerstoff
lie fert. Die Bestimmung der Umsetzung des Kraftstoffes erfolgt durch
die Anwendung thermodynamischer Berechnungen. Wesentliche Eingangsgröße der thermodynamischen
Berechnung ist der gemessene Zylinderdruck. Das Resultat dieser
Berechnung für
einen in der Regel vollständigen Verbrennungszyklus
wird dann in der Steuereinrichtung mit einem Soll-Wert verglichen.
Der Soll-Wert wird vorzugsweise während der Ermittlung der Steuerparameter
für die
Brennkraftmaschine für
verschiedene relative Anteile der Abgasrückführung an den für die Überwachung
zu erwartenden Betriebspunkten der Brennkraftmaschine (z.B. Drehzahl
und Luftfüllung
sowie Betrag der Ansteuerung des Abgasrückführventils) in der Regel im
Prüfstand
einmalig ermittelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens für eine zuverlässige Überwachung
der Abgasrückführung besteht
darin, dass als thermodynamische Kenngröße eine Zeitdifferenz oder
eine Kurbelwellen-Winkeldifferenz zwischen einem prozentualen Energieumsatzpunkt
und einem in der Steuereinrichtung bekannten Bezugszeitpunkt oder
Bezugswinkel zugrunde gelegt wird.
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Eine
einfache Vorgehensweise mit zuverlässiger Messung wird dadurch
begünstigt,
dass der Druckverlauf durch Abtasten zu festen Kurbelwellen-Winkeln
oder Zeitabständen
erfasst wird und die abgetasteten Druckwerte als Datenfolge während zumindest
eines Teils eines Verbrennungszyklus abgespeichert werden.
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Eine
für die
Auswertung vorteilhafte Vorgehensweise wird auch dadurch erreicht,
dass die thermodynamische Kenngröße auf der
Grundlage des Druckverlaufs aus einem Brennverlauf, bei dem die insgesamt
freigewordene Wärmemenge
berechnet wird, oder aus einem Heizverlauf, bei dem die dem Brenngas zugeführte Wärmemenge
berechnet wird, während
zumindest eines Teils eines Verbrennungszyklus ermittelt wird.
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Zum
Ermitteln der thermodynamischen Kenngröße ist vorteilhaft vorgesehen,
dass der Heizverlauf nach dem Zusammenhang dQh = dU + p·dV berechnet
wird, wobei dQh die zugeführte
Wärmemenge,
dU die Erhöhung
der inneren Energie des Brenngases und p·dV die abgegebene mechanische Arbeit
bedeuten, und dass aus der zugeführten
Wärmemenge
dQh durch Integration über
den Kurbelwellen-Winkel ein prozentualer Anteil des Energieumsatzes
ermittelt wird.
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Im
Einzelnen ergibt sich ein günstiger
Verfahrensablauf dadurch, dass der prozentuale Energieumsatzpunkt
nach der Formel Qi =
[n/(n - 1)]·pi·(Vi+1 – Vi-1)·[1/(n – 1)]+Vi·(pi+1 – pi-1)berechnet wird, wobei n den Polytropenexponenten, p
den Druck im Brennraum, V das Zylindervolumen und i einen laufenden
Index des abgetasteten und gespeicherten Zylinderdrucks von Beginn
bis zum Ende eines Berechnungsintervalls bedeuten, oder aus einer
aus dieser Formel abgeleiteten Formel berechnet wird, und dass der
prozentuale Energieumsatz durch Integration der Wärmemengen
Qi über
einen vollständigen
Arbeitszyklus nach Bestimmen des 100 %-Energieumsatzes ermittelt
und daraus der dem prozentualen Energieumsatz entsprechende Kurbelwellen-Winkel
bestimmt wird.
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Eine
zuverlässige Überwachung
der Abgasrückführung wird
z.B. dadurch erzielt, dass als prozentualer Energieumsatzpunkt der
50 % Energieumsatzpunkt zugrunde gelegt wird.
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Weiterhin
sind für
die Überwachung
der Abgasrückführung die
Maßnahmen
vorteilhaft, dass die Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert
mit einem positiven und nega tiven Grenzwert verglichen wird, die
die Toleranzen der Kenngrößenberechnung und
des Soll-Wertes berücksichtigen.
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Verschiedene
Möglichkeiten
zum Erfassen des Druckverlaufs bestehen darin, dass der Druckverlauf
direkt mittels eines in mindestens einem Brennraum angeordneten
Sensors oder indirekt bestimmt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich dadurch,
dass die ermittelten Abgasrückführungsdaten
in der Steuereinrichtung für
eine Fehlerdiagnose mit Fehlerabspeicherung und/oder Fehleranzeige
und/oder für
Steuerungszwecke, insbesondere Nachregulierung eines Abgasrückführventils,
ausgewertet werden.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
vorliegend wesentlicher Teile einer Brennkraftmaschine und
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2 ein Ablaufdiagramm der Überwachung
einer Abgasrückführung.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt in schematischer
Darstellung eine Zylinderanordnung einer Brennkraftmaschine mit
Zylindern ZYL1, ZYL2 ... ZYLn, die zwischen ihrer (nicht dargestellten)
Ausgangsseite zu ihrer (ebenfalls nicht dargestellten) Eingangsseite
beziehungsweise ihrem Ansaugbereich über einen Abgasrückführkanal
ARK mit darin angeordnetem Abgasrückführventil ARV für die Abgasrückführung AR
verbunden ist. Üblicherweise
ist dabei für
alle Zylinder ZYL1 ... ZYLn gemeinsam eine derartige Abgasrückführung AR
vorgesehen, jedoch auch eine individuelle Abgasrückführung AR über jeweilige Abgasrückführkanäle ARK ist
denkbar. Die Zylinder ZYL1 ... ZYLn sind mit jeweiligen Druckaufnehmern
PA für
den Brennraum- bzw. Zylinderdruck versehen, deren Signale einer
Steuereinrichtung ST zur Verarbeitung, Auswertung und gegebenenfalls
Ansteuerung des Abgasrückführventils
ARV zugeführt
werden. Bei der Steuereinrichtung ST handelt es sich um eine übliche Motor-Steuereinrichtung,
die eine Vielzahl von Überwachungs-
und Steuerungsfunktionen der Brennkraftmaschine erfüllt und
unter anderem mit geeigneten Speichereinrichtungen versehen ist,
um z.B. vorgegebene Werte und ermittelte Werte abzuspeichern und
etwa eine Fehlerdiagnose durchzuführen.
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2 zeigt einen Verfahrensablauf
bei der Überwachung
der Abgasrückführung AR.
Nach einem Beginn eines Arbeitszyklus in einem Schritt S1 (z.B.
Einspritzzeitpunkt oder Zündzeitpunkt)
wird in einem Schritt S2 der Zylinderdruck bei vorzugsweise einem
festen Kurbelwellenwinkel abgetastet und erfasst und in einem Schritt
S3 gespeichert. Anschließend
wird in einem Schritt S4 festgestellt, ob der Arbeitszyklus (z.B.
bei einem bestimmten abgefallenen Zylinderdruck oder Kurbelwellenwinkel)
beendet ist. Falls der Arbeitszyklus nicht beendet ist, werden die vorangegangenen
Schritte wiederholt, bis das Ende des Arbeitszyklus festgestellt
wird. Danach wird der Ist-Wert einer für die Abgasrückführung charakteristischen
thermodynamischen Kenngröße in einem Schritt
S5 ermittelt und aus einer Speichertabelle oder einem zuvor gespeicherten
Kurvenverlauf in der Steuereinrichtung der den aktuellen Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine entsprechende Soll-Wert in einem Schritt
S6 bereit gestellt. Bei einem anschließenden Soll-Wert/Ist-Wert-Vergleich
in einem Schritt S7 wird festgestellt, ob die Abweichung größer als
ein vorgegebener Grenzwert ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird in
einem Schritt S8 festgestellt, ob die Abweichung zwischen Soll-Wert
und Ist-Wert einen weiteren vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
Falls in dem Schritt S7 oder dem Schritt S8 festgestellt wird ,
dass der Grenzwert überschritten beziehungsweise
unterschritten ist, wird in einem Schritt S9 eine Information über einen
Fehler bei der Abgasrückführung beziehungsweise
des Abgasrückführsystems
gespeichert. Mit dieser Information kann dann mittels der Steuereinrichtung
eine Diagnoseanzeige gesteuert oder es können weitere oder andere Steuerungsfunktionen,
beispielsweise eine Nachregulierung des Abgasrückführventils ARV zur Anpassung
an einen versotteten Abgasrückführkanal
ARK, ausgelöst
werden.
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Der
Soll-Wert, der als Parameter in der Steuereinrichtung abgelegt ist,
berücksichtigt
den aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine z.B. entsprechend
der Drehzahl, der Luftfüllung
oder einer eingestellten Abgasrückführrate.
Die beiden vorgegebenen Grenzwerte berücksichtigen die Toleranzen bei
der Kenngrößenberechnung
und des Soll-Wertes.
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Für die Anzeige
der abnormalen Abgasrückführung AR
oder für
die Durchführung
anderer Steuerungsfunktionen wird üblicherweise eine bestimmte Anzahl
von Überschreitungen
abgewartet, um die Zuverlässigkeit
der Auswertung zu erhöhen.
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In
einer Erweiterung der Steuer- bzw. Diagnosefunktion kann die Ansteuerung
des Abgasrückführventils
ARV durch die Steuereinrichtung so beeinflusst werden, dass die
Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert ausgeregelt wird. Damit können z.B.
zunehmende Verschmutzungen des Abgasrückführventils ARV oder des Abgasrückführkanals
ARK bzw. der Verbindungsleitungen kompensiert werden.
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Die
genannte thermodynamische Kenngröße wird
so gewählt,
dass sie den zeitlichen Ablauf der Verbrennung beschreibt. An sich
bekannte Größen hierfür sind der
sogenannte Brennverlauf, der die insgesamt freigewordene Wärmemenge
berechnet und der sogenannte Heizverlauf, der die dem Gas zugeführte Wärmemenge
berechnet. Der Heizverlauf ist einfacher zu berechnen, da z.B. die
Wandwärmeverluste
nicht berücksichtigt
werden, und wird durch den Zusammenhang dQh =
dU + p·dVbestimmt,
wobei dQh die zugeführte
Wärmemenge, dU
die Erhöhung
der inneren Energie des Gases und p·dV die abgegebene mechanische
Arbeit bedeuten. Aus der Größe dQh wird
durch Integration über
den Kurbelwellenwinkel α der
prozentuale Anteil des Energieumsatzes über dem Kurbelwellenwinkel
ermittelt. Aus verschiedenen Untersuchungen ist bekannt, dass z.B.
der Kurbelwellenwinkel αE50 %, bei dem 50% des Energieumsatzes erfolgt
sind, eine Korrelation mit dem relativen Anteil der Abgasrückführung an
der Zylinderfüllung
(Abgasrückführrate)
aufweist. Dabei ist der 50 %-Energieumsatz
allerdings noch nicht eindeutig der Abgasrückführrate zuordenbar.
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Um
eine eindeutige Zuordnung zu erhalten, wird vorliegend die thermodynamische
Kenngröße als Differenz
aus dem 50 %-Energieumsatzpunkt und dem aktuell ermittelten Zündwinkel αZ über den
Zusammenhang Δα = αE50
% – αZ bestimmt.
Mit dieser Größe kann
die relative Abgasrückführrate ermittelt
werden. In der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine ist der
Zusammenhang zwischen der Abgasrückführrate und
der Kurbelwinkeldifferenz Δα in Form
von Daten, z.B. als Kennfeld oder Funktion Δαsoll =
f(AGR-Rate) gespeichert. Diese Funktion ist gegebenenfalls um weitere
Betriebsparameter zu erweitern.
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Für die von
der Steuereinrichtung ST eingestellte Ansteuerung des Abgasrückführventils
ARV wird die zugehörige
Kenngröße Δαsoll als
Sollwert aus den gespeicherten Daten für den betreffenden Verbrennungszyklus
ermittelt. Zudem berechnet die Steuereinrichtung ST aus dem Zylinderdrucksignal beziehungsweise
der Datenfolge des abgetasteten Druckverlaufs den dem 50 %-Energieumsatzpunkt entsprechenden
50 %-Zündwinkel αE50
%, der nach Subtraktion des aktuellen Zündwinkels αZ die
Ist-Größe Δαist ergibt.
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Bei
Brennkraftmaschinen ohne Fremdzündung
kann die thermodynamische Kenngröße Δα auch zum
Beispiel durch Ersetzen des Zündwinkels αZ erfolgen.
Eine mögliche
Realisierung einer solchen Ersatzgröße ist z.B. der Winkel des
Spritzbeginns für
den Kraftstoff.
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Eine
einfache Möglichkeit
zur Berechnung des 50 %-Kurbelwellenwinkels (50 %-Energieumsatz-Winkel)
in der Steuereinrichtung ergibt die Formel Qi = [n/(n – 1)]·pi·(Vi+1 – Vi-1) + [1/(n – 1)]·Vi·(pi+1 – pi-1)wobei Qi die
Wärmemenge,
n den Polytropenexponenten, p den Zylinderdruck, V das jeweilige
Zylindervolumen und i den laufenden Index des abgetasteten und gespeicherten
Zylinderdrucks von Beginn bis Ende des Berechnungsintervalles darstellen,
das nicht notwendig den gesamten Verbrennungszyklus umfassen muss.
Es kann eine Einschränkung
auf einen relevanten Teil des Verbrennungszyklus im Bereich der
Energiefreisetzung aus dem Kraftstoff erfolgen.
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Nach
Integration der Wärmemengen
Qi über den
vollständigen
Arbeitszyklus, d.h. bis zur Bestimmung des 100 %-Energieumsatzwertes,
kann der Kurbelwellenwinkel αE50
% ermittelt werden, der dem 50 %-Energieumsatz entspricht. Ähnlich ist
es auch denkbar, einen Kurbelwellenwinkel αEk % zu
ermitteln, der einem k %-Energieumsatz entspricht.
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Für die beschriebene
Bestimmung der thermodynamischen Kenngröße reicht es, den Druckverlauf
an nur einem Zylinder zu erfassen, es können aber auch die Druckverläufe an mehreren,
insbesondere allen Zylindern ZYL1 ... ZYLn für die Berechnung der thermodynamischen
Kenngröße erfasst werden.