DE19734494C1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der un­ abhängigen Ansprüche 1 und 8.

Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine ist die Abgasrück­ führung als wirkungsvolles Mittel zur Emissionssenkung be­ kannt. Durch Zumischen von bereits verbrannten Abgasen zum Frischgas vor der Verbrennung wird insbesondere die tempe­ raturabhängige Stickstoffoxid-Emission reduziert. Üblicher­ weise wird durch einen Abgasrückführungskanal aus einer Ab­ gasleitung der Brennkraftmaschine Abgas in eine Einlaßlei­ tung rückgeführt. Die Rückführrate des Abgases, d. h. die Menge des anteilig dem Frischluftstrom in der Einlaßleitung beigemischten Abgasstroms im Verhältnis zur Verbrennungs­ luftmenge, wird von einer Reglereinheit unter Angleich an betriebspunktabhängig vorgegebene Sollwerte geregelt. Eine Erhöhung der Abgasrückführungsrate mit der Absicht einer weiteren Reduzierung der Stickstoffoxid-Emission wird eine betriebspunktabhängig unterschiedliche Grenze gesetzt, näm­ lich durch die oberhalb dieser zulässigen Rückführrate zu­ nehmende Ruß- bzw. Partikelemission, dem Kraftverbrauch so­ wie durch die Verschlechterung der Laufruhe der Brennkraft­ maschine.

Die Durchführung einer Regelung der Abgasrückführungsrate erfordert die laufende Erfassung der jeweiligen Rückfüh­ rungsverhältnisse im Betrieb der Brennkraftmaschine. Einfa­ che Steuerverfahren der rückgeführten Abgasmenge, etwa durch betriebspunktabhängige Steuerung des Abgasrückfüh­ rungsventils mit einstellbarem Öffnungshub, können die Ab­ gasemissionen nur unbefriedigend absenken, da die Rückfüh­ rungsrate im jeweiligen Betriebspunkt deutlich unterhalb des optimalen Sollwertes liegen muß, um das ohne Rückmel­ dung des Abgasdurchflusses sonst häufige übertreten der Rußgrenze und die entsprechend hohen Emissionen zu vermei­ den.

Aus der EP-0 574 614 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Abgasrückführungsrate bekannt, welches zur Bestimmung des Ist-Wertes des rückgeführten Abgasmassenstroms den Druckab­ fall an einer Venturi-Düse in dem Abgasrückführungskanal mißt und aus der Druckdifferenz den Durchfluß ermittelt. Da jedoch die Rückströmung des Abgases durch den Abgasrück­ führungskanal vom Druckgefälle zwischen Abgasleitung und Einlaßleitung der Brennkraftmaschine getrieben wird, ver­ ringert der Druckverlust an der Venturi-Düse das zur Rück­ führung zur Verfügung stehende Druckgefälle. Dabei wird die mögliche Abgasrückführungsrate verringert und es kann in vielen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine nicht die op­ timale Reduzierung der Abgasemissionen erreicht werden. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Abgasdurchflusses durch den Abgasrückführungskanal über die Messung des Dif­ ferenzdruckes sehr ungenau, da genaue Messungen an der Ven­ turi-Düse laminare Strömungsverhältnisse voraussetzen, wel­ che im Abgas von Brennkraftmaschinen praktisch nicht vor­ kommen. Die mehr oder weniger turbulent auftretenden Abgas­ strömungen unterschiedlicher Brennkraftmaschinen, insbeson­ dere im Betrieb von aufgeladenen Brennkraftmaschinen, ver­ hindern eine effektive Regelung der Rückführungsrate mit dem bekannten Verfahren.

Die DE 43 37 313 C1 schlägt zur Erfassung der rückgeführten Abgasmenge vor, den Absolutdruck und die Temperatur in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine zu messen. Zur Ermitt­ lung der Rückführrate wird als Meßwert neben dem statischen Druck auch der Staudruck des Abgases benötigt. Mit dem be­ kannten Verfahren ist jedoch eine genaue Bestimmung der Rückführrate, welche für eine optimale Regelung unerläßlich ist, kaum möglich, da die erforderlichen Temperatur- und Druckmeßfühler von sehr hohen Abgastemperaturen beauf­ schlagt werden. Darüber hinaus führt der hohe Rußpartikel­ gehalt des Abgases zu einer zunehmenden Verstopfung der Meßfühler mit zunehmender Betriebszeit der Brennkraftma­ schine, wodurch die Meßergebnisse zunehmend ungenauer wer­ den und somit letztendlich höhere Abgasemissionen verur­ sacht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine maximale Emissionssenkung der Brennkraftmaschine durch Abgasrückfüh­ rung mit einer möglichst genauen Erfassung und Regelung der Abgasrückführungsrate zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder durch die Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst.

Bei dem Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine wer­ den die Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffes unter Energie­ freisetzung mit Sauerstoff chemisch verbunden. Das Abgas enthält daher erheblich weniger Sauerstoff als die Frisch­ luft, welche der Brennkraftmaschine beim Ladungswechsel zugeführt wird. Die Rückführung des sauerstoffarmen Abgases führt zu einer Reduzierung der Sauerstoffkonzentration im letztlich der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungs­ luftstrom gegenüber der angesaugten Frischluft. Erfindungs­ gemäß wird in den Gasströmen jeweils vor und nach der Ein­ mündung des Abgasrückführungskanals in die Einlaßleitung der jeweilige Sauerstoffgehalt von entsprechend in den je­ weiligen Gasstrom einragenden Sauerstoffsensoren gemessen. Die Meßsignale der Sauerstoffsensoren werden der Eingangs­ seite der Reglereinheit zugeführt, welche aus den Meßergeb­ nissen die Differenz der Sauerstoffkonzentrationen bestimmt und daraus die vorliegende Rückführrate im Abgasrückfüh­ rungs-Betrieb der Brennkraftmaschine ermittelt. Vorteilhaft erfolgen die Messungen der jeweiligen Sauerstoffgehalte im Verbrennungsluftstrom vor dem Eintritt in die Brennkraftma­ schine einerseits und im Abgasstrom andererseits, wodurch aus den Meßergebnissen die jeweils rückgeführte Abgasmenge aufgrund physikalischer Zusammenhänge präzise bestimmbar ist.

Unter Einbeziehung der Rückführungsrate und des Sauerstoff­ gehaltes im Abgas kann die Reglereinheit das Verbrennungs­ luftverhältnis bei der Gemischbildung in der Brennkraftma­ schine regeln, d. h. das Verhältnis der beim Verbrennungs­ vorgang verfügbaren Sauerstoffmenge zur erforderlichen Menge für eine vollständige Kraftstoffverbrennung, wobei die Reglereinheit ein weiteres Stellglied ansteuert, wel­ ches auf den Frischluftstrom vor der Einmündung des rück­ geführten Abgasstromes wirkt. Das Stellglied kann eine Drosselklappe in der Einlaßleitung sein oder auch bei­ spielsweise beim Einsatz der Erfindung für aufgeladene Brennkraftmaschinen eine variable Turbinengeometrie des Ab­ gasturbolators.

Eine besonders genaue Regelung des Verbrennungsluftverhält­ nisses wird erreicht, wenn die Reglereinheit alternativ oder zusätzlich zum Stellglied mit Wirkung auf den Frisch­ luftstrom die Kraftstoffzumessung einstellt.

Zur präzisen Regelung wird der Reglereinheit betriebspunkt­ abhängig ein Sollwert des Verbrennungsluftverhältnisses vorgegeben, welcher aufgrund der genauen Erfassung der Rückführungsrate im Bereich der maximal rückführbaren Ab­ gasmenge liegt.

In einem Kennfeldspeicher sind vorteilhaft für eine Viel­ zahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine die be­ triebsoptimalen Sollwerte abgelegt, welche die Reglerein­ heit bedarfsweise als Führungsgröße für die Regelung ent­ nimmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine aufgeladende Brenn­ kraftmaschine 1 mit sechs Zylindern Z1 bis Z6 in Reihenan­ ordnung. Jedem der Zylinder Z1 bis Z6 wird jeweils über ei­ nen Zylindereinlaß 13 Verbrennungsluft zugeführt. Die Abga­ se werden jeweils über einen Zylinderauslaß 14 ausgeschoben und durch eine gemeinsame Abgasleitung 4 abgeführt. Ein Abgasturbolader 2 verdichtet atmosphärische Frischluft 22 und drängt über eine Einlaßleitung 3 die Ladeluft in eine Ladeluftleitung 3', welche die Zylindereinlässe 13 aller Zylinder Z1 bis Z6 speist. Eine Turbine 15 des Abgasturbu­ laders 2 ist in bekannter Weise in der Abgasleitung 4 ange­ ordnet und wird vom Abgasstrom 23 durchströmt. Über eine Laderwelle 17 treibt die Turbine 15 einen Ladeluftverdich­ ter 16 an. In der Einlaßleitung 3 ist ein Ladeluftkühler 25 angeordnet, welcher den verdichteten Frischluftstrom vor dem Eintritt in die Ladeluftleitung 3' kühlt. Der Anström­ querschnitt der Turbine 15 des Abgasturboladers 2 ist durch entsprechende Stellmaßnahmen an einer Leitvorrichtung 9 va­ riabel einstellbar. Durch Verstellung des Turbinenleitgit­ ters über die Leitvorrichtung 9 der Turbine wird die Dreh­ zahl der mechanisch starr über die Laderwelle 17 verbunde­ nen Strömungsmaschinen 15, 16 und damit der Durchsatz des Frischluftstroms 22 am Verdichter 16 und die Verdichterlei­ stung beeinflußt.

Über einen Abgasrückführungskanal 5 ist aus der Abgaslei­ tung 4 der Brennkraftmaschine zur Emissionssenkung ein Teilstrom in die Einlaßleitung 3 rückführbar, insbesondere die temperaturabhängige Stickstoffoxid-Emission kann durch Abgasrückführungsbetrieb gesenkt werden, wobei in dem Ab­ gasrückführungskanal 5 zur Abkühlung des rückgeführten Ab­ gasstromes vor der Einmündung in die Einlaßleitung 3 und die dort erfolgende Vermischung mit dem verdichteten Frischluftstrom ein Abgaskühler 24 angeordnet ist. Nach der Einmündung 12 des Abgasrückführungskanals 5 in die Einlaß­ leitung 3 strömt der aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bestehende Ladeluftstrom in die Ladeluftleitung 3' ein.

Zur Dosierung der rückgeführten Abgasmenge ist in dem Ab­ gasrückführungskanal 5 ein Abgasrückführungsventil 8 mit variabel einstellbarem Durchgangsquerschnitt angeordnet. Das Abgasrückführungsventil 8 wird von einer Reglereinheit mit einem Stellsignal 18 angesteuert, welches in Abhängig­ keit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 erzeugt wird. Der vorliegende Betriebspunkt der Brennkraftmaschine während des Betriebes wird in für sich bekannter Weise der Reglereinheit 6 durch Zuleitung entsprechender Betriebspa­ rameter wie Drehzahl, Betriebslast usw. angezeigt. Die ma­ ximal rückführbare Abgasmenge ist abhängig vom Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine unterschiedlich, wobei ein überschreiten der zulässigen Rückführrate, d. h. im Ver­ hältnis der dem Frischluftstrom beigemischten Abgasmenge zu einer deutlichen Verschlechterung der Abgasemission durch Zunahme des Rußgehaltes des Abgases und darüber hinaus zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftma­ schine führt.

Zur maximalen Emissionssenkung im Betrieb der Brennkraftma­ schine 1 durch Abgasrückführung wird die Rückführrate von der Reglereinheit mit Stellmaßnahmen am Abgasrückführungs­ ventil 8 über das Stellsignal 18 geregelt, wobei die be­ triebspunktspezifisch optimale Rückführrate als Führungs­ größe vorgegeben wird. Die Reglereinheit 6 entnimmt die Führungsgröße 26 für die Regelung einem Kennfeldspeicher 7, in dem für eine Vielzahl von Betriebspunkten der Brenn­ kraftmaschine die betriebsoptimalen Sollwerte abgelegt sind. Der genaue Ist-Wert der Rückführrate wird von der Reglereinheit 6 aus den Meßergebnissen zweier Sauerstoff- Sensoren 10, 11 ermittelt, welche einerseits in der Einlaß­ leitung 3 nach der Einmündung 12 des Abgasrückführungska­ nals 5 und andererseits in der Abgasleitung 4 der Brenn­ kraftmaschine 1 angeordnet sind. Die Sauerstoff-Meßsonden 10, 11 messen den jeweiligen Sauerstoffgehalt des Abgas­ stroms vor der Einmündung 12 in die Einlaßleitung 3 und des Verbrennungsluftstroms nach der Einmündung 12 und erzeugen jeweils ein Meßsignal 20, 21, welches der Reglereinheit 6 zur Auswertung zugeführt wird. Aus dem Meßsignal 21 des Sauerstoffsensors 11 in der Abgasleitung 4 und dem Meßsi­ gnal 20 des Sauerstoffsensors 10 in der Einlaßleitung 3, welches den Sauerstoffgehalt des in die Zylinder Z1 bis Z6 einströmenden Verbrennungsluftstroms repräsentiert, welcher aus der verdichteten Frischluft und rückgeführtem Abgas be­ steht, ermittelt die Reglereinheit 6 den präzisen Ist-Wert der Rückführrate R nach der folgenden Zuordnungsvorschrift:

wobei R das Verhältnis der rückgeführten Abgasmenge zur ge­ samten Verbrennungsluftmenge bezeichnet, [11] den Sauer­ stoffgehalt des Abgasstroms repräsentiert durch das Meßsi­ gnal des Sauerstoffsensors 11 und [10] den Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft darstellt, welcher aus dem Meßsignal des Sauerstoffsensors 10 in der Einlaßleitung 3 der Brenn­ kraftmaschine 1 mit Aussage über den Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft ermittelt wird. Der Sauerstoffgehalt des verdichteten Frischluftstroms 22 in der Einlaßleitung 3 liegt durch de Sauerstoffgehalt der Atmosphäre fest und ist in der Größengleichung mit 23% (Gew.-% ) angegeben.

Wie die Zuordnungsvorschrift zeigt, zieht die Reglereinheit 6 die jeweilige Differenz der Sauerstoffkonzentrationen zwischen Frischluft und Verbrennungsluft einerseits sowie Verbrennungsluft und Abgas andererseits zur Ermittlung der Rückführrate heran. Die Abgasrückführrate R kann in einfa­ chen Anwendungfällen aus den Meßergebnissen im Aufbau ein­ facher Differenzmeßsonden ermittelt werden, welche entspre­ chend in den auszumessenden Leitungen angeordnet sind und wie oben die Differenz der jeweiligen Sauerstoffgehalte be­ stimmen.

Die Bestimmung der Absolutwerte des Sauerstoffgehaltes in der Verbrennungsluft (Sensor 10) und in dem Abgas (Sensor 11) gemäß dem Ausführungsbeispiel ermöglicht jedoch der Reglereinheit 6 zusätzlich die Regelung des Verbrennungs­ luftverhältnisses bei der Gemischbildung in den Zylindern Z1 bis Z6 der Brennkraftmaschine 1 unter Einbeziehung des vorher präzise ermittelten Ist-Wertes der Rückführungsrate R und des Sauerstoffgehaltes im Abgas. Die Reglereinheit erzeugt ein Stellsignal 19 für die Leitvorrichtung 9 des Abgasturboladers 2 und wirkt über den Anströmquerschnitt der Turbine 15 für den Abgasstrom auf den Frischluftmassen­ strom 22 auf der Verdichterseite ein. In dem Regelkreis wird das Verbrennungsluftverhältnis an einen betriebspunkt­ spezifisch vorgegebenen Sollwert angeglichen, welcher wie die Sollwerte der Rückführungsrate dem Kennfeldspeicher 7 entnommen wird. Der genaue Ist-Wert des Vebrennungsluftver­ hältnisses λ_AGR im Abgasrückführungsbetrieb wird mit der zuvor bestimmten Rückführrate R nach der folgenden Größen­ gleichung ermittelt:

λ bezeichnet dabei das Verbrennungsluftverhältnis ohne Be­ rücksichtigung des über den Rückführkanal 5 zurückgeführten zusätzlichen Sauerstoffes.

Es errechnet sich nach der folgenden Beziehung:

wobei [11] die Sauerstoffkonzentration im Abgas repräsen­ tiert und 23% den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre in Ge­ wichts-% und 14,5 den Mindestluftbedarf des Motors bei stöchiometrischer Verbrennung mit der Größeneinheit kg Luft/kg Kraftstoff entspricht.

Durch die äußerst genaue Ermittlung der Rückführrate R und des Luftverhältnisses λ_AGR ist ein Abgasrückführungsbetrieb mit maximalen Rückführraten und damit großtmöglicher Reduk­ tion der Stickoxidemission möglich, da als Führungsgrößen bei der Regelung die jeweils betriebspunktspezifisch maxi­ malen Sollwerte vorgegeben werden können. Das Überschreiten dieser maximalen Sollwerte und die damit verbundene Schaf­ fung unzulässig niedriger Luftverhältnisse ist durch die präzise Ermittlung der Ist-Werte ausgeschlossen.

Die Reglereinheit 6 regelt in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine die maximale Rückführrate und das opti­ male Verbrennungsluftverhältnis ein und erzeugt entspre­ chende Stellsignale 18, 19 für die Stellglieder Abgasrück­ führungsventil 8 und Turbinenleitgitter 9. Da die Rückführ­ rate und das Verbrennungsluftverhältnis gleichzeitig und voneinander abhängig geregelt werden, ist auch solchen Be­ triebspunkten der Brennkraftmaschine, in denen das erfor­ derliche Luftverhältnis durch zwei unterschiedliche An­ strömquerschnitte der Turbine 15 des Abgasturboladers 2 er­ zeugbar ist, eine Stellung der Leitvorrichtung 9 eindeutig zuweisbar, nämlich genau die, welche der angestrebten Rück­ führrate entspricht.

Die erfindungsgemäße Ermittlung und Regelung der Rückführ­ rate ist mit geringem baulichem Aufwand durchführbar und eignet sich insbesondere auch zur Nachrüstung bereits im Betrieb befindlicher, gesteuerter Abgasrückführungs-Vor­ richtungen. Der Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführungs-Vorrichtungen kann mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren deutlich gesteigert werden. Die genaue Er­ mittlung der Rückführrate aus den Meßergebnissen der Sauer­ stoffsensoren 10, 11, welche den Sauerstoffgehalt in den Gasströmen jeweils vor und nach der Einmündung des Abgas­ rückführungskanals in die Einlaßleitung messen, ist prinzi­ piell unabhängig von der Bauart der Rückführvorrichtung, d. h. deren Stellgliedern.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei zur Emissionssenkung Abgas durch einen Abgasrückfüh­ rungskanal (5) aus einer Abgasleitung (4) der Brenn­ kraftmaschine (1) in eine Einlaßleitung (3) rückgeführt wird und eine Reglereinheit (6) die Rückführrate (R) des dem Frischluftstrom in der Einlaßleitung (3) antei­ lig beigemischten Abgasstroms unter Angleichung eines er­ mittelten Ist-Wertes an betriebspunktabhängig vorgege­ bene Sollwerte regelt und ein Abgasrückführungsventil (8) mit variabel einstellbarem Durchgangsquerschnitt ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gasströmen jeweils vor und nach einer Einmündung (12) des Abgasrückfüh­ rungskanals (5) in die Einlaßleitung (3) der jeweilige Sauerstoffgehalt gemessen wird und die Reglereinheit (6) aus den Messergebnissen die vorliegende Rückführ­ rate (R) ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen der jeweili­ gen Sauerstoffgehalte im Verbrennungsluftstrom vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine (1) einerseits und im Abgasstrom (23) andererseits erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Differenz der Sauerstoffkonzentrationen zwischen Frischluftmassenstrom (22) mit Verbrennungsluftstrom vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine einerseits sowie zwischen Verbren­ nungsluftstrom und Abgasstrom 23 andererseits zur Er­ mittlung der Regelgröße herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglereinheit (6) ein weiteres Stellglied (9) mit Wirkung auf den Frischluft­ massenstrom (22) vor der Einmündung (12) des Abgasrück­ führungskanals (5) ansteuert und unter Einbeziehung der Rückführungsrate (R) und des Sauerstoffgehaltes im Ab­ gasstrom (23) das Verbrennungsluftverhältnis (λ_AGR) bei der Gemischbildung in der Brennkraftmaschine regelt, wobei der Reglereinheit (6) Sollwerte des Verbrennungs­ luftverhältnisses (λ_AGR) in Abhängigkeit vom Betriebs­ punkt vorgegeben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglereinheit (6) im Regelkreis des Verbrennungsluftverhältnisses (λ_AGR) al­ ternativ oder zusätzlich zum Stellglied (9) mit Wirkung auf den Frischluftmassenstrom (22) die Kraftstoffzumes­ sung einstellt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kennfeldspeicher (7) für eine Vielzahl von Betriebspunkten der Brenn­ kraftmaschine (1) die betriebsoptimalen Sollwerte abge­ legt sind, welche die Reglereinheit (6) bedarfsweise als Führungsgröße (26) für die Regelung entnimmt.

7. Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungskanal (5) zwischen einer Abgasleitung (4) und einer Einlaßleitung (3), wobei in dem Abgasrückführungskanal (5) ein Abgas­ rückführungsventil (8) mit variabel einstellbarem Durchgangsquerschnitt angeordnet ist, welches von einer Reglereinheit (6) zur Regelung der Rückführrate (R) des dem Frischluftstrom in der Einlaßleitung (3) anteilig beigemischten Abgasstroms über ein Stellsignal (18) an­ steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoffsensor (10) in der Einlaßleitung (3) nach einer Einmündung (12) des Abgasrückführungskanals (5) und ein weiterer Sauer­ stoffsensor (11) in einer abgasführenden Leitung (4, 5) angeordnet ist und beide signalübertragend mit einer Ein­ gangsseite der Reglereinheit (6) verbunden sind.