DE69307282T2 - Verfahren zur Steuerung der Abgasrückführung bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Systems der Rückführung der Abgase in den Einlaß einer Brennkraftmaschine, welche insbesondere in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
• Die Anforderungen hinsichtlich der Umweltverschmutzung sowie des Verbrauchs von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen werden mit jedem Tag strenger in der Gesamtheit der industrialisierten Länder. Die Kraftfahrzeugindustrie sucht deshalb ständig nach technischen Lösungen, um diesen Anforderungen zu genügen, ohne daß die Leistungen der Motoren sowie ihr Herstellungspreis zu stark beeinträchtigt werden.
• Eine bekannte Technik hinsichtlich einer Verringerung der Umweltverschmutzung durch Brennkraftmaschinen liegt in der Abgasrückführung, um so die schädlichen Emissionen zu verringern und darunter insbesondere die Stickoxide. Diese auch E.G.R. (Exhaust Gas Recirculation = Abgasrückführung) genannte Technik besteht darin, einen Teil der verbrannten Gase in den Einlaßkrümmer des Motors rückzuführen, wodurch die Menge an zu verbrennendem Gas und demzufolge die Verbrennungstemperatur abgesenkt werden können, woraus eine Verringerung der Erzeugung von Nox oder Stickoxiden resultiert.
• Die am weitesten verbreitete Vorrichtung zu ihrer Durchführung besteht darin, eine äußere Rückführung vorzunehmen, im Gegensatz zur inneren Rückführung, die man erhält durch kreuzweise Anordnung der Einlaß- und Auslaßventile. Zu diesem Zweck verbindet eine Leitung den Auslaßkrümmer mit dem Einlaßkrümmer, wobei die Abgase durch diese Leitung durch den im Motor entstehenden Unterdruck angesaugt werden und im Einlaß dem Verbrennungsluftstrom zugemischt werden. Die Leitung ist mit einem Ventil versehen zur Steuerung der Menge der in den Einlaß rückgeführten Abgase in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors und insbesondere von der vom Motor geforderten Leistung. Zu diesem Zweck wird das Ventil, das im allgemeinen E.G.R.-Ventil genannt wird, direkt von einem elektronischen Motorsteuersystem angesteuert, welches die Rückführmenge entsprechend den Funktionsphasen des Motors bestimmt.
• Dieses E.G.R.-Ventil weist jedoch noch den Nachteil auf, daß es von Fehlregelungen beeinflußt werden kann, welche zu Fehlfunktionen des Motors führen und damit zu einer erhöhten Emission schädlicher Substanzen. Das E.G.R.-Ventil unterliegt nämlich dem schädlichen korrodierenden Einfluß der aggressiven Abgase, wobei eine zunehmende Ablagerung am Ventil, dessen Eigenschaften hinsichtlich des Abgasdurchsatzes verändert werden, für ein und denselben vom Motorsteuersystem gelieferten Stellwert.
• Im Rahmen zu erwartender Bestimmungen zur Luftreinhaltung, wie z.B. in der amerikanischen Norm OBD2 (On Board Diagnostic Level 2), ist vorgesehen, daß die in den Kraftfahrzeugen angeordneten elektronischen Motorsteuerungssysteme in der Lage sein müssen, automatisch bestimmte Motorfehler zu diagnostizieren und/oder zu korrigieren, welche einen schädlichen Einfluß auf die Schadstoffemission ausüben.
• Dabei ist vorgesehen, daß in die elektronischen Motorsteuerungssyssteme in Zukunft Vorrichtungen eingebaut werden müssen, welche in der Lage sind, während des Fahrens Fehler, die insbesondere die Betriebsweise der E.G.R.- Systeme betreffen, festzustellen. Diese Fehler können, wenn ein Bauteil ausfällt, das sich auf die Umweltverschmutzung auswirkt, entweder die Betätigung von herabgesetzten Betriebsbedingungen bewirken und/oder eine optische Warnung am Amaturenbrett auslösen, um dies dem Fahrer mitzuteilen (weniger strenge Vorschriften) oder aber Korrekturmaßnahmen einleiten oder sogar den Stillstand des Fahrzeugs bewirken (strenge Vorschriften).
• Die Ausrüster und die Konstrukteure von Fahrzeugen haben demzufolge eine gewisse Anzahl von Kontrolltechniken hinsichtlich des Betriebes der E.G.R.-Ventile entwickelt.
• So sei beispielsweise die Verwendung von Venturi-Rohren in der Auslaßleitung des E.G.R.-Ventils genannt oder die Steueranordnung für die Verschiebung der Düsennadel oder auch Temperatursonden und dgl.
• Ferner sei auf das in der Patentanmeldung FR-A-2674574 beschriebene Steuerverfahren verwiesen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einlaßladung in den Motor vor und nach dem Auslaß der Rückführleitung gemessen wird und zwar vor und nach der Ansteuerung der Öffnung oder der Schließung des Ventils, dass zuerst diese Ladungsmeßwerte vor dem Auslaß verglichen werden, um sich von der stabilen Betriebsweise des Motors zu überzeugen und, wenn dies der Fall ist, die Ladungsmessungen des Motors nach dem Auslaß der Rückführleitung vor und nach der Ansteuerung des Ventils zu verglichen werden, um eine korrekte Betriebsweise des Ventils festzustellen im Fall einer Differenz zwischen diesen Meßwerten oder aber einen Fehler der Betriebsweise, wenn die Meßwerte gleich sind.
• Diese Vorrichtung ermöglicht es, einen Ausfall des Betriebes des E.G.R.-Ventiles festzustellen, nicht jedoch eine beeinträchtigte Betriebsweise, wobei außerdem diese Vorrichtung, wie alle aus dem Stand der Technik, mehrere Nachteile hinsichtlich der Komplexität des Aufbaus, ihres schwierigen Einbaus in den Motor und hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit aufweisen, selbst unter Berücksichtigung zusätzlicher Anordnungen zur Steuerung der Wirkungsweise der E.G.R.-Ventile.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Steuerung der Rückführsysteme vorzuschlagen, mit dem eine Diagnose des E.G.R.-Ventils ermöglicht wird und welches demzufolge eine Anpassung der Regelung des Motorsteuerungssystems ermöglicht unter Berücksichtigung einer eventuellen Abweichung des Ventilbetriebs aufgrund einer Korrektur mit geschlossener Schleife.
• Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein erheblich günstigeres Verhältnis zwischen Kosten und Leistung als die bekannten Verfahren. Es benötigt keine besonderen Bauteile und erfordert nur geringfügig erhöhte Programmierkosten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Systems der Rückführung der Abgase einer Brennkraftmaschine bezieht sich auf eine Anordnung zur Abgasrückführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe EP-A-440173).
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
• - Berechnen, ausgehend von jedem das Drehmoment darstellenden Wert Cg&submin;i, einer statistischen Größe MCg&submin;i, die den Mittelwert der Werte Cg&submin;i darstellt;
• - Berechnen des Abstandes Ecg&submin;i des Wertes Cg&submin;i vom Mittelwert MCg&submin;i;
• - Zuordnen eines Wertes Tr&submin;i, der der tatsächlich rückgeführten Abgasmenge entspricht zu jedem Wert Ecg&submin;i in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors;
• - Vergleichen des Wertes Tr&submin;i mit dem Wert T der ursprünglich angesteuerten Rückführmenge und im Fall eines Unterschiedes Abziehen einer durch Fehlbetrieb des E.G.R.- Ventils bedingten Fehlmenge.
• Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Besonderheit wird je nach dem erhaltenen Wert Tr&submin;i das E.G.R.-Ventil hinsichtlich seiner Offenstellung oder seiner Schließstellung angesteuert, dergestalt, daß die tatsächlich rückgeführte Abgasmenge Tr sich der Menge T annähert.
• Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Besonderheit werden die Werte MCg&submin;i der statistischen Größe ausgehend von der folgenden Formel berechnet:
• MCg&submin;i = MCg&submin;i-1 + ((Cg&submin;i - (MCg&submin;i-1)) / F1)
• wobei F1 eine Filterkonstante ist und MCg&submin;O = O ist.
• Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Besonderheit ist der Wert Ecg&submin;i definiert als der Abstand zwischen Cg&submin;i und MCg&submin;i.
• Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Besonderheit werden die Werte Tr&submin;i der tatsächlichen Rückführmenge an Abgasen am Einlaß abgezogen von besonderen im Motorsteuerungssystem gespeicherten Werten.
• Die Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele im Hinblick auf einen Viertakt- und Vierzylindermotor hervor im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung; es zeigen:
• - Figur 1 schematisch eine Vorrichtung zur Steuerung des Systems der Abgasrückführung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• - Figur 2 ein Organigramm hinsichtlich der Betriebsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
• - Figur 3 eine Kurve, welche den Einfluß der Rückführungsmenge auf die Abweichung des Gasmomentes bei Brennkraftmaschinen darstellt.
• Figur 1 zeigt die Anwendung des Verfahrens zur Steuerung des Systems der Abgasrückführung auf eine Brennkraftmaschine. Nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Teile sind mit Bezugszeichen versehen.
• Die dargestellte Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Viertaktmotor mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, ist mit 1 bezeichnet und mit einem System zur äußeren Abgasrückführung versehen. Eine Verbindungsleitung 4 gewährleistet die Rückführung der Abgase von der Auslaßleitung 3 für die verbrannten Gase zum Einlaßkrümmer 2 für den vergasten Kraftstoff in Richtung der Motorzylinder, wobei die Fließrichtung durch die Pfeile dargestellt ist.
• Ein E.G.R.-Ventil 5 ist in der Verbindungsleitung 4 derart vorgesehen, daß die Menge der rückgeführten Abgase steuerbar ist. Dieses Ventil 5 wird durch das elektronische Motorsteuerungssystem 6 geregelt, wobei letzteres die Öffnung des Ventils 5 steuert, um so eine vorbestimmte Abgasmenge in das Brenngas je nach den Betriebsbedingungen des Motors einzuleiten.
• Das Motorsteuerungssystem 6 weist in herkömmlicher Weise einen Rechner mit einer zentralen Recheneinheit auf, einen RAM-Speicher, einen ROM-Speicher, A/D-Umsetzer sowie verschiedene Eingangs- und Ausgangsschnittstellen. Ihm werden verschiedene Eingangssignale zugeführt, die sich auf die Betriebsweise des Motors beziehen (Last, Drehzahl, Wassertemperatur, Druck im Krümmer etc.) sowie auf weitere Bauteile beziehen, wobei er Rechenoperationen durchführt und Ausgangssignale erzeugt, die insbesondere den Einspritzdüsen und den Kerzen und damit dem E.G.R.-Ventil 5 zugeführt werden. Auf dem Versuchsstand ermittelte Daten werden in den Speicher des Motorsteuerungssystems eingegeben, so daß dieses für jede Betriebsweise des Motors ein Steuersignal festlegt für das E.G.R.-Ventil entsprechend der erwünschten Rückführmenge.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt es unter den vom Motorsteuerungssystem durchgeführten Rechnungen eine Größe Cg, welche von der Drehzahl der Motorwelle abhängt und die das Drehmoment darstellt, welches von jeder Verbrennung im Motor erzeugt wird. Dieser Wert wird von der Überwachung der Rotation eines Meßzahnkranzes 7 erhalten, der mit dem Schwungrad des Motors verbunden ist, beispielsweise dem herkömmlichen bei Motoren mit elektronischer Zündung vorhandenen Kranz.
• Dem Kranz 7 ist ein feststehender Fühler 8 zugeordnet, z.B. mit variabler Reluktanz, welcher ein Wechselsignal mit einer Frequenz liefert, das proportional zur Geschwindigkeit des Vorbeilaufs der Zähne des Kranzes ist, d.h. daß es die Momentangeschwindigkeit angibt. Der Übergang von diesem Wechselsignal, dessen Frequenz proportional zur Vorbeilaufgeschwindigkeit der Zähne des Kranzes ist, zum Wert Cg für das bei jeder Verbrennung des Gasgemisches in den Zylindern des Motors erzeugten Drehmomentes wird durch ein Verfahren durchgeführt, welches im einzelnen in den von der Anmelderin eingereichten französischen Patentanmeldungen mit den Nummern 91/11273 und 91/11274 beschrieben ist, die sich auf ein "Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors" beziehen.
• Erfindungsgemäß wird nun bei dem Verfahren zur Steuerung des Systems der Rückführung der Abgase diese Information über das Drehmoment, welche bereits vom Motorsteuerungssystem für andere Anwendungen verwendet wird, wie z.B. die Feststellung des Zylinders oder die Messung von Fehlzündungen, zur Steuerung des Systems der Abgasrückführung eingesetzt und insbesondere für den Betrieb des E.G.R.-Ventils.
• Dieser Einsatz wird möglich aufgrund der Feststellung, wie sie in der in Figur 3 dargestellten Kurve niedergelegt ist. So hat die Anmelderin festgestellt, daß unter vorgegebenen Betriebsbedingungen für den Motor die Motorinstabilitäten (d.h. Variationen der Verbrennungseigenschaften und damit Variationen des Gasmomentes) direkt zusammenhängen mit der Menge an rückgeführten Abgasen. Damit wird es möglich, aus der Kenntnis der Motorinstabilitäten die E.G.R.-Menge abzuleiten. Die Motorinstabilitäten sind jedoch direkt mengenmäßig erfaßbar, ausgehend von der Kenntnis der bei der Verbrennung entstehenden Gasmomente im Motor und insbesondere von der von bei ihnen auftretenden Abweichungen.
• Verfolgt man die Motorinstabilitäten, indem die Variationen der bei der Verbrennung entstehenden Gasmomente beobachtet werden, gelangt man zur Rückführmenge der verbrannten Gase, wobei die Art der Betrachtung keine Rolle spielt, und kann so die Betriebsweise des E.G.R.-Ventils 5 diagnostizieren, indem die tatsächliche Menge an rückgeführtem Gas mit dem Sollwert verglichen wird und daraus ein geschlossenes Steuersystem für das Ventil 5 abgeleitet wird.
• Das Verfahren zur Steuerung des Systems der Rückführung der Abgase mit Hilfe des Motorsteuerungssystems umfaßt also die folgenden im Organigramm von Figur 2 dargestellten Schritte.
• Das Motorsteuerungssystem 6 regelt das E.G.R.-Ventil 5 ausgehend von den Betriebsbedingungen des Motors zur Festlegung einer vorgegebenen Menge T der Abgasrückführung. Dieser Wert T der E.G.R.-Menge wird in eine Tabelle oder einen Speicher eingelesen und vorab im Motorsteuerungssystem gespeichert. Die Steuerung des E.G.R.-Ventils erfolgt ausgehend von einem Signal S der Öffnung entsprechend dem Sollwert T, der der zugehörigen vorab festgelegten Tabelle entnommen wird.
• Die anschließenden Werte für das Gasmoment Cg, die bei jeder Verbrennung durch eine entsprechende Rechenanordnung ausgehend von der Analyse der Rotation der Markierung 7 ermittelt werden, werden dann einer weiteren Verarbeitung unterworfen, womit die tatsächliche Menge an rückgeführten Abgasen gesteuert wird.
• Ausgehend von jedem Wert Cg&submin;i für das Gasmoment bei der i- ten Verbrennung wird ein statistischer Wert MCg&submin;i berechnet, der den Mittelwert der Werte Cg&submin;i für eine vorgegebene Anzahl von Verbrennungen darstellt. Dieser Mittelwert wird üblicherweise erhalten durch eine numerische Filterung der ersten Ordnung: Die Werte MCg&submin;i werden berechnet ausgehend von der folgenden Formel:
• MCg&submin;i = MCg&submin;i-1 + ((Cg&submin;i - (MCg&submin;i-1)) / F1)
• wobei F1 eine Filterkonstante ist und MCg&submin;O = O ist.
• Anschließend wird die Abweichung ECg&submin;i des Wertes Cg&submin;i vom so erhaltenen Mittelwert MCg&submin;i berechnet. Diese Abweichung wird vorzugsweise mit der folgenden Abweichungsformel berechnet:
• ECg&submin;i = ([(MCg&submin;i)²- (Cg&submin;i)²])1/2
• Anschließend wird jedem Wert ECg&submin;i entsprechend den Betriebsbedingungen des Motors ein Wert Tr&submin;i zugeordnet, der für die tatsächlich rückgeführte Abgasmenge steht. Dieser Wert wird eingelesen in die vorab in das Motorsteuerungssystem eingegebene Tabelle oder eine Kurvendarstellung. Die Tabelle wird ausgehend von im Versuchsstand ermittelten Messungen optimiert und ist in Figur 3 dargestellt.
• Es genügt also, den Wert Tr&submin;i mit dem Wert T für die ursprünglich angesteuerte Rückführmenge zu vergleichen, um im Falle einer Differenz einen Fehlbetrieb des E.G.R.-Ventils festzustellen.
• Das Motorsteuerungssystem regelt also das E.G.R.-Ventil durch Veränderung des Wertes des Öffnungssignals S entsprechend der gewünschten Menge T um die tatsächliche Menge Tr auf die gewünschte Menge T zu führen. Hat die Menge Tr die Menge T erreicht, so wird das Öffnungssignal für das Ventil 5 gespeichert und ersetzt den vorher erhaltenen Wert. Befindet sich der Motor erneut in den gleichen Betriebsbedingungen, so können die Korrekturen zur Beseitigung der Abweichung der Betriebsbedingung des Ventils 5 unmittelbar eingesetzt werden.
• Es ist klar, daß die Erfindung keineswegs auf das beschriebene und gezeichnete Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
• Im Gegenteil umfaßt die Erfindung alle technischen Äquivalente sowie deren Kombinationen soweit sie in den Schutzumfang fallen.
• Die Steuerung der E.G.R.-Menge kann auf verschiedene Arten erfolgen:
• - Entweder mit elektronischen Analogbauteilen, bei denen Summierglieder, Vergleicher und andere Filter mit Hilfe von Operationsverstärkern verwirklicht werden;
• - oder mit elektronischen Digitalbauteilen in Form von logischen Schaltungen;
• - oder mit Hilfe eines Signal-Verarbeitungsalgorithmus in Form eines Programm-Moduls, bestehend aus einem Systemprogramm für die Motorsteuerung zur Regelung der Mikrosteuerung eines elektronischen Rechners;
• - oder aber durch einen besonderen Mikrochip (kundenspezifisch), dessen materielle und programmäßige Ausgestaltung dahingehend optimiert worden ist, daß die erfindungsgemäßen Funktionen erzielt werden: er kann dabei ein programmierbarer oder nicht-programmierbarer Chip sein mit eigenem Aufbau, oder Teil eines in die Steueranordnung oder in einen Mikroprozessor eingebauten Coprozessors.
• Die Erfindung ist anwendbar auf eine Brennkraftmaschine unabhängig von deren Taktzahl (2 Takt, 4 Takt), des verwendeten Brennstoffs, sei es Diesel oder Benzin, sowie von der Anzahl der Zylinder.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung des Systems der Rückführung der Abgase einer Brennkraftmaschine (1), mit einer Leitung (4), die den Auspuffkrümmer (3) mit dem Einlaßkrümmer (3) verbindet, wobei diese Leitung mit einem E.G.R.- Ventil (5) versehen ist das gesteuert wird von einem elektronischen Motorsteuerungssystem (6), um die Rückführung einer vorgegebenen Menge an Abgas zu gewährleisten und wobei das Motorsteuerungssystem mit einer Anordnung versehen ist, zur Berechnung der Werte Cg&submin;i einer Größe, die das bei jeder Verbrennung im Motor entstehende Drehmoment darstellt, und zur Steuerung des E.G.R.-Ventils ausgehend von den Betriebsbedingungen des Motors, zum Erhalt einer vorgegebenen Menge T der Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte aufweist:

- Berechnen, ausgehend von jedem das Drehmoment darstellenden Wert Cg&submin;i, einer statistischen Größe MCg&submin;i, die den Mittelwert der Werte Cg&submin;i darstellt;

- Berechnen der Abweichung ECg&submin;i des Wertes Cg vom Mittelwert MCg&submin;i;

- Zuordnen eines Wertes Tr&submin;i, der der tatsächlich rückgeführten Abgasmenge entspricht, zu jedem Wert ECg&submin;i in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors;

- Vergleichen des Wertes Tr&submin;i mit dem Wert T der ursprünglich angesteuerten Rückführmenge und, im Fall eines Unterschiedes, Abziehen einer durch Fehlbetrieb des E.G.R.-Ventils bedingten Fehlmenge.

2. Verfahren zur Steuerung des Systems der Rückführung der Abgase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem erhaltenen Wert Tr&submin;i das E.G.R.- Ventil derart gesteuert wird, daß sich die tatsächlich rückgeführte Abgasmenge Tr dem Wert der Menge T annähert.

3. Verfahren zur Steuerung des Systems der Rückführung der Abgase nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte Mcg&submin;i der statistischen Größe ausgehend von der folgenden Formel berechnet werden:

MCg&submin;i = MCg&submin;i-1 + ((Cg&submin;i - (MCg&submin;i-l)) / F1)

wobei F1 eine Filterkonstante und/oder MCg&submin;O = 0 ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung ECg&submin;i zwischen Cg&submin;i und MCg&submin;i mit der Abweichungsformel bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte Tr&submin;i der tatsächlichen Menge an rückgeführten Abgasen zum Einlaß abgeleitet werden von einer im Motorsteuerungssystem enthaltenen Datenaufzeichnung.