DE102005051358A1

DE102005051358A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR-Kanal einer magerbetreibbaren Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005051358A1
Application number: DE102005051358A
Authority: DE
Inventors: Harald Loeck; Uwe Kammann; Martina Gottschling
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-04-26

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR-Kanal einer magerbetreibbaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgashauptkanal und einem davon abzweigenden, mittels eines AGR-Ventils verschließbaren AGR-Kanal werden im AGR-Kanal Abgase aus dem Abgashauptkanal eingespeist, wird im AGR-Kanal durch Sauerstoffpumpen ein vorgegebener Sauerstoffgehalt eingestellt und wird aus dem Verhältnis der Masse des gepumpten Sauerstoffs zur Differenz der Lambda-Werte im AGR-Kanal vor und nach dem Sauerstoffpumpen die Masse des Abgases im AGR-Kanal, insbesondere der Abgasmassenfluss, bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR-Kanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7.
Aufgrund der geltenden Abgasnormen und um die Umweltbelastung zu verringern ist eine Reduzierung der Emission schädlicher Abgasbestandteile notwendig. Bei magerbetreibbaren Brennkraftmaschinen kommt zur Reduktion der Stickoxid-Emission die Abgasrückführung, kurz AGR, zum Einsatz. Um eine genaue Steuerung der magerbetreibbaren Brennkraftmaschine zu erreichen, ist daher eine genaue Kenntnis der Abgasrückführung, insbesondere der rückgeführten Abgasmasse bzw. des rückgeführten Abgasmassenstroms, notwendig.

In der Druckschrift DE 198 49 256 A1 wird mit Hilfe einer gezielten Veränderung der AGR-Rate und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des AGR-Systems eine vorbestimmte Veränderung der Abgasluftzahl Lambda und/oder der Frischluftmasse ml erreicht werden, um zu bestimmen, ob die Abgasrückführung fehlerfrei arbeitet.

Ferner wird in der DE 198 49 272 A1 zu Diagnosezwecken durch eine gezielte Veränderung des Frischluft/Kraftstoffverhältnisses und unter Berücksichtigung des EGR-Systems eine vorausbestimmte Veränderung der Abgasluftzahl erreicht.

Aus DE 102 30 763 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Schadstoffen in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen bekannt, wobei die Schadstoffe mittels Sensoren bestimmt werden, die in einer Abzweigung vom Hauptabgaskanal angeordnet sind. Dabei wird in der Abzweigung ein vorgegebener Sauerstoffgehalt im Abgas durch eine Sauerstoffpumpe erzeugt, wobei bei einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt eine genaue Messung der gasförmigen Schadstoffe mit geeigneten Sensoren möglich ist.

Allerdings wird auch bei den bekannten Verfahren keine Bestimmung der tatsächlichen Abgasmasse bzw. des Abgasflusses im AGR-Kanal vorgenommen, so dass eine genaue Regelung der Brennkraftmaschine hinsichtlich einer Minimierung der schädlichen Abgasbestandteile nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR während des Fahrbetriebs der Brennkraftmaschine zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR-Kanal mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR-Kanal mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR-Kanal einer magerbetreibbaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgashauptkanal und einem davon abzweigenden, mittels eines AGR-Ventils verschließbaren AGR-Kanal werden im AGR-Kanal Abgase aus dem Abgashauptkanal eingespeist, wird im AGR-Kanal durch Sauerstoffpumpen ein vorgegebener Sauerstoffgehalt eingestellt, und wird aus dem Verhältnis der Masse des gepumpten Sauerstoffs zur Differenz der Lambda-Werte im AGR-Kanal vor und nach dem Sauerstoffpumpen die Masse des Abgases im AGR-Kanal bestimmt.

Vorzugsweise erfolgt das Sauerstoffpumpen im AGR-Kanal durch eine Sauerstoff-Pumpzelle oder durch eine Sauerstoff-Pump-und-Meßzelle.

Weiter bevorzugt erfolgt die Messung des Lambda-Wertes im AGR-Kanal durch eine Lambda-Sonde.

Vorzugsweise erfolgt die Zuordnung der Masse des Abgases als Funktion des Verhältnisses von gepumptem Sauerstoff zur Differenz der Lambda-Werte über eine Tabelle, die beispielsweise in einem entsprechenden Steuergerät abgelegt ist. Ferner wird weiter bevorzugt die Masse des Abgases im AGR-Kanal zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet. Ferner kann durch einen Vergleich der bestimmten Masse des Abgases im AGR-Kanal mit der durch die Stellung des AGR-Ventils eingestellten Masse des Abgases im AGR-Kanal die Funktionsfähigkeit des AGR-Ventils überprüft werden.

Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Messung der Abgasrückführrate einer magerbetreibaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgashauptkanal und einem vom Abgashauptkanal abzweigenden AGR-Kanal, weist eine Sauerstoffpumpvorrichtung zum Pumpen von Sauerstoff in das Abgas des AGR-Kanals und eine Universal-Lambda-Sonde auf.

Vorzugsweise wird die Universal-Lambda-Sonde durch einen Breitband-Lambda-Sensor gebildet. Weiter bevorzugt weist die Sauerstoffpumpeinheit einen Sauerstoffsensor und eine Sauerstoffpumpe auf.

Insbesondere kann die Sauerstoffpumpeinheit durch Kombination einer Sprung-Lambda-Sonde mit einer Sauerstoffpumpe gebildet sein.

Ferner ist ebvorzugt, dass der Sensor mit Referenzluft beaufschlagt wird, die Sauerstoffpumpvorrichtung zum AGR-Ventil hin gerichtet ist und die Universal-Lambda-Sonde zum Ansaugkanal der Brennkraftmaschine hin gerichtet ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein AGR-Sensor geschaffen, der mit bekannten Elementen der Lambda-Sensorik kostengünstig aufgebaut ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nach folgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
1 die Anordnung des AGR-Sensors im Abgassystem einer Brennkraftmaschine,
2 den AGR-Sensor in schematische Darstellung,
3 den AGR-Sensor der 2 in einer bevorzugten Ausführungsform,
4 ein Beispiel der Berechnung der AGR-Rate, und
5 ein Diagramm der Abgasmasse im AGR-Kanal als Funktion der Lambda-Änderung.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine magerbetreibbare Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einen Dieselmotor oder einen magerbetreibbaren Ottomotor, dem über einen Ansaugkanal 2 Luft 3 zugeführt wird. Die Abgase der Brennvorgangs in der Brennkraftmaschine 1 werden in einem Abgasstrang 4 abgeführt, wobei Bezugszeichen 5 den Abgasstrom bezeichnet. Von den Abgasstrang 4 zweigt ein AGR-Kanal 6 ab, wobei ein Teil des Abgasstroms 5 als AGR-Strom 7 in den Ansaugkanal 2 zurückgeführt wird. Die Menge des rückgeführten AGR-Stroms wird durch ein am Eingang des AGR-Kanals 6 angeordnetes AGR-Ventil 8 geregelt. In dem AGR-Kanal 6 ist ein AGR-Sensor 9 angeordnet, der zur Bestimmung des rückgeführten Abgasmassenstroms dient. Dabei ist der AGR-Sensor mit der Umgebungsluft 10, die im folgenden als Referenzluft bezeichnet wird, verbunden.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des im AGR-Kanals 6 angeordneten AGR-Sensors 9. Der AGR-Kanal wird von einem AGR-Rohr 11 gebildet, in welchem der AGR-Sensor 9 mit der Zuführung der Referenzluft 10 angeordnet ist. Im AGR-Sensor 9 ist ein Universal-Lambda-Sensor 12 und eine Vorrichtung 13 zum Pumpen von Sauerstoff in den AGR-Kanal 6 oder aus diesem heraus angeordnet. Dabei weist die Sauerstoff-Pumpvorrichtung 13 eine Zuführung 15 zur Zuführung von Abgas des AGR-Stroms 7 auf, wobei die Zuführung 15 in Richtung des AGR-Stroms 7, d.h. in Richtung zum AGR-Ventil 8 (nicht dargestellt) hin, gerichtet ist. Ebenso weist der Universal-Lambda-Sensor eine Zuführung 14 zur Zuführung von Abgas auf, wobei diese Zuführung in Richtung Ansaugkanal 2 gerichtet ist.
3 schließlich zeigt den AGR-Sensor 9 der 2 in größerem Detail in der Anordnung im AGR-Rohr 11. Dabei wird die Universal-Lambda-Sonde 12 vorzugsweise durch eine Breitband-Lambdasonde gebildet, die über die Zuführung 14 mit Abgas zur Bestimmung des Lambda-Wertes des AGR-Stroms 7 beaufschlagt wird. Die Sauerstoff-Pumpvorrichtung 13, die wie die Breitband-Lambdasonde mit Referenzluft 10 beaufschlagt wird, umfasst in dieser Ausführungsform eine Sauerstoffpumpe 16 und einen dazu parallel angeordneten O2-Sensor 17, wobei sowohl die Sauerstoffpumpe 16 als auch der O2-Sensor 17 über Zuführungen 18, 19 mit Abgas des Abgasstroms 7 beaufschlagt werden. Als O2-Sensor 17 kommt beispielsweise ein Sprung-Lambdasensor und als Sauerstoffpumpe 16 eine Sauerstoffpumpzelle zum Einsatz.
4 erläutert in beispielhafter Form in Form eines Flussdiagramms den Gedankengang zur Berechnung der Masse des AGR-Abgasteilstroms als Funktion der Lambda-Differenz vor und nach dem Sauerstoffpumpen. In dem Rechenbeispiel wird von einem Startwert mit einem fetten Gemisch λ < 1 ausgegangen.
Zuerst erfolgt die Berechnung des stöchiometrischen Luftbedarfs. Anschließend der aktuelle Lambda-Wert erfasst und es wird geprüft, ob Lambda größer oder kleiner Eins ist. Ist Lambda größer Eins, so wird Sauerstoff, d.h. O2, durch die Sauerstoffpumpe aus dem AGR abgepumpt. Ist Lambda kleiner Eins, d.h. fettes Gemisch, so wird die Sauerstoffmasse für Lambda gleich Eins bezogen auf 1 Kg Kraftstoff berechnet. Im nächsten Schritt wird die Sauerstoffmasse bezogen auf 1 kg Kraftstoff für ein beliebiges Lambda gleich "x" ermittelt. Dann erfolgt eine Berechnung der vorgenannten O2-Masse bei x-Kilogramm Teilstrom im AGR. Aus den Zusammenhängen erfolgt nun ein gedankliches Hochpumpen auf Lambda gleich Eins und die Berechnung der dazu erforderlichen O2-Masse. Ferner erfolgt eine Berechnung der erforderlichen O2-Masse bis zu einem Lambda gleich einem vorgegebenen Sollwert. Aus der Differenz der O2-Masse vor dem Sauerstoffpumpen und nach dem Sauerstoffpumpen ergibt sich die notwendige O2-Masse. Durch das Bilden des Verhältnisses der notwendigen O2-Masse und der entsprechenden Differenz der Lambda-Werte im AGR-Teilstrom ergibt sich der gewünschte Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der O2-Masse zur Lambda-Differenz und der Masse des AGR-Teilstroms.
5 zeigt den durch das Flussdiagramm der 4 erläuterten linearen Zusammenhang in Form eines Graphen. Das Diagramm wird in Tabellenform in beispielsweise einem entsprechenden Steuergerät abgelegt. Durch Messung des Verhältnisses von gepumptem O2, im Diagramm als O2 Pump bezeichnet, zu der Differenz der Lambda-Werte vor und nach dem Pumpen, im Diagramm als DeILam bezeichnet, kann die Abgasmasse im AGR-Bypass bestimmt werden.

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugkanal
3: Luft
4: Abgasstrang
5: Abgasstrom
6: AGR-Kanal
7: AGR-Strom
8: AGR-Ventil
9: AGR-Sensor
10: Referenzluft
11: AGR-Rohr
12: Universal Lambda-Sensor
13: Sauerstoff-Pumpvorrichtung
14: Zuführung
15: Zuführung
16: Sauerstoff-Pumpe
17: O2-Sensor
18: Zuführung
19: Zuführung

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Abgasmasse im AGR-Kanal einer magerbetreibbaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgashauptkanal und einem davon abzweigenden, mittels eines AGR-Ventils verschließbaren AGR-Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass im AGR-Kanal Abgase aus dem Abgashauptkanal eingespeist werden, im AGR-Kanal durch Sauerstoffpumpen ein vorgegebener Sauerstoffgehalt eingestellt wird, und aus dem Verhältnis der Masse des gepumpten Sauerstoffs zur Differenz der Lambda-Werte im AGR-Kanal vor und nach dem Sauerstoffpumpen die Masse des Abgases im AGR-Kanal, insbesondere der Abgasmassenfluss, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoffpumpen im AGR-Kanal durch eine Sauerstoff-Pumpzelle oder durch eine Sauerstoff-Pump-und-Meßzelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Lambda-Wertes im AGR-Kanal durch eine Lambda-Sonde erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Masse des Abgases als Funktion des Verhältnisses von gepumptem Sauerstoff zur Differenz der Lambda-Werte über eine Tabelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Abgases im AGR-Kanal zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Vergleich der bestimmten Masse des Abgases im AGR-Kanal mit der durch die Stellung des AGR-Ventils eingestellten Masse des Abgases im AGR-Kanal die Funktionsfähigkeit des AGR-Ventils überprüft wird.
Sensor zur Messung der Abgasrückführrate einer magerbetreibaren Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgashauptkanal und einem vom Abgashauptkanal abzweigenden AGR-Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Sauerstoffpumpvorrichtung zum Pumpen von Sauerstoff in das Abgas und eine Universal-Lambda-Sonde aufweist. 8 Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Universal-Lambda-Sonde durch einen Breitband-Lambda-Sensor gebildet wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffpumpeinheit einen Sauerstoffsensor und eine Sauerstoffpumpe aufweist.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffpumpeinheit durch Kombination einer Sprung-Lambda-Sonde mit einer Sauerstoffpumpzelle gebildet wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit Referenzluft beaufschlagt wird, die Sauerstoffpumpvorrichtung zum AGR-Ventil hin gerichtet ist und die Universal-Lambda-Sonde zum Ansaugkanal der Brennkraftmaschine hin gerichtet ist.